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Das Ende des zentralen Schaltschranks

Trendbericht Verpackungstechnik: Dezentrale Steuerungskonzepte setzen sich durch
Das Ende des zentralen Schaltschranks

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Modulare Verpackungsmaschinen erlauben einen immer stärker individualisierbaren Prozess, das Ziel ist die Losgröße 1. Hierbei spielen auch dezentrale Steuerungskonzepte eine immer größere Rolle. Und natürlich fallen die Stichworte Datendurchgängigkeit und Industrie 4.0 immer wieder.

Der Autor: Tobias Meyer ist freier Journalist und hat diesen Beitrag im Auftrag der elektro AUTOMATION erstellt

Modularisierung heißt, die Maschine in standardisierbare Funktionseinheiten zu zerlegen, um so einen hohen Grad von Wiederverwendung zu erreichen. „Beschränkte sich die Modularisierung bis dato häufig rein auf die Mechanik, so geht es heute darum, Mechanik, Elektronik und Software wirklich aus einem Guss zu erstellen“, erklärt Kay Willerich, Leiter Profit-Centre Controls bei Lenze. Gerade in Verpackungsmaschinen und -anlagen rechne sich seiner Ansicht nach ein modularer Ansatz. Denn um kleine Losgrößen zu Konditionen einer industriellen Großserienfertigung zu verpacken, brauche es Maschinen, die hochflexibel, intelligent und vernetzt sind. Will man dabei auch die Engineeringkosten und -zeiten im Griff behalten, sei Modularisierung das Mittel der Wahl. Die Anlage lässt sich so zudem flexibel und schnell umkonfigurieren.
Auch Marten van Rossum, Leiter Geschäftsentwicklung Verpackungs- und Druckmaschinen bei Siemens, beobachtet, dass der Automatisierungsgrad von Verpackungsmaschinen kontinuierlich zunimmt, im Laufe der letzten Jahre sei ein Trend zur Modularisierung und Standardisierung im Verpackungsmaschinenbau unverkennbar. Auch er sieht die Basis hierzu in einem Baukastensystem, bestehend aus standardisierten Hardware- (Mechanik und Elektrik) und Modulsoftwareschnittstellen, die einfach kombiniert werden können. Dahinter stehen unter anderem Anforderungen wie Achsvereinzelung sowie automatisierte Formatverstellung als Basis für kurze Produktwechselzeiten. Zudem fordert der Markt kompaktere Maschinen, was die Maschinenbauer dazu bringt, intelligente Lösungen zu kreieren: „Ziel ist die Steigerung der Maschinengeschwindigkeit bei gleichzeitig zunehmender Individualisierung der Produkte. In anderen Worten: Es geht in Richtung einer Massenproduktion in Losgröße 1“, so van Rossum.
Weg vom Zentralsteuerkasten
Aufgrund dieser Entwicklungen nehmen dezentrale Steuerungskonzepte im heutigen Verpackungsmaschinenbau eine immer wichtigere Rolle ein: Dezentrale Steuerungsintelligenz, schnelle IRT-fähige Busse (Isochronous RealTime), ins Maschinenbett integrierte IO-Systeme, dezentrale, kleine Schaltkästen sowie dezentrale, kompakte Servoantriebstechnik sollen hierzu der Schlüssel sein. Siemens sieht im Kontext der Maschinenmodularisierung generell zwei Umsetzungstrends: Zum einen werden die Automatisierungs- und Antriebskomponenten immer kompakter, was dazu führt, dass der erforderliche Schaltschrankbedarf weiter abnimmt. So ist eine einfache Integration ins Maschinenkonzept möglich. Ein weiterer Trend geht in Richtung schaltschranklose Maschine. „Aus Sicht eines Automatisierungs- und Antriebslieferanten liegt unser Ziel darin, den ‚Footprint‘ der Komponenten zu reduzieren“, so van Rossum.
Auch Jürgen Lieber, Product Manager High Performance im Bereich OEM Solutions bei Schneider Electric bekommt solche Signale aus dem Markt: „Modulare Lösungen sind heute wichtige Grundvoraussetzung dafür, dass mit Standardkomponenten auf die individuellen Anforderungen eingegangen werden kann.“ So lassen sich wirtschaftliche Lösungen „aus dem Katalog“ zusammenstellen.
Hier greifen auch dezentrale Antriebslösungen: „Die Antriebsregler sitzen nicht länger im Schaltschrank, sondern direkt huckepack auf dem Motor in der Maschine – das wäre etwa der Lexium 62 ILM – oder separat an einer freien Stelle im Maschinen-Chassis, mit dem Lexium 62 ILD“, erklärt Lieber. So bleibt der Maschinenbauer sehr flexibel, weil er sich im Schaltschrank den Platz und den Umbau für zusätzliche Antriebsregler sparen kann. Jede Maschine – auch und gerade im High-Performance-Bereich – benötigt jedoch eine Einspeisung und einen Leistungsschalter als Hauptschalter, zentrales Schutzelement und als Schnittstelle zum Energiemanagementsystem des Anwenders. „Bei unseren dezentralen Antriebslösungen Lexium 62 ILM und Lexium 62 ILD verbleibt von den Antriebstechnikkomponenten im Schaltschrank nur noch ein gemeinsames Netzteil für alle Antriebe in der Maschine und ein Verbindungsmodul, um die dezentrale Technik zu verbinden. Stand heute bleibt der Schaltschrank, er fällt aber wesentlich kleiner aus, als bei der klassischen Variante“, so Lieber.
Ähnlich sieht man es bei Lenze, die Maschine müsse wirklich konsequent modularisiert und somit dezentralisiert werden, unter Berücksichtigung aller wesentlichen Aspekte, wie beispielsweise dem maschinenübergreifende Energieaustausch zur Steigerung der Energieeffizienz. Ob die dezentralen Einheiten dann mit oder ohne Schaltschrank z.B. im Maschinenbett oder in hoher Schutzart ganz ohne zusätzliches Gehäuse aufgebaut werden, hängt vom Platz, den thermischen Verhältnissen und auch den Kosten ab. „Was wir aber sicher sagen können, ist, dass die Zeiten des zentralen Schaltschranks heute endgültig vorbei sind“, so Kay Willerich.
Breites Portfolio verfügbar
Lenze unterstützt flexible Maschinenkonzepte mit modularer Software, einem kompletten Baukasten skalierbarer Hardware – von der Steuerung bis zum Getriebe – sowie modernen Schnittstellen. Mit der Software-Toolbox Fast bietet Lenze miteinander kombinierbare Technologiemodule, in die Standardfunktionen von Antrieben wie beispielsweise elektrische Welle, Positionieren oder Heben geflossen sind. Damit kann der Anwender die Bewegungssteuerung modular in die Prozesssteuerung integrieren. Die Bewegung der Antriebe wird lediglich parametriert. Die Softwaremodule lassen dem Programmierer zudem die nötige Flexibilität für das Schreiben eigener Module. Ein Application Template bildet den Rahmen für die strukturierte Bewegungssteuerung. Im Bereich der Hardware bietet Lenze einen Baukasten aus Antriebs- und Steuerungstechnik, die sich feinskaliert kombinieren lässt. Damit sollen einzelne Maschinenmodule optimal ausgestattet und Nachteile durch Überdimensionierung begrenzt werden.
In aller Konsequenz bedeutet Modularisierung, einen dezentralen Ansatz zu verfolgen: Jedes Maschinenmodul hat eine eigene Steuerung. Auch Busarchitekturen müssen darauf vorbereitet sein, dass bestimmte Module und damit Busteilnehmer optional hinzugefügt oder auch eliminiert werden können. Lenze hat daher die Funktion „Optionale Teilnehmer“ in Ethercat integriert. So sind Maschinenbauer in der Lage, die größte Grundkonfiguration anzunehmen – und daraus durch Aus- oder Abwahl eine kundenindividuell zugeschnittene Variante zu definieren. Modularität heißt auch, dass es Stellen geben muss, die den Takt samt des einzig gültigen Zeitstempels vorgeben. „Die neue Sync Bridge übernimmt diese Aufgabe und wird damit quasi zur Instanz, die für alle auf die Uhr schaut“, so Kay Willerich.
Auch Siemens bietet seit Jahren eine Vielzahl von Produkten für dezentrale Systeme an. Beispielsweise das IO-System ET200SP und Steuerungen der Generation S7-1500 – und mit dem Engineering Framework TIA Portal das entsprechende Engineering-Werkzeug. „Unsere bestehende Antriebstechnik wird durch das dezentrale Antriebssystem Sinamics S120M abgerundet. Hier werden Verdrahtungsaufwände aufgrund von Hybridleitungen und Daisy-Chain-Verkabelungskonzepten deutlich reduziert“, erklärt van Rossum. Softwareseitig sei beispielsweise eine mikrosekundengenaue Synchronisation von dezentralen Motion-Control-CPUs auf Profinet-Basis mit IRT-Technologie etabliert. Darüber hinaus runden standardisierte Software-Applikationen das Lösungsangebot ab. So sind etwa technologische Motion-Control-Funktionen und Standard-Schnittstellenbausteine (OMAC, Weihenstephan) verfügbar. Effizientes Engineering soll der Projektgenerator Simotion easyProject ermöglichen. Hier werden SW-Programme einfach parametriert, automatisch aus dem Baukasten zusammengestellt und in die CPU geladen.
Mehr Leistung bei kleinen Losgrößen
Durch die fortschreitende Individualisierung der Produkte und damit der Verpackungen muss auch die Leistung von Verpackungsmaschinen und -anlagen steigen. Siemens will daher vorhandene Transportprozesse innerhalb von Verpackungsmaschinen und -anlagen individuell zu den Produktionsschritten synchronisieren. Hier biete das Multi-Carrier-System (MCS) den entscheidenden Hebel, um die Flexibilität zu steigern. Daneben erfordert die steigende Produktivität bei gleichzeitig höherer Flexibilität einen durchgängigen Engineeringprozess vom Design bis hin zur virtuellen Inbetriebnahme.
Ein anderer wichtiger Aspekt für die Leistungssteigerung von Anlagen ist die vertikale Vernetzung, auch Integrated Production genannt. Hierbei werden relevante Daten zu Produktion und Maschine erfasst und an übergeordnete Systeme – z.B. ERP – weitergegeben. Ziel ist es, Verbesserungspotentiale des Produktionsprozesses zu identifizieren und geeignete Optimierungsmaßnahmen abzuleiten. Zudem bieten die erfassten Maschinendaten die Basis für ein wirkungsvolles Condition Monitoring. „Damit lassen sich dann gezielt Maßnahmen zur Störungsbehebung anstoßen“, verdeutlicht van Rossum. In diesem Zusammenhang spielen auch Cloud-basierte Lösungen eine wichtige Rolle. Siemens unterstützt diesen Trend mit MindSphere, einem offenem Cloud-System, das Data Driven Services auf Basis von Kommunikationsstandards wie OPC UA ermöglicht. „Aus unserer Sicht wird es nicht allzu lange dauern, bis Verpackungsmaschinenhersteller auf die komplett digitalisierte Wertschöpfungskette umstelle, um schlicht wettbewerbsfähig zu bleiben. Die Entwicklung geht zum digitalen Workflow, in dem Prozesse und Entscheidungen parallel laufen. Dafür müssen die Unternehmen umdenken – die Bereitschaft dazu ist zuletzt deutlich gestiegen“, so van Rossum.
Auch Schneider Electric hilft bei der Leistungssteigerung von Verpackungsanlagen, wie Jürgen Lieber erklärt: „Wir haben gerade die maximale Anzahl synchroner Achsen bei unserer Pacdrive-Familie auf 130 erhöht. Damit erhält der Anwender die Möglichkeit, eine höhere Variantenvielfalt flexibel abzudecken.“ Genügend Rechenleistung und Konnektivität sei bei den Controllern ohnehin vorhanden. Schneider setzt auch hier auf Ethernet und sieht sich damit in der Lage, offene Protokolle zu implementieren, um die Konnektivität im Zeitalter von Industrie 4.0 sicher zu stellen.
Aus Sicht von Lenze erfordert die zunehmende Individualisierung von Produkten eine schnelle und effiziente Anpassung der Maschine beim Betreiber: „Durch intelligente und vor allem flexible Maschinen werden Umrüstzeiten reduziert, und die Leistung der Maschine steigt. Ein modularer Aufbau der Verpackungsanlage sorgt zudem dafür, dass bestimmte Prozessschritte je nach Bedarf einfach integriert werden können, indem einzelne Module sich aktivieren beziehungsweise deaktivieren lassen“, so Kay Willerich. Ein Beispiel dafür ist das zusätzliche Bedrucken von Verpackungen. Module können aber auch ergänzt oder ersetzt werden, um die Maschine an die gestiegene Produktionsmenge anzupassen. So ließe sich beispielsweise ein Wickler einfach durch einen Splicer ersetzen. Voraussetzung ist dafür die Verwendung von Standards, Lenze setzet daher auf der horizontalen Ebene auf Ethercat oder Canopen. In vertikaler Richtung kommen Standards der PLCopen sowie PackML der OMAC zum Einsatz. „Die Modularisierung im Maschinenbau kann erst dann ihre gesamten Vorteile zeigen, wenn die Datendurchgängigkeit innerhalb einer Produktion wirklich sichergestellt ist – damit wären wir wieder beim Stichwort Industrie 4.0“, so Willerich abschließend.

Konstrukteurstag am 20. Oktober 2016

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Eine vorherige Anmeldung ist aufgrund der begrenzten Teilnehmerzahl gewünscht.
Donnerstag, 20. Oktober 2016, 09:30 – 17:00 Uhr
Packaging Excellence Center (PEC)
Gewerbestr. 11, 71332 Waiblingen
Details zur Veranstaltung:
Link zur Anmeldung:
www.kem-konstrukteurstag.de/anmeldung/

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