Mechatronische aanpak voor automatisering; Begin bij de functie

Slimme fabriek, Industrie 4.0, zelf-controlerende productie - de machinebouw-sector richt zijn blikken momenteel op de toekomst. Het tempo van innovatie en snellere ontwikkelingstijden spelen een steeds belangrijkere rol in de wereldwijde concurrentie. Om technische processen te vereenvoudigen en de mogelijkheid van hergebruik van de afzonderlijke units te vergroten, richten ontwerpers hun aandacht op een modulair ontwerp van machines, ofwel op een mechatronische aanpak.

De mechatronische aanpak vormt een succesfactor voor bedrijven bij het ontwikkelen van nieuwe fabrieken en machines. De term “mechatronisch” geeft de wisselwerking aan tussen het “mechanische” en het “elektronische” aspect. Een systeem dat is opgebouwd op basis van de mechatronische aanpak bestaat in wezen uit modules. Elke module bevat sensoren, actuatoren, informatieverwerking en een mechanisch basissysteem (hydraulisch en/of pneumatisch). 

Wat betreft de uitdagingen, zal alleen strikt, interdisciplinair “modulair denken” op de middellange en lange termijn succes opleveren. Bedieningssystemen spelen in dit geval een belangrijke rol en moeten deze aanpak ondersteunen. Dit is het punt waar de huidige systemen de grenzen van hun mogelijkheden bereiken. Enerzijds kunnen er softwaremodules worden gecreëerd. Als deze echter moeten worden uitgevoerd door krachtige, gecentraliseerde besturingssystemen, dan wordt de inbedrijfstelling van afzonderlijke modules behoorlijk gecompliceerd. Anderzijds kunnen lokale besturingssystemen worden gebruikt voor het automatiseren van de modules. Dit vergt echter extra inspanning bij het tot stand brengen van communicatie. Het aantal en de indeling van de besturingseenheden zou dus in het ideale geval moeten zijn gebaseerd op het algehele mechatronische ontwerp van de machine. Deze zaken moeten meestal worden opgelost vóór de ontwerpfase, om de aanzienlijke kosten van latere modificaties te voorkomen.

Het automatiseringssysteem PSS 4000 van Pilz opent nieuwe mogelijkheden op dit gebied. Door zijn gedecentraliseerde structuur kunnen beslissingen - zoals de selectie van een PLC die past bij het ontwerp en de besturingsarchitectuur - worden uitgesteld tot een veel later tijdstip in de ontwerpfase. Zo kunnen ontwerpers zich concentreren op het ontwerp van de componenten die benodigd zijn voor het proces; kwesties met betrekking tot prestaties en structuur spelen een ondergeschikte rol. Terwijl bij de klassieke automatisering een standalone, gecentraliseerd besturingssysteem de fabriek of machine bewaakt en alle signalen verwerkt, biedt de PSS 4000 de mogelijkheid de besturingsfuncties op een consistente wijze te verdelen.

Het automatiseringssysteem PSS 4000 bestaat uit hardware-en software-componenten zoals real-time Ethernet SafetyNET p en diverse programmeringseditors die zijn ontworpen om te worden gebruikt in verschillende sectoren met hun applicatie-gerichte functieblokken. De hardware bestaat uit systemen van verschillende performance-klassen. Verwerkings- of besturingsgegevens, faalveiligheidsgegevens en diagnostische informatie worden uitgewisseld en gesynchroniseerd via het Ethernet. De complexiteit op het gebied van communicatie wordt verminderd door voortdurend veiligheids- en automatiseringsfuncties samen te voegen, waardoor de kosten ook worden geoptimaliseerd.

Bovendien maakt het voor de besturingsfunctie geen verschil waar het betreffende programma-onderdeel wordt verwerkt. In plaats van een gecentraliseerd besturingssysteem, werken operators met een gebruikersprogramma dat tijdens de runtime wordt verdeeld binnen een gecentraliseerd project.

Modulariteit vormt de basis voor mechatronische werkzaamheden

De Pilz Automation Suite PAS4000 is beschikbaar voor de software-editors in het automatiseringssysteem PSS 4000. Modularisering is een belangrijk aspect van deze tool: elementen worden gemaakt op basis van de basisfuncties; de elementen worden op hun beurt weer gebruikt om modules te creëren en de modules worden gebruikt om machines en installaties te creëren - eenvoudig door het nesten van hiërarchische blokken. Basisfuncties, onderdelen en modules vormen de kern van de software-ontwikkeling en zijn ideaal om te worden hergebruikt als softwarecomponenten dankzij inkapseling en object-oriëntatie.

Pilz ondersteunt deze procedure ook door het leveren van software-bibliotheken met daarin de meest voorkomende basisfuncties, onderdelen en modules. De selectie van kant-en-klare componenten uit bibliotheken is op zich niets nieuws. Een bijzondere eigenschap van de PAS4000 is dat aan deze componenten “eigenschappen” worden toegewezen. Hierdoor kunnen de parameters voor de vereiste functies eenvoudig worden ingesteld. Dit is vooral een voordeel wat betreft de standaardisatie van functies: voorheen moest de gebruiker zich afvragen hoeveel functies hij kon bundelen tot een blok zonder de duidelijkheid negatief te beïnvloeden. In de praktijk was het resultaat ofwel een groot aantal blokken, of te weinig blokken met een groot aantal parameters. Bij de PAS4000 is dat anders geregeld. Hier kan de gebruiker zijn favoriete componenten creëren, waarbij een gebruikersniveau wordt bepaald voor de toepassing ervan; dit wordt vervolgens gebruikt voor het selecteren van de verschillende functies. Als gevolg daarvan is alleen de functie zichtbaar als parameter; het component zelf verbergt alle mogelijke complexiteit en kan gemakkelijk door de gebruiker worden beheerd.

Parallelle engineering

Het gebruik van componenten biedt een extra voordeel: het programmeren en het ontwerpen van de hardware kunnen worden gescheiden en kunnen parallel worden uitgevoerd en niet na elkaar zoals in het verleden. Het is gebruikelijk dat de ontwikkeling van software pas van start gaat zodra de machine-specificaties zijn bepaald en de eerste stroomkringschema’s beschikbaar zijn. Bij het mechatronisch denken en ontwerpen kunnen de processen worden gescheiden en parallel worden uitgevoerd. Zodra de machinefuncties zijn gestandaardiseerd door het creëren van componenten binnen bibliotheken, kan de algemene structuur van de machine die u wenst te bouwen uiteindelijk worden ontworpen op basis van slechts enige initiële gegevens. De gedetailleerde functie van een component kan later via de individuele eigenschappen worden bepaald. De componenten die voor de machine zijn vereist, kunnen in zekere mate worden afgeleid uit de eerste goedkeuring van het project door alle betrokken partijen. Gedetailleerde functies kunnen achteraf worden bepaald via de eigenschappen.

Modules communiceren

Het tot stand brengen en onderhouden van communicatie tussen gebruikers op een modern machinenetwerk omvat een aanzienlijke hoeveelheid werk. Mechatronische modules zijn natuurlijk ook hardware-modules en elke module bevat daarom besturingsgegevens. Daardoor wordt de communicatie tussen modules, of liever tussen de besturingssystemen van de modules, een belangrijk aandachtspunt.

Bij de PSS 4000 is de communicatie-instelling niet meer expliciet, maar impliciet. Ten eerste is alle informatie op gelijke wijze bekend bij en toegankelijk voor alle netwerkgebruikers.

Ten tweede zijn de communicatiekanalen van de besturingsmodules en de afzonderlijke modules bekend voor het gehele project en worden onafhankelijk door de tool ingesteld in overeenstemming met de toewijzing, ofwel de programma-verdeling.

De mechatronische aanpak stelt grotere eisen aan de besturingsoplossing. Dat komt omdat veranderingen in de afzonderlijke onderdelen van de fabriek verstrekkende gevolgen hebben op besturingsniveau, aangezien programmastructuren op centrale punten van het besturingssysteem moeten worden gemodificeerd. Toekomstgerichte automatisering vereist daarom oplossingen die besturingsgegevens kunnen verdelen en die ervoor zorgen dat de benodigde koppeling van meerdere besturingssystemen gemakkelijk te hanteren blijft voor de gebruiker.

Wanneer u kijkt naar de levenscyclus van een machine, worden de voordelen van een mechatronische aanpak duidelijk, vooral in de ontwerp- en inbedrijfstellingsfase.