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Plug & Produce: So wird die Anlage schnell wieder einsatzfähig

| Autor: Ute Drescher

Dass Plug & Produce mit aktuellen Technologien und Standards heute schon möglich ist, beweist Lenze mit einem Showcase auf der Hannover Messe 2019.

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Patrick Bruder (links), Business Development Manager Automation und Systems Engnieer Konrad Cop bei der Vorstellung des Showcases Plug & Produce von Lenze auf der SPS IPC Drives 2018.
Patrick Bruder (links), Business Development Manager Automation und Systems Engnieer Konrad Cop bei der Vorstellung des Showcases Plug & Produce von Lenze auf der SPS IPC Drives 2018.
(Bild: Lenze)

Neuer Auftrag, neues Produkt, neues Format: In der Produktionslinie steht ein Wechsel bei Infeed und Pick & Place an. Verpackungseinheit und Palettierer bleiben unangetastet, aber das Outfeed-Modul muss ebenfalls gewechselt werden. Dass die Produktionslinie schnell wieder einsatzfähig ist, und zwar ohne hohen manuellen Aufwand bei Konfiguration und Programmierung, dafür soll in Zukunft das Konzept Plug & Produce sorgen.

Um zu beweisen, dass Plug & Produce mit heute schon vorhandener Technologie möglich ist, hat Lenze einen Showcase als „proof of concept“ aufgebaut, der auch auf der Hannover Messe 2019 zu sehen sein wird. „Pug & Produce bedeutet, Maschinenmodule immer wieder unterschiedlich zu kombinieren, und zwar ohne Integrationsaufwand“, fasst Konrad Cop, Systems Engineer bei Lenze, in einem Satz zusammen.

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Der Showcase simuliert die die Produktionslinie für die Verpackung verschiedener Produkte mit unterschiedlichen Modulen in der Fertigungslinie. Offene, herstellerübergreifende Standards ermöglichen es den beteiligten Modulen, automatisiert die Produktionslinie zu konfigurieren und untereinander Daten auszutauschen. Die Produktionslinie muss deshalb nicht mehr programmiert werden.

Durchführbarkeit von Plug & Produce beweisen

Die Idee, die prinzipielle Durchführbarkeit von Plug & Produce als einen Baustein einer Industrie-4.0-fähigen Produktionslinie in einem Demonstrator zu zeigen und damit gleichzeitig die Kompetenz als Automatisierungsunternehmen unter Beweis zu stellen, entstand bei Lenze im Frühjahr 2018. Zunächst führte das Unternehmen Gespräche mit den wichtigsten Kunden und Maschinenbetreibern, um zu erfahren, wo heute die größten Schwierigkeiten liegen. „Vor allem die hohen Kosten bei der Erstinbetriebnahme und die mangelnde Flexibilität sind die Knackpunkte“, fasst ‎Patrick Bruder, Business Development Manager Automation bei Lenze, das Ergebnis zusammen.

Bei der Umsetzung des Showcases gab es zwei große Herausforderungen für die Entwickler: Zum einen die Frage, wie sich die komplizierte, software-basierte Technologie für jeden verständlich, quasi „zum Anfassen“, am besten darstellen ließe und dabei gleichzeitig der Nutzen für den Kunden deutlich würde. Die zweite Herausforderung war, die verfügbaren Standards und Kommunikationsprotokolle mit dem Konzept von Plug & Produce zu verbinden. „Damit war dann ein Proof-of-Concept für Plug & Produce möglich“, erklärt Cop.

Zunächst definierte Lenze Plug & Produce auf Maschinen- und nicht auf Komponentennebene: Verschiedene Maschinenmodule sollen sich zu einer Produktionslinie kombinieren lassen. „Noch während des Brainstormings wurde uns klar, dass die vorhandenen Standards wie PackML nicht ausreichen würden“, erinnert sich Cop. Es fehlte eine gemeinsame Sprache für den herstellerübergreifenden Datenaustausch der einzelnen Maschinenmodule untereinander, um den Formatwechsel und die Konfiguration durchzuführen.

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Das Konzept der Verwaltungsschalen

An dieser Stelle kam das Konzept der Verwaltungsschalen ins Spiel, eines weiteren Industrie-4.0-Bausteins, das genau diesen herstellerübergreifenden Datenaustausch möglich macht und das Lenze nun als eines der ersten Unternehmen nutzt. Darin sind die Daten zur Beschreibung der Maschine und die "Skills" - also die Fähigkeiten- beschrieben.

Bei der Auswahl des Kommunikationsprotokolls für die Vernetzung der Maschinen in der Produktionslinie folgte Lenze den Empfehlungen von Forschungseinrichtungen und Organisationen wie VDMA und ZVEI und implementierte die Verwaltungsschalen im standardisierten Kommunikationsprotokoll OPC UA und der Companion Specification PackML. Auf dieser Basis können sich die Module automatisiert koppeln und das Zusammenspiel im Produktionsprozess organisieren.

„Unser Showcase ist keine Simulation“, macht Patrick deutlich, „sondern eine funktionierende Anlage mit fünf verschiedenen speicherprogrammierbaren Steuerungen, die miteinander vernetzt sind sowie einer übergeordneten MES“. Maschinenbauer können das Konzept bereits heute nutzen, weil die notwendige Technologie vorhanden ist.

Für die Entwicklung des Showcases hat Lenze ein internationales Team zusammengestellt. Beteiligt waren neben Systems Engineer Konrad Cop als geistigem Leiter des Projekts Mitarbeiter aus Vertrieb, Forschung und Entwicklung, Marketing sowie verschiedenen weiteren Geschäftsbereichen bis hin zu Applikationsingenieuren, auch aus dem Ausland. „Wir hatten noch nie ein Team, in dem so viel Wissen zusammengeflossen ist“, sagt Patrick Bruder.

Das war der Komplexität des Projekts mit seinen vielen unterschiedlichen Aspekten sowohl hinsichtlich der Software als auch der Hardware geschuldet, begründet Cop die einmalige Zusammensetzung des Teams. Daher setzte Lenze auf einen für das Unternehmen ebenfalls neuen Entwicklungsansatz: „Um so viel unterschiedliches Wissen zusammenzuführen, haben wir einen agilen Ansatz gewählt“, erzählt Cop. Wie es typisch für agile Entwicklungsmethoden ist, wurden die Aufgaben während des Projekts immer wieder an neu auftauchende Anforderungen angepasst.

Universelle Maschinenmodule beliebig zusammenstellen

Von Anfang an verfolgten die Entwickler das Konzept der Skills. „Wir wussten von Anfang an, welche Funktionen die Maschine ausführen sollte“, erinnert sich Konrad Cop. „Was wir nicht sofort beantworten konnten, war die Frage, wie wir die Produktionslinie in universelle Module zerlegen, die sich jederzeit in unterschiedlichen Konstellationen zusammenstellen lassen“. Cop erklärt das anhand eines Robotergreifers: „Sollte nur der Robotergreifer ein Skill sein? Oder ein kompletter Roboter inklusive Zuführeinheit? Diese Frage spielt im Zusammenhang mit der Implementierung über das Kommunikationsprotokoll OPC UA eine Rolle. Die Skills sind in diesem Zusammenhang Methoden, wie eine Maschine mit einer anderen kommuniziert. Das in der Welt einer Echtzeit-SPS zu implementieren, ist keine triviale Aufgabe. Die SPS arbeitet in Echzeitzyklen, wird dann aber von den Skills getriggert, was jederzeit möglich sein muss. Gelöst wurde dieses Problem, indem, vereinfacht ausgedrückt, die verschiedenen Aufgaben in parallele Systeme aufgeteilt wurden.

Verbände, Hersteller und Betreibe sind gefragt

Die dringendste Aufgabe aus Sicht der Lenze-Entwickler ist nun die Notwendigkeit, die noch fehlenden Standards vor allem für die „Skills“ zu entwickeln. „Das ist eine Aufgabe für die gesamte Industrie“, erklärt Patrick Bruder. Gefragt sind Verbände, Maschinenhersteller sowie Betreiber; sie müssen in verschiedenen Arbeitsgruppen auf unterschiedlichen Ebenen zusammenarbeiten. Auf Komponenten-Ebene ist das zum Beispiel der Arbeitskreis Antrieb 4.0 des ZVEI, der sich mit den Verwaltungsschalen der Antriebe beschäftigt.

Die Resonanz auf der SPS IPC Drives 2018, wo der Showcase erstmals der Öffentlichkeit präsentiert wurde, war durchgehend positiv, berichten Bruder und Cop. Diesen Erfolg führt Bruder vor allem darauf zurück, dass mit dem Exponat erstmals ein funktionierendes Modell des Plug & Produce-Konzepts für Maschinenbauer gezeigt wurde, und zwar sowohl auf Software- als auch auf Hardware-Seite. Und: anhand des Modells lässt sich zeigen, wie sich dieser Ansatz mit anderen Entwicklungen im Zuge von Industrie 4.0, etwa dem digitalen Zwilling, verbinden lässt, um noch mehr Wertschöpfung zu generieren.

„Darüber hinaus haben wir die Messebesucher verblüfft“, schmunzelt Konrad Cop. Denn zu sehen sind nur Darstellungen von Maschinen, keine Komponenten – ein guter Ausgangspunkt für Diskussionen nicht nur mit Maschinenbauern, sondern auch -betreibern gewesen. „Das war ein Perspektivwechsel“, sagt Cop, „und den brauchen wir für im Engineering, wenn Industrie 4.0 gelingen soll“. (ud)

Hannover Messe 2019: Halle 14, Stand H22

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 Ute Drescher

Ute Drescher

Chefredakteurin, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht