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Maschinensteuerungen Bedienen und steuern 4.0

Autor / Redakteur: Reinhold Schäfer / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Konnte man früher eine Maschine nur über Schalter, Taster und Bedienknöpfe steuern war es später möglich, Programme an der Maschine über Bildschirme zu visualisieren und Daten zu ändern. Dies führte bis hin zu beweglichen und immer größeren, an der Maschine hängenden Displays. Mittlerweile lassen sich die Geräte sogar schon über Apps mit dem Smartphone oder einfach nur durch Gesten steuern. Der Trend geht hin zu Steuerungskonzepten, die ganz im Sinne von Industrie 4.0 auch andere Maschinen und Betriebsmittel ganzheitlich integrieren.

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Auch bei Werkzeugmaschinen geht der Trend hin zu Multitouchanzeigen.
Auch bei Werkzeugmaschinen geht der Trend hin zu Multitouchanzeigen.
(Bild: Siemens)

Nicht nur die Steuerungen, auch das Feld der maschinennahen Bedienung hat sich in den vergangenen Jahren verändert, wie Ralph Kessler, Projektleiter bei der Späni Elektro-Mechanik AG bestätigt: „Unsere Kunden, das sind vor allem Maschinen- und Anlagenbauer, erwarten von uns eine effiziente Lösung für die Visualisierung. Dazu gehört einerseits ein Bediengerät, das den Anwender mit übersichtlichen und einfach bedienbaren Bildern im Umgang mit der Maschine oder Anlage unterstützt. Andererseits müssen wir natürlich auch bei Konzeption und Realisierung der Automatisierung effizient sein – und das heißt, dass wir schneller als bisher zu einer fertigen Lösung kommen müssen.“

Engineering Framework

Geholfen habe hier zum einen das Engineering Framework von Siemens, das TIA-Portal, das bei der Projektierung ausgezeichnete Dienste leistete, und zum anderen ein kompaktes 4-Zoll-Bedienpanel von Siemens, ein Simatic-HMI-Basic-Panel, das alle Abläufe an einer Spezialpresse visualisiert. „Ein wirklich rundum gutes System“, erklärt Kessler anerkennend. Trotz der äußerst kompakten Maße könne das Panel viele Informationen in hoher grafischer Qualität und Detailtreue darstellen, so Kessler weiter.

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„Viele unserer Kunden sind schon vom Erscheinungsbild begeistert. Durch die hohe Auflösung und den exzellenten Farbkontrast lassen sich auch kleine Zahlen oder komplexere Bilder gut erkennen und bedienen. Die neuen Basic-Panels haben darüber hinaus ein ausgezeichnetes Preis-Leistungs-Verhältnis, sodass der Einsatz von Touchpanels auch bei kleineren Anlagen wirtschaftlich sinnvoll ist und einen echten Mehrwert bietet. Früher haben wir hier oft eine Bedienung über Tasten realisiert, heute können wir auch an diesen Stellen eine moderne und leistungsfähige Visualisierungslösung anbieten“, sagt Kessler.

Wie viel Zeit mit dem Projektierungstool eingespart werden kann und welche Vorteile das Simatic-HMI-Basic-Panel sonst noch bietet, zeigt ein ausführlicher Beitrag von Marcel Roske

zum Thema Visualisierung.

Sensor- und Displayfeld in Einem

Einen anderen Ansatz geht man bei der Shantou Goworld Display Germany GmbH in Dettingen: Eigens für Anwendungen zur Anlagensteuerung und Bedienung von Maschinen hat das Unternehmen ein einfaches Modul entwickelt, das ein Eingabe- (CTP) und ein Ausgabefeld (LCD) beinhaltet. Das als Cell in Touch zum Patent angemeldete Sensor-Displayfeld besteht aus einer Grund- und einer Deckplatte, zwischen denen sich eine Display- und eine Sensorelektrodenanordnung befinden, die einander nicht überschneiden. Weil Display- und Sensorzone zweidimensional nebeneinander angeordnet sind, lassen sich beide in einem einzigen Prozess als Sandwich fertigen. Der Vorteil: Die Displayzone bleibt in der Anwendung frei von Fingerspuren.

„Das Anzeige- und Bedienmodul wird durch zwei Glasplatten, eine Grund- und eine Deckplatte gebildet, zwischen denen sich sowohl eine Display- als auch eine Sensorelektrodenanordnung befinden“, erklärt Peter Maurischat, Geschäftsführer der Shantou Goworld Display Germany GmbH. „Beide überschneiden sich nicht, stattdessen sind sie entlang einer geradlinigen, polygonalen oder auch krummlinig festgelegten Trennlinie voneinander separiert.“

Getrennte Display- und Touchzone

Am Modul sind somit mindestens eine Displayzone, die als Bildschirm genutzt werden kann, und mindestens eine Touchzone zur Steuerung und Datenübergabe ausgebildet, die sich nicht überlappen, sondern nebeneinander angeordnet sind. Beide können auf die Glasplatten aufgebracht werden, bevor diese zusammengefügt werden. Auf diese Weise entstehen Sensor- und Displayzone bei der Beschichtung der Grund- und Deckplatte praktisch gleichzeitig.

Ein nachträglicher Zusammenbau von Sensor- und Anzeigemodul, wie es bei anderen Modellen bisher notwendig war, entfällt. Weil das Modul lediglich zwei Glasplatten benötigt, ergibt sich außerdem ein dünner sowie gleichzeitig leichter und robuster Aufbau. Wie das Modul im Einzelnen funktioniert, darüber berichten wir auch in einem hierin einem ausführlichen Beitrag.

Für Industrie, Medizin und Consumer

Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung von Geräten zeigt die Exceet Electronics GmbH, Spezialist für komplexe Elektronik. Sie bietet eine Lösung zur Steuerung von Geräten durch Hand- oder Fußgesten. Das Besondere: Sie arbeitet ohne aufwendige und vor allem empfindliche Kameratechnik. Die Exceet-Steuerung basiert auf elektrischen Feldlinien und deren Änderung mittels Geste. Sie kann laut Anbieter preisgünstig in Geräte aller Art eingebaut werden.

Herkömmliche, am Markt verfügbare Lösungen arbeiten mithilfe von Kameras. Sie zeichnen Bewegungen auf und geben diese an die Steuerung weiter. Die Methode ist jedoch relativ teuer und empfindlich aufgrund der eingesetzten Kameras. Nachteilig ist auch, dass hohe Datenmengen durch die Kameras erzeugt und verarbeitet werden müssen. Exceet bietet jetzt eine Gestensteuerung an, die ein elektrisches Feld als Basis für die Erkennung von Bewegungen verwendet. Eine intelligente Schaltung ordnet die erkannte Bewegung einer Geste zu, die dann als Eingangssignal für die Steuerung dient. Durch die verschiedenen Gesten, wie Kreisbewegungen und Aufwärts- oder Abwärtsbewegungen, verändern sich die Feldlinien und geben dies als entsprechendes Signal an die Gerätesteuerung weiter.Weil nur sich ändernde Feldlinien ausgewertet werden und als Impulsgeber zur Steuerung dienen, wird die Gestensteuerung nicht durch andere zufällige Elemente, wie etwa Wassertropfen oder Schmutzpartikel auf dem Bedienungsfeld, beeinflusst. Diese statischen Elemente verursachen keine Änderung des elektrischen Feldes und initiieren somit auch keinen Impuls zur Steuerung. Die Exceet-Gestensteuerung könne deshalb ideal im industriellen Umfeld und im medizinischen Bereich eingesetzt werden, heißt es.

Designaspekte können berücksichtigt werden

Je nach Kundenanforderung kann die Gestensteuerung mit unterschiedlichen, elektrisch nicht leitfähigen Materialien verkleidet oder eingehaust werden, so zum Beispiel Glas, Kunststoff, Holz oder Keramik. Auf diese Weise ergibt sich eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten. In der Gebäudetechnik kann durch die neue Exceet-Electronics-Technik beispielsweise eine elektrische Jalousie per Handgeste bedient werden. Elektrische Schalter und manuelle Seilzüge gehören damit der Vergangenheit an und stören nicht mehr die Optik. Aufgrund des geringen Platzbedarfs kann die Exceet-Gestensteuerung auch dort eingesetzt werden, wo bauliche Beschränkungen den Einbau einer Steuerung erschweren oder aus Designaspekten eine sichtbare Steuerung nicht gewünscht ist.

Aber auch das Smartphone ist inzwischen zu einem Steuerungshelferlein mutiert. Unterschiedliche Apps verschiedener Hersteller ermöglichen es, Steuerungs- und Visualisierungsaufgaben über das Smartphone auszuführen, wie wir es im privaten Haushalt schon nutzen, wenn wir über eine App mittels Smartphone oder per Tablet-PC den Fernsehapparat oder den Blueray-Player bedienen.

App zur Steuerung der Mikrowellen-Laborgeräte

Das Unternehmen CEM, Pionier und Marktführer in der Mikrowellen-Labortechnik, bietet zum Beispiel eine neue App zur Steuerung der Mikrowellen-Laborgeräte an. Mit dieser I-Link-App können auf Tablet-PCs und Smartphones mehrere Mars-6-Labor-Mikrowellengeräte kontrolliert und angesteuert werden.

So könne der Anwender jederzeit im Büro oder sogar unterwegs außerhalb des Labors den aktuellen Status der Geräte ablesen. Es werden Mikrowellenleistung, Temperatur, Druck und die aktuelle Laufzeit visualisiert. Zusätzlich können zur Dokumentation die Proben ID, Reagenzien, Einwaage, Probenbeschreibung und sogar Bilder eingefügt werden, heißt es weiter.

Im Sinne von Industrie 4.0 steuern

Ganz im Sinne von Industrie 4.0 ist auch die Steuerung Celos des Maschinenherstellers DMG Mori aufgebaut. „Industrie 4.0 ist definiert als Verknüpfung moderner Informations- und Kommunikationstechnologien mit klassischen Prozessen und Produkten zu einem integrierten und automatisierten Gesamtsystem“, erläutert Christian Thönes, Vorstandsmitglied der DMG Mori Seiki AG. Basis dafür seien interaktionsfähige, hochflexible Produktionsmittel.

Vor diesem Hintergrund ermögliche Celos den Kunden von DMG Mori die offene Integration ihrer Hightech-Maschinen und damit der Shopfloor-Ebene in übergeordnete Netzwerkstrukturen. „Dabei ist Celos so einfach zu bedienen wie ein Smartphone und unterstützt so den Mitarbeiter effizient bei Planung, Organisation und Verwaltung von Aufträgen“, so Thönes.

Derzeit gibt es laut Thönes 16 Apps sowie PC-Versionen, mit denen die Kunden ihren Produktions- und Fertigungsprozess auch direkt in der Arbeitsvorbereitung planen und steuern können. „Zusätzlich lassen sich mit dieser PC-Version beliebige Maschinen und Betriebsmittel in eine ganzheitliche Celos-Peripherie integrieren“, fährt Thönes fort. Es habe sich gezeigt, dass mit Celos Produktivitätszuwächse von 30 % erzielbar seien.

Automatisiert fertigen in Losgröße 1

Kernelement von Industrie 4.0 ist die Smart Factory, die aus sich selbst konfigurierenden Produktionsressourcen und den dazugehörigen Planungs- und Steuerungssystemen besteht. In einem Netzwerk verbindet sie virtuelle und physische Produktionselemente, indem sie das Internet der Dinge und Dienste in die Fertigung bringt.

Zentraler Bestand eines solchen Netzwerks ist der Mensch, der Augmented Operator, der die Fertigung (dezentral) steuert und überwacht. „Als Erfahrungsträger und Entscheider behält der Mensch ganz bewusst eine wichtige Rolle in allen relevanten Abläufen des Produktionsnetzwerks; denn er kann Zielvorgaben situativ und kontextabhängig beeinflussen“, bestätigt Klaus Bauer, Leiter Entwicklung Basistechnologie Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG.

IT-basierte Assistenzsysteme unterstützen den Augmented Operator dabei. Dazu zählen Planungssysteme, Virtual Production, über die er Fertigungsabläufe optimal organisieren kann. Zudem kann er beispielsweise über mobile Geräte von jedem Ort der Welt in die Produktion eingreifen und Betriebs- und Produktzustände über Echtzeitabbilder überwachen.

Social Machines in der Fertigung

In der Fertigung selbst stehen Social Machines, die untereinander und mit Zuliefer- und Kundensystemen intelligent vernetzt sind. Sie können auf mögliche Abweichungen eigenständig und situationsabhängig sofort reagieren. So wird ein Gesamtoptimum an Produktivität der Global Facility erreicht. Durch die Fertigung laufen Smart Products, die beispielsweise über einen integrierten Chip mit ihrem Umfeld kommunizieren. Schon der Rohling des Produkts kennt seinen Status, seine Historie und seine Bestimmung. Er kann damit den Maschinen mitteilen, wie er bearbeitet werden muss. Damit sollen Produkte mit der Losgröße eins so wirtschaftlich produziert werden können wie in der Massenproduktion. MM

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