Modularisierung

Zu hoher Entwicklungsaufwand bei Customizing und Life Cycle Management Ihrer Maschine? Das muss nicht sein!

Viele Maschinen- und Anlagenbauer müssen für kundenspezifische Adaptionen, Produktpflege etc. übermässig hohe Entwicklungskapazitäten vorhalten. Neben hohen Kosten resultieren aus diesen Arbeiten meist auch lange Lieferzeiten verbunden mit Qualitätsproblemen. Konsequente Modularisierung, idealerweise bei Mechanik, Elektrotechnik und Software kann diese Problematik massgeblich entschärfen.

Das Thema Modularisierung ist im Maschinen- und Anlagenbau grundsätzlich schon seit längerer Zeit angekommen. Dabei geht es meist um die Erschließung von Kosteneinsparungspotentialen durch Mehrfachverwendung von Komponenten sowie die Reduktion von Qualitätsrisiken durch höhere Produktionsstückzahlen. Die Modularisierungsstruktur wird dabei in vielen Fällen von der mechanischen Konstruktion definiert. Doch Modularisierung kann viel mehr, denn die mechanische Modularisierung ist nur eine Betrachtungsebene. Wenn auch die Elektroplanung und die Software entsprechend modularisiert werden, eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten in der Wiederverwendbarkeit der Module. Wir sprechen in dem Fall von konsequenter Modularisierung.

Beispiel Längstransferautomat: konventionell mechanisch modularisiert

Ein typischer Längstransferautomat wird in der Praxis oft wie in Abbildung 1 modularisiert. Basis ist eine Grundmaschine mit Materiallager zur Zuführung, einem Transfersystem und einem Fertigproduktlager am Ende des Prozesses. Der Schaltschrank ist zumeist mit in die Grundmaschine integriert. Die Software für den Maschinenbetrieb ist bei rein mechanischer Modularisierung zentral über die gesamte Maschine hin weg konzipiert (ebenso wie der Schaltschrank). In dieser Architektur ergeben sich bereits Vorteile in der Mechanik (die Grundstruktur der Bearbeitungsstationen sind identisch, wodurch eine Mehrfachverwendung möglich wird), doch sie funktioniert nur in der definierten Grundform. Wenn nun beispielsweise das Transfersystem geändert wird, Bearbeitungsstationen vertauscht werden sollen oder sich Eigenschaften der Bearbeitungsstationen ändern sollen (z.B. hydraulisches statt elektrisches Verpressen, ...) ist es notwendig, diese Änderungen aufwändig in der zentral konzipierten Software bzw. dem zentralen Schaltschrank umzusetzen. Dabei müssen oft bestehende Softwarecodes geändert werden, was grundsätzlich Instabilität für das System bedeutet. Ebenso problematisch ist, dass die zentrale Softwarestruktur (Stichwort "Spaghetticode") schnell unübersichtlich wird und sich ausser ein paar weniger Cracks niemand mehr in der Software auskennt. Neben der Unübersichtlichkeit ist diese Struktur auch völlig ungeeignet für eine parallele Projektabwicklung.

Die Praxis zeigt: Viele Maschinenbauer beschäftigen ausschliesslich für kundenspezifische Anpassungen an Ihren Maschinen Heerscharen an Entwicklungsingenieuren, um diese Anforderungen umzusetzen. Dies ist für die Ingenieure meist zermürbend (diese wollen ja eigentlich entwickeln), generiert unnötige Kosten und resultiert in langen Lieferzeiten.


  

Beispiel Längstransferautomat: mechatronisch modularisiert

Das Vorgehen zur mechatronischen Modularisierung ist schon im Grundprinzip anders. In Abstimmung der relevanten technischen Fachbereiche Konstruktion, Elektroplanung, Softwareentwicklung, idealerweise ergänzt um Markteting, Vertrieb und Logistik, wird eine funktionale Analyse der Gesamtmaschine durchgeführt. Dabei bringt jede Fachgruppe Ihre Sicht der Modularisierung ein, welche eine optimale Kapselung und Wiederverwendbarkeit der Module sicherstellt. Die grösste Herausforderung besteht dabei in der Definition der Schnittstellen, um eine spätere valide Kombination der Module sicherzustellen. Ergebnis ist eine Modularisierungsarchitektur mit hoher Granularität, welche die Anforderungen aller Fachbereiche abdeckt. Parallel dazu entstehen sprachliche Festlegungen für Bezeichnungen und Fehlertexte. Auch die technische Dokumentation – letztendlich für die Erfüllung der Maschinenrichtlinie von grosser Bedeutung - bekommt durch die modulare Architektur eine klare Grundstruktur.

Wie das Beispiel Software einer teilmechatronischen Komponente in Abbildung 2 zeigt, ermöglichen einzelne mechatronische Module eine wesentlich höhere Granularität. Dadurch wird es möglich, auf Funktionsebene gezielt Anpassungen vorzunehmen, ohne jegliche Auswirkung auf andere Module. Standardisierte Schnittstellen zur Hardware ermöglichen so beispielsweise ein einfaches Austauschen von Hardwarekomponenten (Sensorik, Aktorik, ….)

Diese standardisierte Auflösung des Systems in abgeschlossene, wiederverwendbare Teilsysteme löst nun einen Widerspruch auf: Anlagenbauer und Fertigungsautomatisierer, welche bis dato davon ausgegangen sind, dass sich Ihre Maschinen nicht modularisieren lassen (weil nur auf mechanischer Ebene gedacht), können mit diesem Ansatz mechatronische  Technologiemodule aus Ihren Maschinen herauslösen. Diese Module finden dann in Ihrer Grundform immer wieder Verwendung um die jeweilige Kundenmaschine effizient um diese Module aufzubauen. Die Grundinvestition für diese Modularisierung ist bei konsequentem Vorgehen überschaubar und zahlt sich rasch zurück.


Fertigungsautomatisierung / Anlagenbau: Beispiel Wickelanlage für Elektromotoren

Im ersten Beispiel geht es um das Thema Produktionsautomatisierung, konkret um eine Produktionsanlage für die Herstellung von Elektromotoren. Diese Anlagen erforden durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Motorentypen, Bauart oder spezifische Herstellgegebenheiten welche produziert werden immer ein hohes Mass an kundenspezifischer Anpassung. 


In der Zeitrechung vor der Modularisierung wickelte der Kunde diese Projekte im klassischen Anlagestil ab. Neue Kundenanlagen wurden immer als Modifikation von bestehenden Anlagen umgesetzt.

Mit den bekannten Nachteilen: lange Inbetriebnahmezeiten, hohe Fehlerquote bei der Inbetriebnahme, schwieriges Upgraden von Bestandsanlagen.

Die Zusammenarbeit mit Pantec war ursprünglich gar nicht wegen dem Thema Modularisierung zustandegekommen. Der Kunde suchte Anfangs nur Unterstützung im Bereich der SPS-Programmierung. Im Laufe der Zeit wurde den Pantec Ingenieuren zunehmend klarer, welches Modularisierungspotential in dieser Anwendung brachliegt: Sie konnten dem Kunden aufzeigen, dass – wider seiner ursprünglichen Betrachtung – all seinen Anlagen trotz höchster Variabilität bei den Kundenanforderungen - eine standardisierbare Basis zugrunde liegt. Er erkannte diese Vorteile, stimmte der Modularisierung zu und profitiert heute unter anderem durch folgende Nutzen:


  • Parallele Entwicklung: Durch die abgekapselten Module kann parallel entwickelt werden. So ist die Software im Regelfall mit Fertigstellung der elektrischen Verdrahtung bereits auf einsatzfähigem Stand
  • Integrative Entwicklung: durch eine modular strukturierte, leicht verständliche visuelle Dokumentation der Anlage können Konstrukteur und Softwareentwickler die Abläufe abstimmen und reviewen. Damit werden Fehler bereits im Vorfeld erkannt
  • Hohe Anlagenqualität: durch die Mehrfachverwendung vorgetesteter Module reduzieren sich Nacharbeiten und die Maschinen gehen schnell in Betrieb
  • Identisches Anlagendesign: ob Applikationsingenieur, Servicetechniker oder Maschinenbediener: alle Maschinen sind immer gleich aufgebaut
  • Updatemöglichkeit: Bestehende Anlagen können einfach auf den letzten Entwicklungsstand nachgezogen werden

Kleinserien: Beispiel Spezialdruckmaschine

Das zweite Beispiel ist der Fall eines typischen Anlagenbauers, der durch die Standardisierung seiner Anlage vom ineffizienten Bau von Einzelanlagen wegkam und heute optionierbare Kleinserien produziert. Durch klar definierte Schnittstellen ist er nach wie vor für kundenspezifische Anforderungen offen.

 

Bis zur Standardisierung entsprach die Projektabwicklung dem eines Anlagenbauers. Je nach Prozess- und Integrationsanforderungen in den Druckprozess des Kunden wurde jedes Mal die Grundmaschine verändert. Dies führte zu einem unüberschaubaren Bestand an Maschinen im Feld, was die Wartung schwierig und Updates nahezu unmöglich machte. Zudem führte das Unternehmen drei unterschiedliche Anlagengrundtypen, die technologisch grundsätzlich auf ähnlicher Prozesstechnik aufbauten, aber technisch nichts miteinander zu tun hatte. Jede Weiterentwicklung auf einem Anlagentypen musste im Weiteren aufwändig auf die anderen Anlagentypen portiert werden.

Mit der konsequenten mechatronischen Modularisierung profitiert der Kunde heute von folgenden Vorteilen:

  • Schnellere Lieferung: Im Vergleich zum konventionellen Anlagenbau ca. 30% schnellere Lieferung
  • Produktportfolioübergreifende Technologie: Einfacher Transfer von Weiterentwicklungen im Verfahrensprozess lassen sich durch die Modulstruktur auf das gesamte Produktportfolio übertragen
  • Vereinfachtes Life Cycle Management: Die Modulstruktur erlaubt unkompliziertes Upgrade bestehender Anlagen auf neue Softwareversionen

Serienmaschinenbau: Textilmaschine

Die Ausgangssituation stellte sich beim dritten Beispiel so dar, dass die Maschine bereits mechanisch modularisiert war (eine Grundmaschine mit 30 Varianten und unzähligen Optionen). Die Steuerung der Maschine war allerdings zentral und basierte auf einem hochkomplexen Gesamtschema. Dies führte bei neuen Kombinationen von Varianten und Optionen (erstmalig von Kunden gewünschte Konfigurationen) zu hohem Abstimmungsaufwand. Die Technik musste für jeden dieser Fälle prüfen, ob diese Kombination funktioniert bzw. ob Adaptionen notwendig sind. Ein zeitintensiver Prozess, der sich zudem massiv auf die Kosten des Schaltanlagenbaus auswirkte. Die elektrotechnische Modularisierung der Maschine, angelehnt an die mechanische Aufteilung, löste diese Problematik grundlegend auf.

Die Optionen und Varianten der Maschine sind nun so in der Steuerungstechnik abgebildet, dass die technisch möglichen Kombinationen einfach umsetzbar sind. Dabei unterstützt ein Konfigurator den Vertrieb des Maschinenbauers bei der Überprüfung der Machbarkeit von gewünschten Maschinenkonfigurationen, was den Verkaufsprozess stark beschleunigt. Die Kapselung der Optionen und Varianten ermöglicht auch im Schaltanlagenbau eine modulare Fertigung mit schnelleren Durchlaufzeiten und geringeren Stückkosten.

Ein Toolset für effiziente Modularisierung: das Pantec Full Stack Automation Framework

Mechantronisch modularisierte Maschinen benötigen teilweise völlig neue Ansätze zur Konzeption und auch zur effizienten Umsetzung und Pflege. Pantec hat mit dem Full Stack Automation Framework eine Plattform gestaltet, welche die wesentlichen Bausteine zusammenfasst.


Das Framework ist - wie die Abbildung zeigt - in die drei Ebenen des Pantec Automatisierungsmodell eingebaut. Der Automationsplan als eine Ebene definiert die Schritte, wie die konkrete Maschinen- oder Anlagenautomatisierung umgesetzt wird. Ebene 2, die Automationsstrategie, klärt die Frage, wie Automatisierung helfen kann, mittel und langfristig Wettbewerbsvorteile zu erzielen. Das Full Stack Automation Framework auf der dritten Ebene definiert, welche Methoden und Technologien dafür notwendig sind.

Im Weiteren werden exemplarisch die Bausteine beschrieben, die für die effiziente Entwicklung und Life Cycle Betreuung modularer Maschinen von wesentlicher Bedeutung sind: Der "6-Step Modularisierungsprozess", die "Dokumentation", die "Codegenerierung" sowie das "Software Framework".

Für mehr Information zu den anderen Bausteinen oder einer Projektdemo eines praktischen Beispiels nehmen Sie bitte Kontakt auf.

Modulare Maschinen und Anlagen entstehen in einem holistischen Prozess unter Einbeziehung aller Fachbereiche. Ziel ist es, in der gemeinsamen Entwicklungsarbeit eine Modularisierungsgranularität zu finden, welche für den jeweiligen Anwendungsfall optimal ist. Das kann für den Fertigungsautomatisierer bedeuten, dass nur Kerntechnologiefunktionen modularisiert werden und die kundenspezifischen Anteile über klare Schnittstellen leicht implementierbar sind. Im Falle des Serienmaschinenbauers ist oft eine komplette Modularisierung mit Varianten und Optionen möglich, welche nahezu die Erfüllung aller Kundenspezifikationen zulässt.

Im ersten Schritt wird zur Erfassung der Anforderungenen ein Requirements Engineering Workshop durchgeführt. Dabei definieren im Idealfall alle Fachbereiche die im Laufe des Maschinenlebens benötigt werden Ihre Anforderungen, sprich neben allen technischen Fachbereichen auch Marketing/Vertrieb, Logistik, Inbetriebnahme und Service.

Aus den definierten Anforderungen wird im zweiten Schritt eine Systemübersicht erstellt, welche die wesentlichen Funktionen in der Grundstruktur der Maschine darstellt.

Im dritten Schritt erfolgt die Detaillierung der mechatronischen Komponenten  und Elementen mit Ableitung von Funktionen und Anforderungen.

Schritt 4 widmet sich der effektiven Modularisierungsstruktur (Systemarchitektur) der Maschine. Dabei werden Teilsysteme definiert, Systemgrenzen geschärft und die Schnittstellen der jeweiligen Module aus Sicht von Mechanik, Elektrotechnik und Software festgelegt.

Auf dieser Basis werden in Schritt 5 Use Cases, Ablauffunktionen, Betriebsartenmanagement und State Machines detailliert beschrieben.

In Schritt 6 erfolgt das Setup des Softwareframeworks. Dieses stellt eine Arbeitsinfrastruktur dar, welches eine schnelle operative Implementierung der Applikation ermöglicht. Das Softwareframework beinhaltet u.a. Bibliotheken (Technologiebausteine), Dienste (wie Meldungshandling), Projektordnerstrukturen etc. 

Die 6 Schritte zur modularen Maschine zeigen auf, dass in diesem Prozess sehr viele Daten erhoben werden. Dies erfordert hohe Disziplin in der Dokumentation sowie eine Dokumentationsstruktur, welche zum einen Überblick des Gesamtsystems bietet, aber auch den Zusammenhang bis auf Ebene der detaillierten Abläufe und State Machines herstellt.

Wir nutzen dabei UML (Unified Modeling Language) als Beschreibungssprache für Entwicklung und Design. Ideen, Konzepte, Definitionen, Anforderungen, Systeme etc. werden mit Enterprise Architect von Sparx Systems dokumentiert. 

Durch die klaren formalen Vorgaben zur Ablaufbeschreibung im UML bzw. Enterprise Architect ist es uns mit dem PHOENIX™ Interpreter möglich,  für Automatisierungsplattformen wie das B&R Automation Studio oder TwinCat 3 standardisierten Code automatisch zu generieren.

Das Pantec Software Framework bietet mit einer standardisierten Infrastruktur für Maschinen und Anlagen ein integriertes Development Tool. Darin sind Schnittstellen und Bibliotheksfunktionen für Funktions-, Safety- und Userbereiche vorgegeben.

Durch die Funktionsbereichsgruppen können Steuerungssoftware und Steuerungsperipherie vollständig voneinander getrennt werden. Damit können mehrere Teams parallel an der Umsetzung der Gruppen arbeiten. Des weiteren ist das System durch die modulare Architektur sehr stabil und kann einfach erweitert werden.

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Es sind viel Facetten und Details welche das Full Stack Framework und seine Bausteine ausmachen. Wir erweitern das Framework sukzessive mit jeder Projekterfahrung weiter. Bleiben Sie dran. Registrieren Sie sich für den News-Update oder kontaktieren Sie uns gleich für ein unverbindliches Erstgespräch

Wir sind überzeugt: Die Modularisierung Ihrer Maschine oder Anlage kann auch für Sie viele der oben genannten Vorteile erschliessen!