Fakt ist, dass Maschinen und Anlagen immer komplexere mechatronische Systeme darstellen. Diese erfordern zunehmend eine enge Verzahnung der verschiedenen Gewerke Maschinenbau, Elektrotechnik, Informationstechnik sowie der reinen Informatik auf ERP-Ebene. Um die steigende Komplexität solcher Projekte in den Griff zu bekommen, etabliert sich derzeit im Engineering ein modul- und modellorientierter Ansatz.

Der Modulbegriff beinhaltet, dass Maschinen und Anlagen in logische Funktionseinheiten zerlegt werden. Mit vorgefertigten Softwaremodulen, zum Beispiel für das Befüllen eines Behälters, die Zuführeinrichtung von Teilen oder den Versand einer Alarmierungs-E-Mail, lässt sich die hierfür erbrachte Engineering-Leistung mehrfach verwenden. Auch bereits bestehende Anlagen sind dann einfach und effizient um Funktionen erweiterbar. Gleichzeitig ermöglicht ein modularer Ansatz itera­tive Entwicklungs- und Verifikationsprozesse, die das Engineering be­schleunigen. Handelt es sich bei den Softwaremodulen um gekapselte, getestete und compilierte Einheiten, die über klar definierte Schnittstellen Daten austauschen können, muss der Maschinen- und Anlagenbauer keine Kenntnisse mehr darüber haben, was im Detail in dem Modul steckt. Er kann die Funktion beziehungsweise das Softwaremodul folglich als handelbares Gut nach Bedarf hinzukaufen und in seine Lösungen integrieren.

Um die Realität abzubilden, nutzen die Gewerke unterschiedlich abstrahierte Modelle. Letztere sind meist dahingehend optimiert, dass sie den Bau eines Gewerkes beschreiben und nicht dessen Funktion. Im Maschinenbau sind dies etwa CAD-Pläne, in der Elektrotechnik Schaltpläne. Mit Hilfe der abstrahierten Modelle werden einzelne Teilfunktionen in Funktionsmodule mit entsprechenden Schnittstellen zerlegt, so dass eine strukturierte und vereinfachte Abbildung der Realität entsteht. Für die Implementierung gibt es je nach Aufgabe verschiedene Möglichkeiten, zum Beispiel das Matlab/Simulink-Modell für den Regelkreis oder ein IEC-61131-Programm für eine Ablaufsteuerung.

Verhaftet in konventionellen Denkansätzen

Viele Anbieter von Automatisierungstechnik haben bereits begonnen, einen solchen modul- und modellbasierten Engineeringprozess zu unterstützen. Generell ist die Branche jedoch immer noch stark in konventionellen Denkansätzen verhaftet, gerade was den Prozess-Überbau angeht. Hierzu gehört der Aspekt, dass die Mitglieder der verschiedenen Gewerke im Rahmen ihrer Projekte heute eher fokussiert auf ihre individuelle Aufgabe blicken, als ganzheitlich das Ziel – sprich die übergeordnete Funktion – im Auge zu haben.

Geht es beispielsweise darum, die Funktion ‚Bohren‘ umzusetzen, zieht – vereinfacht ausgedrückt – in der Regel der Mechaniker los, um die Bohrmaschine per CAD zu konstruieren, der Elektrotechniker erstellt einen Schaltplan und der Automatisierer programmiert die Steuerung. Die Gewerke werden abschließend miteinander verknüpft. Im Sinne eines ‚echten‘ mechatronischen Engineering sollte das Projekt jedoch andersherum angegangen werden, indem im ersten Schritt zunächst einmal die Funktion ‚Bohren‘ innerhalb des technischen Prozesses definiert wird: In welchem Kontext soll gebohrt werden? Um welches Material handelt es sich? Was für Umgebungsbedingungen herrschen hier? Etc. pp. Dieser Gedanke des ganzheitlichen System-Engineering wird bisher üblicherweise noch nicht gelebt. Um aber komplexe Zusammenhänge einfacher und schneller erfassen zu können, ist dies unerlässlich.

Ein Beispiel aus der Praxis: Bei einer prozesstechnischen Anlage werden Bleche vor dem Pressvorgang mit Umform­öl besprüht, um den Pressvorgang zu optimieren. Nach einiger Zeit hat der Betreiber Probleme mit dem Material im Nachfolgeprozess. Nach langer Suche stellt er fest, dass etwa jede 1000ste Platine, die die Maschine durchläuft, nicht beölt wird. Technisch kann kein Gewerk einen Fehler feststellen.

Das Problem liegt darin begründet, dass die Anlage derart programmiert ist, die Platine nur zu beölen, wenn sie mit einer konstanten Geschwindigkeit transportiert und dabei eine Mindestgeschwindigkeit erreicht wird. Maßgeblicher Parameter ist in diesem Szenario die Masse der Platinen. In Fällen, bei denen die Masse einen kritischen Schwellwert überschreitet, findet keine Beölung statt. Dieser Fall ist zwar im Kontext der Transport-Einrichtung betrachtet worden, nicht jedoch im Gesamtkontext der Anwendung.

Prozess-Ingenieur ist ­gefordert

Im Vergleich zum traditionellen Engineering-Ansatz (links) bieten gekapselte, getestete und compilierte Softwaremodule, die über klar definierte Schnittstellen Daten austauschen (rechts), deutliche Vorteile hinsichtlich Effizienz und Flexibilität.

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Eine einheitliche ‚Weltsprache‘, mit der sich alle Gewerke untereinander direkt austauschen können, wird es aller Wahrscheinlichkeit nach nicht geben. Gefragt ist daher ein übergeordnetes Werkzeug, welches funktionsorientiert die Abstimmung der Prozesse übernimmt. Die Systems Modeling Language (SysML), eine grafische Modellierungssprache für komplexe Systeme, bietet diesbezüglich heute schon diverse Möglichkeiten. Sie hat allerdings das Manko, dass sie auf den Herstellungszeitraum der Anlagen ausgerichtet ist. In Zukunft wird System-Engineering jedoch deutlich weiter gefasst werden und sich näher am Prozess und dem Lebenszyklus der Anlage orientieren müssen. Gefragt ist daher eine Prozess­sprache, die aus der Perspektive des Anlagenbetreibers getrieben und für die Teilnehmer aller Gewerke inklusive der Instandhaltung des Anlagenbetreibers verständlich sein sollte. Darüber hinaus fehlt derzeit im Maschinen- und Anlagenbau noch die Rolle des Prozess-­Ingenieurs, der ausgehend von der Zielsetzung „ich möchte das Produkt X fertigen“ den hierfür notwendigen Prozess beschreibt, die Schnittstellen zu den Funktionsmodulen in einer einheitlichen Prozesssprache definiert und die Gewerke koordiniert.

Erste Schritte in diese Richtung gibt es mit der Namur-Empfehlung (NE) 148 in der Verfahrenstechnik. Der Verband verfolgt mit dem 2013 veröffentlichten Dokument das Ziel, die Zeitspanne zwischen Produktidee und Markteinführung drastisch zu reduzieren und Betreibern von Prozessanlagen mehr Flexibilität zu geben, sich auf die immer schneller ändernde Anforderungen der Kunden und Märkte einzustellen. Hierfür beleuchtet die Empfehlung den gesamten Lebenszyklus einer prozesstechnischen Anlage im Umfeld eines modularen Anlagendesigns und formuliert die daraus resultierenden Anregungen und Rahmenbedingungen zur Realisierung der Automatisierungstechnik.

An der Weiterentwicklung eines ähnlichen Konzepts, das den Grundstein für eine Lösung im Maschinenbau legt, arbeitet Bachmann derzeit. Es besteht aus einer übergeordneten Ebene für die Prozessüberwachung und -steuerung, die mit prozessorientierten intelligenten und autarken Funktionsmodulen kommuniziert. Wichtig ist es, hier eine einheitliche Schnittstelle zu schaffen, über die alle Software-Module kommunizieren, so dass Anwender diese nicht mehr händisch programmieren brauchen. Grundlage hierfür sollte eine standardisierte Schnittstelle sein.

Das Engineering-Tool als Wissensspeicher

Neben dem Gedanken, den ganzheitlichen Prozess in den Mittelpunkt zu stellen, besteht ein weiterer wichtiger Aspekt hin zum optimalen Engineering-Tool in der Erweiterung des Modulbegriffs. Die Idee dahinter ist, die Software-Module über den Zeitpunkt der Inbetriebnahme hinaus sowie über Anlagen- und Eigentümergrenzen hinweg um Wissen über die konkrete Nutzung zu erweitern und das Engineering-Tool auch als Wissensspeicher zu verwenden.

Gefragt ist eine einheitliche Schnittstelle, über die alle Software-Module kommunizieren und die dem Anwender die händische Programmierung erspart.

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Hintergrund ist: Investitionsgüter wie etwa Pressen haben eine Lebensdauer von 30 Jahren. In diesem Zeitraum werden sie nicht selten wiederholt umgebaut. Oberstes Ziel des Betreibers in all diesen Jahren besteht darin, die Produktivität und Verfügbarkeit der Maschine oder Anlage zu maximieren. Hierfür sind allerdings detaillierte Informationen über den ‚Gesundheitszustand‘ und die Historie essenziell.

Anlagenbediener kennen ‚ihre‘ Anlage in der Regel recht genau und ­können gut einschätzen, wie diese sich in welchem Zustand verhält, wie sich der technische Prozess unter unterschiedlichen Rahmenbedingungen (zum Beispiel Veränderung von Umweltbedingungen) verändert und was zu tun ist, um wieder optimale Ergebnisse zu erzielen. Auch dieses Wissen sollte der Wissensspeicher abbilden.

Ein weiterer Aspekt, bei dem das Wissen über die reale Nutzung der Maschine eine entscheidende Rolle spielt, ist das Thema Wartung: Das Wissen der Bediener kann eine zustandsbasierende Wartung unterstützen. Denn der Verschleiß einzelner Bauteile führt nicht zwangsläufig zu einer signifikanten Produktveränderung, die einen sofortigen Austausch von Bauelementen erfordert.

Von der präventiven zur zustandsbasierten Wartung

Das Standardvorgehen in der Instand­haltung ist zurzeit die präventive Wartung. Das heißt, Verschleißteile wie die Hauptzylinder einer Druckgussmaschine oder die Lager einer Walze werden nach bestimmten Zyklusvorgaben unabhängig vom realen Verschleißzustand präventiv ausgetauscht. Bei dieser Vorgehensweise kann es dazu kommen, dass diese stark beanspruchten Komponenten zu früh, zu spät oder zu einem ungünstigen Zeitpunkt ausgewechselt werden, wodurch unnötige Kosten entstehen. Demgegenüber bietet eine zustandsbasierte Wartung, die auf Informationen zur wahren Verwendung und dem realen Verschleiß basiert, deutliche Vorteile.

Ein neues Software-Framework ermöglicht erstmals das weltweite Datenmanagement von vielen Maschinen gleichzeitig über Unternehmensgrenzen hinweg und mit unterschiedlichen Berechtigungen für die verschiedenen Nutzergruppen.

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Ungeachtet der offensichtlichen Vorteile ist die Hemmschwelle für einen Wechsel von präventiver zu zustandsbasierter Wartung in der Industrie ­immer noch hoch, denn es werden hohe Aufwände und Kosten damit verbunden. Dank intelligenter Software-Konzepte, welche die größtenteils von bereits existierender Hardware bereitgestellten Daten nutzen, ist die Realisierung aber ohne großen Mehraufwand heute schon möglich. An einem solchen Konzept arbeitet Bachmann und integriert in dieses ebenfalls die visionäre Idee, die mit Hilfe der Datenaggregation gewonnenen ­Informationen zur tatsächlichen Maschinennutzung über verschiedene ­Anwender hinweg intelligent weiterzuverwenden.

Dieser Ansatz – nämlich die zustandsbasierte Wartung mit Wissensspeicher – bringt dem Maschinenbauer enorme Mehrwerte: So können Nutzungsdaten wertvolle Fakten und Anregungen für die optimale Aus­legung zukünftiger Maschinen liefern. Generell lässt sich sagen, dass ­momentan nur 20 bis 50 % der ent­wickelten Funktionen einer Maschine später auch genutzt werden. Mit einer mehr zielgerichteten Entwicklung lässt sich die Effizienz in der Entwicklung steigern, so dass Entwicklungskosten sinken.

Darüber hinaus versetzen die Nutzungsdaten den Maschinenbauer in die Lage, die Endanwender hinsichtlich der bestmöglichen Verwendung ihrer Maschine gezielt zu beraten. Weiß ein Maschinenbauer zum Beispiel, dass es bei einer bestimmten Kombination von Umform-Medium und Schaltzyklen der Sprühdüsen zu Veränderungen der Sprüheigenschaften durch Ablagerungen kommt, kann er diese Information im Service berücksichtigen.

Da der Maschinenbauer nun in der Lage ist, dem Endkunden eine bessere Planbarkeit der Service-Einsätze zu bieten, sind auch verlängerte Garantiezeiten sowie neue Service-Angebote denkbar. Diese könnten im Austausch gegen die Erlaubnis zum Datenzugriff zur Verfügung gestellt werden. Der Endanwender profitiert zudem davon, dass seine Maschine oder Anlage im Falle von stark verschlissenen Komponenten nicht nur das Service- oder Wartungspersonal informiert, sondern auch einen gedrosselten Betrieb initiieren kann, um ungeplante Ausfälle zu vermeiden beziehungsweise einen günstigeren Zeitpunkt für die notwendigen Wartungsmaßnahmen abzuwarten. Ebenfalls immer wichtiger wird in diesem Zusammenhang das Thema standardisierte Service-Schnittstelle. Für diese wird es in Kürze einen Normungsvorschlag aus dem Hause Bachmann geben.

Modul-Erweiterung am Beispiel Flotten-Management

Erste Erfahrungen mit dem erweiterten modularen Ansatz im Engineering sammelt Bachmann derzeit mit dem neuen Software-Modul Flotten-Management-System (FMS). Dieses erfasst, speichert, aggregiert und analysiert Daten aus den in der Maschine verbauten Sensoren und Aktoren – darunter die Anzahl der Pumpenanläufe oder Ventilschaltspiele, Anlauf-/Hochlaufzeiten von Pumpen und Laufleistung von Zylindern. Das Konzept orientiert sich beim Aufbau der Daten an dem VDMA-Einheitsblatt 24582 für Überwachungsfunktionen in Pneumatik, Elektrik, Hydraulik und Mechanik.

Die Informationen werden über ein Systemvariablen-Interface weiteren lokalen Modulen, der Visualisierung sowie dem MES-System zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise lassen sich Warnmeldungen wie ‚Sandfilter ist verstopft – Filter reinigen‘ direkt an die Betriebsführung weiterleiten und mit der Anlagenvisulisierung koppeln, so dass zum Beispiel der Betrieb aufgrund von erhöhtem Verschleiß heruntergefahren werden kann, bis ein Austausch des Filters möglich ist.

Darüber hinaus unterstützt das FMS ein verteiltes Datenmanagement, das die Überwachung vieler ­Anlagen auch über Unternehmensgrenzen hinweg mit unterschiedlichen Berechtigungen erlaubt. Das bedeutet, der Maschinenbauer kann die Daten der Maschine X weltweit nicht nur beim Kunden A, sondern auch bei den Kunden B und C abfragen, so dass er verlässliche, vergleichbare Informationen über die unterschiedliche Nutzung der Maschine gewinnt. Möglich macht dies das Prinzip der ‚private cloud‘ auf Basis der Atvise-Techno­logie. Dieses verbindet die Vorteile der weltweit verfügbaren Cloud zur Datenspeicherung und zum Daten­austausch mit der Möglichkeit der ­zielgruppenspezifischen Vergabe von Nutzungsrechten mit Hilfe eines einfach zu bedienenden, vorkonfigurierten Web-Portals. Flexible, skalierbare Bedienoberflächen erlauben dann die Auswertung der Daten in Abhängigkeit der unterschiedlichen Nutzerbedürfnisse von der Entwicklung bis hin zum Service.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Der Maschinen- und Anlagenbau ist gefragt, den Prozess weiter in den Mittelpunkt zu rücken. Komplexe Anlagen können zudem nur noch durch Modularisierung entwickelt und optimiert werden. Das Engineeringtool sollte daher in der Lage sein, über die Software-Module Wissen zu allen Anlagen-, Nutzungs- und Verschleißdaten über den gesamten Lebenszyklus bereitzustellen und als Wissensspeicher weltweit über die Anlagen- und Eigentümergrenzen hinweg zielgruppenspezifisch nutzbar zu machen.

Autor: Georg Scharf ist bei Bachmann Electronic verantwortlich für das Produktlinien-Management der Programmiertools.