Losgröße 1 wird mit B&R zum Kinderspiel

Transportsystem Acopostrak

Losgröße 1 wird mit B&R zum Kinderspiel

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Kann der Anwender auf Basis seines prozesstechnischen Denkens programmieren, lässt sich der Materialfluss auch in ausgedehnten Anlagentopologien leicht programmieren. B&R nutzt diesen Ansatz auch bei dem zur SPS IPC Drives 2017 vorgestellten Transportsystem Acopstrak mit unabhängig voneinander steuerbaren Shuttles. Eine elektronische Weiche ermöglicht auch komplexe Systeme.

Michael Corban, Chefredakteur elektro AUTOMATION

Losgröße 1 zu den Kosten der Massenproduktion zu ermöglichen, ist eines der wesentlichen Ziele von Industrie-4.0-Strategien. Die technologische Basis dafür bieten dem Maschinenbau insbesondere Transportsysteme mit unabhängig voneinander steuerbaren Shuttles. Zur SPS IPC Drives 2017 hat B&R mit Acopostrak nun eine weitere, interessante Variante vorgestellt. Das System verfügt über eine rein elektronisch arbeitende Weiche, mit der sich Warenströme individuell verzweigen oder zusammenzuführen lassen. Auf diese Weise können einzelne Shuttles zum Beispiel gezielt an unterschiedliche Bearbeitungsstationen geführt werden. Aus Sicht der Automatisierer zeichnet sich das System aber vor allem durch die Art der Programmierung aus, die das prozesstechnische Denken des Anwenders in den von ihm gewünschten Abläufen unterstützt. Hinzu kommt die Möglichkeit, mit der Programmierung direkt auch über den ‚digitalen Zwilling‘ zu verfügen, was entsprechend umfangreiche Chancen hinsichtlich Simulation und Visualisierung des Materialflusses eröffnet.

Der Mehrwert für den Anwender liegt auf der Hand: Nur auf diese Weise lassen sich flexible und adaptive Maschinen bauen. „Wir erfüllen damit den Traum vieler Konsumgüterhersteller“, erläutert Markus Sandhöfner, Geschäftsführer von B&R Deutschland. „Maschinen lassen sich nun auch für zukünftige Produkte nutzen – vorhandene Kapazitäten und getätigte Investitionen gehen nicht verloren, wodurch die Kosten drastisch sinken.“ Laut Spezifikation lassen sich Tracks bis rund 100 m Länge realisieren, auf denen die einzelnen Shuttles mit einer Beschleunigung von bis zu 50 m/s2 Geschwindigkeiten bis 4 m/s erreichen. Der Antrieb erfolgt per Linearmotor mit feststehenden Spulen in den Tracksegmenten und am Shuttle befestigten, bewegten Magneten.

Naturgemäß muss für jedes Shuttle des Transportsystems kontinuierlich die Sollposition festgelegt und der Antrieb – hier der ‚Linearmotor‘ über die einzeln ansteuerbaren Spulen in den Tracksegmenten – entsprechend gesteuert werden. Außerdem ist sicherzustellen, dass es nicht zu Kollisionen auf dem Track kommt. „Diese Funktionen jedes Mal aufs Neue zu programmieren, wäre ein immenser Aufwand“, ergänzt Robert Kickinger, Manager Mechatronic Technologies bei B&R. Daher hat B&R die Steuerung der einzelnen Shuttles und die Kollisionsvermeidung fest im System implementiert. Der Anwender muss lediglich den gewünschten Prozess programmieren. Was im Hintergrund passiert, ist eine Trennung in

  • eine übergeordnete zentrale und prozessnahe Steuerung per Industrie-PC, die jedes Shuttle kollisionsfrei von einer Station zu beliebig anderen Stationen schicken kann, und
  • die dezentrale, segmentweise Steuerung der Antriebsspulen in den einzelnen Tracksegmenten, um die Shuttles entsprechend der Sollwertprofile zu bewegen.

Der Rest erfolgt automatisch: Der zentrale Industrie-PC berechnet aus den vorgegebenen Abläufen die Sollwertprofile und stellt die Kollisionskontrolle sicher; die einzelnen Segmente übernehmen die Antriebssteuerung, indem sie an den Segmentgrenzen die Shuttles übernehmen beziehungsweise übergeben und die Spulen des Linearmotors shuttleindividuell ansteuern. „In jedem Segment steckt dazu in etwa die Rechenleistung eines Mobiltelefons“, fährt Kickinger fort. „Unser Ziel ist es, möglichst viele Aufgaben dezentral abzuarbeiten.“ Mit dem zentral steuernden Industrie-PC sind die Segmente übrigens über Powerlink verbunden, was eine Übermittlung der Fahrbefehle in Echtzeit sicherstellt.

„Wir bieten damit eine sehr effiziente Art der prozessoptimierten Programmierung an – vor allem mit Blick auf die mit Acopostrak möglichen, ausgedehnten und komplexen Anlagentopologien“, fährt Markus Sandhöfner fort. Als Maximalzahl nennt B&R derzeit 250 Shuttles, die sich von einem einzigen Industrie-PC aus steuern lassen, was wiederum die Programmierung und auch Wartung des Systems erleichtert. „Parallel mehrere Industrie-PCs und Echtzeitnetzwerke zu synchronisieren, kann nicht die Lösung sein – es geht darum, Netzwerk und Architektur möglichst einfach zu gestalten und die Programmierung möglichst prozessnah umzusetzen.“ Nur auf diese Weise könne der Hersteller seine Maschinen und Anlagen schnell umsetzen und zur Marktreife bringen – und nur so könne der Anwender später seine Fertigung entsprechend flexibel an neue Aufgabenstellungen anpassen.

Besonders spannend ist natürlich die Frage, wie die Shuttles an einer Weiche den Track wechseln können. Da Acopostrak die Shuttles rein über die Magnetkraft hält, heben sich theoretisch die Haltekräfte in der Weiche selbst gegenseitig auf. Dementsprechend müsste nur der Antrieb von der einen auf die andere Seite ‚umgeschaltet‘ werden – doch basierend auf der elektrischen Antriebstechnik gibt es einen eleganteren Weg, der einen weichen Wechsel erlaubt.

Um die Wirkungsweise zu verstehen, lohnt zunächst ein Blick auf den Effekt der Feldschwächung, den sich die Antriebstechniker bei konventionellen, rotativen Antrieben zunutze machen. „Prinzipiell entsteht eine Gegen-EMK (elektromotorische Kraft), wenn ein mit Permanentmagneten bestückter Rotor im Magnetfeld der Statorspulen gedreht wird“, erläutert Kickinger. Diese steigt mit der Drehzahl und verhindert ab einem bestimmten Punkt, dass der Motor weiter Strom aufnehmen kann. „Diese Gegen-EMK lässt sich aber über eine um 90° phasenversetzte Bestromung im Spulensystem des Motors beeinflussen – sprich reduzieren.“ Dadurch kann der rotative Motor wieder Strom aufnehmen und mehr Moment beziehungsweise Leistung liefern – was zwar die Wicklungen deutlich stärker belastet und erwärmt, kurzfristig aber Sinn macht. Mit anderen Worten: Kurzfristig lässt sich mehr Leistung aus dem Antrieb holen, was typischerweise den Einsatz ‚kleinerer‘ und damit kostengünstigerer Motoren erlaubt. Diesen Effekt der Feldschwächung nutzen die B&R-Ingenieure nun auch bei der Weichenaktuierung. „Wir können damit gezielt die Anziehungskraft zu einem Motorkamm schwächen, zum anderen stärken – was einen sehr eleganten Wechsel des Tracks ermöglicht.“

Direkt zum digitalen Zwilling per Programmierung

Weichen werden durch die Abbildung des Tracks im Programmiertool Automation Studio berücksichtigt. Der steuernde Industrie-PC kann auf diese Weise die einzelnen Shuttles sicher an das gewünschte Ziel bringen und den jeweiligen Segmenten den Auftrag für den Spurwechsel geben. Diese Art der Programmierung kann der Anwender darüber hinaus nutzen, um Simulationen des Materialflusses durchzuführen. Hintergrund ist, dass mit der Programmierung bereits der sogenannte ‚digitale Zwilling‘ zur Verfügung steht. Das Plus dabei: Simulationen geben bereits vor dem Aufbau des realen Tracks Auskunft darüber, ob sich die Prozessabläufe wie vorgesehen umsetzen lassen. Anders formuliert: Tauchen in der Simulation Probleme auf, lassen sich diese ohne großen Aufwand beseitigen, sodass die folgende Inbetriebnahme weitgehend reibungsfrei erfolgen kann. Simulationen sind zudem das Mittel der Wahl, wenn im Verlaufe des späteren Produktiveinsatzes neue Produkte gefertigt werden sollen. Der Anwender kann dann wiederum zunächst ‚virtuell‘ planen und testen, bevor die neue Programmierung zum Einsatz kommt.

„Bestehende Maschinen lassen sich mit Acopostrak um Prozesse erweitern, sodass auch neue Produkte mit den bereits vorhandenen Anlagen gebaut werden können“, fasst Markus Sandhöfner abschließend zusammen. „Das System lässt sich schnell anpassen, ohne die Programmierung von Grund auf ändern zu müssen – daher sprechen wir auch von ‚Enabling the adaptive Machine‘.“

www.br-automation.com

Weitere Details zu Acopostrak:

hier.pro/Golpn

Hannover Messe: Halle 9, Stand D26

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