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Konnektoren

Cloud-basierte Steuerung autonomer Produktionszellen

Wie bringt man Maschinen einer Produktionszelle dazu, dass sie sich selbst regulieren und dadurch die Prozesssicherheit erhöhen? Ein möglicher Weg ist der Einsatz von SPS Connectoren, die mittels Cloud und generischer Internettechnologien die Aktivitäten einer Zelle zentral koordinieren.




Bild: Itelligence AG

Neu ist das Internet der Dinge nicht. Als Begriff für die Vernetzung physischer Objekte mittels Kommunikations-Infrastruktur des Webs wurde IoT schon zur Jahrtausendwende geprägt. Neu ist aber die Dynamik des Themas, das lange Zeit den Charakter von Visionen und Pilotprojekten in Großunternehmen besaß. IoT als Technologie zur Umsetzung von Industrie 4.0 nimmt Fahrt auf und hat die Pionierphase längst hinter sich. Bei den Projekten in der industriellen Fertigung geht es zunächst nicht um den ganz großen Wurf, vielmehr wollen KMUs Industrie 4.0 in kleinen Schritten umsetzen. So sind beispielsweise im Umfeld der Automatisierungstechnik schlanke, auf bewährten Internettechnologien (Cloud, HTTP) basierende Lösungen gefragt, mit denen sich Module (Werkzeug/Maschine) innerhalb kleiner Produktionszellen intelligenter steuern lassen, im Sinne einer höheren Prozesssicherheit. Große und moderne Fertigungsanlagen sind bereits in der Lage mit anderen Systemen verschiedene Daten auf vielfältige Art und Weise auszutauschen.

Kleine Anlagen

Doch in der Realität sind Anlagen oft recht klein und nicht auf dem modernsten Stand. Typische Situation: Einfache Werkzeuge werden in Produktionszellen zusammengeführt und setzen im Verbund einen bestimmten Fertigungsschritt um. Über die immer wieder unterschiedliche Kombination dieser Module können so zwar sehr viele Varianten des Arbeitsganges realisiert werden, aber in dieser Vielfalt und Flexibilität steckt auch die Herausforderung, diese Kombination der Module möglichst auf digitalem und automatisiertem Weg gegen den Fertigungsauftrag zu validieren. Schließlich geht es darum, den Werker in seinen Aktivitäten durch eine smarte Steuerung der Module zu unterstützen. Diese setzt aber eine Kommunikation zwischen den Komponenten des Systems voraus, die jedoch für kleine Produktionszellen mit einfachen Maschinen schon eine Herausforderung darstellt. Fast jede Anlage, die etwas komplexer ist, verfügt über eine SPS-Elektronik. Natürlich gibt es bereits Verfahren, mittels derer die Werkzeuge und Maschinen per SPS kommunizieren.

Das Problem: Die Verfahren sind meistens herstellerspezifisch, ’sprechen‘ also unterschiedliche Sprachen. An dieser Stelle kommt ein sogenannter SPS-Connector ins Spiel. Seine Hauptaufgabe besteht in der Transformation unterschiedlicher Datenströme in ein einheitliches Format und dem Datenaustausch mit den unterschiedlichsten Systemen über Web-Technologien. Der Connector kann zudem die Daten, die er sieht, regelbasiert in Aktionen und Steuerungsaktivitäten umsetzen. So wird der Connector zu einem dynamisch konfigurierbaren Mini-Leitstand, der die Aktivitäten ’seiner‘ Maschinen koordiniert, auswertet und bei Bedarf an diverse Interessenten weitermeldet.

Im Normalfall wird der Connector vom Planungssystem bei Beginn eines neuen Fertigungsauftrags einmalig mit den notwendigen Daten versorgt und kann von diesem Zeitpunkt an die Produktionszelle autark steuern, ihre Aktivitäten aufzeichnen und wiederum andere Systeme mit Daten versorgen. Dieser Leitstand holt sich zudem bei Bedarf aus den Planungssystemen die Informationen und stellt dem Werker zusätzlich noch Details zum Fertigungsauftrag in Echtzeit zur Verfügung. Jede Produktionszelle bekommt dabei ihr eigenes Exemplar des Connectors und kann so unabhängig von allen anderen Zellen arbeiten. Statt einer zentralen Middleware für alle Maschinen entsteht so eine verteilte und robuste Struktur, die sich fast beliebig erweitern lässt und fast jeden Datenpfad realisierbar macht.

Begleitende Daten

Im oben beschriebenen Szenario sorgt der Connector beispielsweise dafür, dass die richtigen Werkzeuge zumindest in der richtigen Reihenfolge montiert und genutzt werden, und weiß auch, wenn ein Teil erfolgreich gefertigt wurde oder eine Störung aufgetreten ist. Natürlich sammelt der Connector bei dieser Gelegenheit auch begleitende Daten ein, beispielsweise aus einer Prüfsensorik. Die Daten geben Auskunft über das, was in einer einzelnen Produktionszelle genau passiert. Wie viele Teile sind zum Zeitpunkt X fertig und wie viele Fehlteile gab es? Liegen sie im Plan? Welche Störungen traten auf? Waren bestimmte Module besonders störanfällig? Welche Chargen wurden verarbeitet? Lassen sich mögliche spätere Reklamationen bestimmten Werkzeugen oder Fertigungsbedingungen zuordnen? Manche dieser Analysen sind vielleicht für Cloud-Anwendungen geeignet, über die sich Kunden, Lieferanten oder Hersteller mit Daten versorgen. Der Connector könnte diese Daten zusammenstellen und mittels IoT-Interfaces übertragen. Als Hardwareplattform für die Middleware reicht im Extremfall ein einfacher Microcontroller aus. Der ‚SPS-Connector‘ basiert auf allgemein zugänglichen Internettechnologien und offenen Standards. Es ist somit kein Problem, wenn die Daten von einem Smartphone verarbeitet werden sollen.

Autonome Selbstregulierung

Auch Messdaten aus Prüfprozessen lassen sich mittels eines ‚SPS Connector‘ von den Werkzeugen und Maschinen in Echtzeit an das ERP-System übermitteln, das daraufhin diverse Prozesse wie Fertigungsrückmeldungen und Messgrößenerfassung für die Instandhaltung anstößt und seinerseits Daten für die Module und Werkzeuge bereitstellt. So sorgt der Connector für einen regen Datenaustausch zwischen Zelle und Backend. Letztlich wird diese Lösung dem Anspruch vieler Unternehmen gerecht, gezielt Maschinendaten zu ermitteln und sie entlang der Wertschöpfungskette zwecks Auswertung und Auslösen von Nachfolgeprozessen verteilen zu können. Andererseits ermöglicht sie es, für ganz konkrete Fertigungsschritte der Zelle die notwendigen Steuerungsinformationen zur Verfügung zu stellen. Kennzeichnend für diese Mini-Leitstände ist außerdem, dass sie mit Modulen jeder Art und Größe kommunizieren können, unabhängig vom verwendeten Maschinenprotokoll.

Zudem lässt sich die Lösung um weitere Szenarien erweitern, beispielsweise für die Vernetzung von Maschinen und Anlagen verschiedener Produktionszellen. Das wäre dann der nächste Schritt in die reale Welt von Industrie 4.0: die Schaffung einer komplett transparenten und prozesssicheren Maschine-Mensch-Maschine-Kommunikation auf der Basis neuester IoT-Technologien. Dann wird es auch keine Rolle mehr spielen, welche Protokolle die Anlagen verwenden und welche Feldbussysteme im Einsatz sind. Schon heute gibt es starke Bemühungen, die ‚Sprache der Maschinen‘ in Standards wie OPC zu übersetzen. Ziel ist es, eine durchgehende Digitalisierung der gesamten Produktionskette zu erreichen. Dabei empfiehlt es sich, schrittweise vorzugehen und dort zu beginnen, wo der Leidensdruck am größten ist.

In der Prozessindustrie beispielsweise betrifft das die Chargenführung. Über die Steuerung von autonomen Produktionszellen mittels eines ‚SPS Connector‘ könnten sich die Maschinen darüber austauschen, wann welche Charge in welcher Zelle und mit welchem Werkzeug erzeugt, verarbeitet und an das nächste Modul übertragen wurde. Auf diese Weise ließen sich bestimmte Materialflüsse digitalisieren, hundertprozentig nachverfolgen und bei Bedarf um weitere Technologien ergänzen.

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