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Vom Sensor in die Datenbank

Software-Agenten in der Automatisierung

Vom Sensor in die Datenbank

Die direkte Anbindung von Sensorik und Anlagensteuerung an die Leitebene ist eine wichtige Voraussetzung für eine flexible Echtzeit-Kontrolle der Fertigung. Auf diese Weise lassen sich Aufgaben wie präventive Instandhaltung, Qualitätssicherung und Energiemanagement per Software unterstützen.

Bild: IFM

Wer im produzierenden Gewerbe ein effizientes Produktionsmanagement anzielt, sollte frühzeitig neben organisatorischen Fragen auch technische Ansätze berücksichtigen – und damit Maschinen und Anlagen. Hier gilt es einerseits den Maschinenpark am Laufen zu halten und andererseits die Qualität den gewünschten Anforderungen entsprechend auszurichten. Unter diesen Vorgaben muss maximale Produktivität erreicht werden. Ungeplante Maschinenausfälle, plötzliche Qualitätsmängel oder sinkende Produktivität müssen vermieden werden.

Rechtzeitige und richtige Informationen sind die Basis für die dazu notwendigen Steuerungsmaßnahmen. Sie geben den Verantwortlichen die Möglichkeit, gegebenenfalls regulierend einzugreifen, damit ein Vorgang oder ein Prozess so abläuft, wie es gewünscht ist. Die heutige Produktion wird maßgeblich von Maschinen und Anlagen getragen, in denen Steuerungen und Sensoren miteinander arbeiten. Die Steuerungen geben eine Auswahl von zusammengefassten und gefilterten Informationen an übergeordnete Systemlösungen, wie Supervisory-Control-And-Data-Acquisition-Lösungen (Scada) oder Manufaturing-Execution-Systeme (MES).

Direkte Anbindung der Sensorik an das Leitsystem

Unterhalb der Automationsebene erfassen Sensoren Informationen und Zustände an Maschinen und Anlagen, die maßgeblich den Bearbeitungsprozess der Maschine beeinflussen. Aus diesen Daten ableiten zu können, zu welchem Zeitpunkt die Anlage das nächste Mal ausfallen wird, beziehungsweise wie viel Verschleißvorrat noch zur Verfügung steht, ist einer der Schlüssel zu mehr Effizienz in der Werkhalle. Zudem müssen Prozessparameter identifiziert werden, anhand derer sich nachvollziehen lässt, wann bestmögliche Qualität gefertigt wird und welche Energieverbräuche zur Fertigung eines Produktes benötigt werden.

Wenn zusätzlich zu diesen Informationen alle Abweichungen, die außerhalb des erlaubten Toleranzbandes liegen, unmittelbar gemeldet werden, entsteht ein zuverlässiges Abbild der Abläufe in der Werkhalle. Sensoren, die diese Aufgaben übernehmen, müssen zunehmend intelligenter werden und Teilaufgaben, die bislang nur mit Hilfe einer Steuerung gelöst werden konnten, erfüllen. Dabei muss der streng hierarchische Aufbau, Sensorebene, Automationsebene, SCADA, MES, und ERP (Enterprise Resource Planning) Ebene aufgeweicht werden. Sensoren werden dazu mit Hilfe der modernen Kommunikationsmöglichkeiten direkt mit der Softwarewelt verbunden.

In vielen Fällen wird dazu die Anbindung der Sensorebene direkt an das MES oder Enterprise-Resource-Planning-System (ERP) sinnvoll und notwendig. Erst dann lässt sich ein umfassender Überblick zu Maschinen und Anlagen im Sinne eines Total Productive Equipment Management (TPEM) erreichen.

Anforderungen an Scada und produktionsnahe IT

Die Softwarelösungen für Scada- und MES-Aufgaben sollten dazu modular, skalierbar und in beliebiger Kombination auf Einzelmaschinen, Linien, Handarbeitsplätze und gesamte Standorte anwendbar sein. Eine webbasierte Browserfunktionalität kann standortunabhängigen Datentransfer und Datenspeicherung sowie Steuerungsfunktionaliäten für alle Fertigungsprozesse unterstützen, um eine durchgängige Ermittlung aller qualitativen und quantitativen Kennwerte der Produktion zu gewährleisten.

Wichtig ist auch, dass die eingesetzten Lösungen gängige Datenbanksysteme unterstützen und nach Möglichkeit flexibel wählbare Dateiausgabeformate zur Verfügung stellen. So lassen sich unterschiedliche Funktionen für Rückverfolgbarkeit und Produktionsmanagement etablieren, beispielsweise Maschinendatenerfassung (MDE), Kennzahlenermittlung, Auftragsplanung und -steuerung, Prozessverriegelung, Material- und Wartungsmanagement sowie eine bereichübergreifende Wissensdatenbank für Werker und Meisterbüro. Dabei sollte das Wartungsmanagement die Themen Condition Monitoring und Energiemanagement abdecken.

Die Generierung anwenderspezifischer Reports, etwa zu First Pass Yield (FPY), Overall Equipment Effectiveness (OEE), Machinenfähigkeit (CMK) sowie aussagekräftige Fehlerstatistiken sind wünschenswert. Zudem sollten bei Erreichen von gesetzten Grenzwerten Alarmmeldungen generiert werden können.

Zusammenspiel von Maschinen, Sensorik und Leitsystem: Für die Integration von Mess- und Steuerungsdaten wird eine Middleware-Schicht aus Software-Agenten zur Verfügung gestellt. Für die Übernahme der Daten aus der Automatisierung in die Produktionsdatenbank können Schnittstellen und Prozessverriegelung per Konfiguration eingestellt werden. Bild: IFM

Sensor- und Maschinenanbindung

Für diese Aufgabenstellung bietet der Elektronik-Anbieter IFM Electronic GmbH über seine neue Tochter IFM Datalink die Linerecorder-Software an. Das System setzt für die Übernahme von Daten aus der Sensorik auf ein eigens entwickelten Schnittstellen-Konzept: Maschinenanbindungen werden mit dem sogenannten Linerecorder-Agenten realisiert. Dazu sind seitens des Anwenders keine Programmierarbeiten nötig, die Lösung wird lediglich per Webinterface konfiguriert.

Diese Agenten stellen ‚intelligente‘ Schnittstellenmodule dar, die bidirektional mit den Anlagen und Sensoren kommunizieren und die Daten in der Produktionsdatenbank ablegen. Sie versorgen die Anlagen mit den notwendigen Informationen, sammeln die Daten aus den Sensoren und können bei Bedarf Daten auch zwischenpuffern. Für die Parametrierung steht eine eigene Benutzeroberfläche zur Verfügung.

Zu den unterstützten Verbindungstypen zählen Kommunikationsprotokolle wie CAN, Modbus, Modbus/TCP sowie TCP/IP-Protokolle. Auch generische Schnittstellen – etwa für Siemens S5- und S7-Steuerungen – werden unterstützt. Hinzu kommen weitere Maschinen- und OPC-Schnittstellen. Außerdem wurden diverse Sensorschnittstellen für das System entwickelt. Dazu zählen beispielsweise IO-Link, Agenten für Ident-Systeme, Agenten für Condition Monitoring Systeme und Agenten für Energiemessungen.

Fokus auf Traceability und Prozesssteuerung

Ein Beispiel für den Einsatz dieser Integrationsschicht stellt die Rückverfolgbarkeit dar: Bei hoher Produktvarianz und sicherheitsrelevanten Produkten müssen die Herstellverfahren dokumentiert werden und der Fertigungsprozess nach vorgegebenen Parametern stattfinden. Daneben muss überwacht werden, dass nur die für den jeweiligen Verfahrensschritt zugelassenen Produkte verarbeitet werden. Dazu kommen Steuerungselemente zum Einsatz, die regeln und sicherstellen, dass ein Produkt über definierte Verriegelungsparameter den korrekten Produktionsablauf nimmt.

Für die Sensorik werden dazu in Kombination mit der Software Prozess-Verriegelungs- Mechanismen definiert und abgesichert, sodass automatisierte Prozesse und Bearbeitungsschritte in die Datensicherung und Traceability einfließen. Die Steuerungssoftware dokumentiert so den Status jedes Produktes während des gesamten Herstellungsverfahrens. So können beispielsweise fehlerhafte Teile bei der Produktion von sicherheitsrelevanten Komponenten sofort aus dem Produktionsprozess ausgeschleust werden.

Condition Monitoring und Energiemanagement

Auf diese Weise können über das Sensornetzwerk wesentliche Produktionskennzahlen für die Fertigungssteuerung und Qualitätsüberwachung erstellt und überwacht werden. Da die Messwerte der Condition-Monitoring-Sensorik sowie Daten aus Steuerungen und Prozessen in einer Datenbank liegen, lassen sich die Informationen per Software verknüpfen und auswerten. Dadurch erhält das Wartungsmanagement Hinweise auf anstehende Wartungsaufgaben und Schwachstellen in den Bearbeitungsprozessen.

In Kombination mit einer Wissensdatenbank können Informationen und Erfahrungen nachhaltig gesichert werden. Auch die Erfassung und Bewertung der Energieverbrauche lässt sich so unterstützen, nicht zuletzt im Hinblick auf die Optimierung der Produktionsanlagen. Eine durchgängige Erfassung, Parametrierung und Konfiguration von Produktionsdaten kann damit zusammen mit zeitgemäßen MES und Leitsystemen Betrieben helfen, ein zuverlässiges und wettbewerbsfähiges Anlagen-Management zu etablieren.

 

Erweiterung hin zum Produktionsmanagement-System

In der von IFM Datalink angebotenen Linerecorder-Software können neben den grundlegenden Schnittstellenfunktionen per Lizenzschlüssel verschiedene Module freigeschaltet werden. Dazu zählen unter anderem Prozessoptimierung, Traceability, Qualitätssicherung, Auftrags- und Prozesssteuerung, Wissenstransfer, Wartungsmanagement, Energiemanagement, Maschinendatenerfassung, Kennzahlenermittlung und Konnektivitiät zu ERP-Systemen. So ist ein stufenweiser Ausbau bis hin zum Manufacturing Execution-System möglich. Diese Struktur spiegelt den generellen Aufbau vieler Softwarelösungen im Produktionsumfeld wider. Entscheidend für viele Produktionsbetriebe ist dabei die Frage, wie und welche Daten in die Produktionsdatenbank gelangen, da die Datenqualität die Auswertungen und Ergebnisse der Software gravierend beeinflussen kann.