Erfassung des Spektrums und Evaluierung der Möglichkeiten von PC basierten Maschinensteuerungen im Vergleich zu klassischen SPS-Lösungen mit exemplarischer Umsetzung einer PC-Steuerung für die automatische O-Ring Montage
Autor: Simon Kohfeld
Betreuer: Prof. Schneider
Einleitung
Seit der Erfindung des PCs verdoppelt sich dessen Rechenleistung nach dem mooreschen Gesetz alle 24 Monate. In der Industrieautomatisierung wird diese Steigerung an Leistungsfähigkeit nur in manchen Bereichen bereits genutzt und in keinem Bereich vollkommen ausgeschöpft. Vor allem im Bereich der Prozesssteuerung wird heute noch überwiegend mit vergleichsweise leistungsschwachen SPS-Steuerungen gearbeitet. Diese Trägheit ist vor allem auf die in der Industrie angestrebte Langzeitverfügbarkeit zurückzuführen, um eine möglichst lange Lebenszeit für Maschinen garantieren zu können.
Doch der Bedarf an Daten, die aus einem Prozess gewonnen werden sollen, wird immer größer, sodass die klassische SPS kaum noch in der Lage ist, diese Datenmengen in Echtzeit zu verarbeiten. Auch im Bereich der künstlichen Intelligenz, welche weiter voran schreitet, ist es notwendig immer komplexere Berechnungen durchführen zu können, was bereits auf Industrie-PCs erledigt wird, welche zusätzlich Platz im Schaltschrank einnehmen, obwohl genügend Rechenleistung zur Verfügung steht, um die Hauptprogrammsteuerung zusätzlich zu übernehmen. Diese Arbeit befasst sich damit, ob ein Umstieg auf eine PC-basierte Maschinensteuerung bereits überfällig ist, oder ob die klassische SPS nachwievor eine Berechtigung in der Steuerungstechnik hat und wenn ja, dann in welchem Umfang. Die Anfertigung der Arbeit, sowie die damit verbundene Recherche und Versuche, finden in Kooperation mit der OHRMANN GmbH statt.
Vorstellung der OHRMANN GmbH
Allgemein
- Familien geführtes Unternehmen in Möhnesee-Wippringsen
- 1986 gegründet
Heute
- Über 170 Mitarbeiter
- Umsatz von ca. 21.000.000 € im Jahr 2017
Tätigkeitsfelder
- Montagevorrichtungen und -stationen
- Zuführungen von Dichtringen
- Automaten und Sondermaschinen
- Schwerpunkt Montagetechnik
Aufgaben der Bachelorarbeit
1. Erstellung einer Gegenüberstellung der derzeitigen Technologie im Vergleich zu Industrie PC basierter Hard- und Software
2. Analyse des Aufbaus der SPS-Programme und Hardwarekomponenten bei der Firma OHRMANN
3. Erstellung eines Umsetzungsszenarios für Montagevorrichtungen hin zu einer Industrie PC basierten Hard- und Software
4. Realisierung des Umsetzungsszenarios an einer Montagevorrichtung
Gegenüberstellung von IPC und SPS
| Vorteile SPS | Nachteile SPS | Vorteile IPC | Nachteile IPC |
|---|---|---|---|
| Geringer Wartungsbedarf | Einschränkung bei Erfassung von Betriebsdaten | Erhöhte Platzersparnis | Geringer Lebenszyklus |
| Hohe Langzeitverfügbarkeit | Erweiterte Fernwartungsmöglichkeiten | ||
| Gute Austauschbarkeit | |||
| Extrem hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit | |||
| Visualisierungsaufgaben direkt an der Maschine möglich | |||
| Komfortable Bedienung | |||
| Big Data Handling | |||
| Hochsprachenprogrammierung möglich |
Besondere Features eines IPC
Industrie 4.0
- Unterstützung von horizontaler und vertikaler Kommunikation
- zentrale Datenerfassung
- Systemübergreifende Datenenalyse und Dateninterpretation
Datenanalyse
- Betriebsdatenerfassung großer Datenemengen in Echtzeit
- Data Mining
- komplexe, ungerichtete Datenenalyse
- Prädiktionen
- Zustandsüberwachung
- Prognose von Fehlfunktionen auf Basis von Komponentenmodellen
- Reduktion von Standzeiten
Digitaler Zwilling
- digitale Kopie eines realen Objektes
- ermöglicht virtuelle Inbetriebnahme und virtuellen Fertigungsprozess
After Sales Dienstleistungen
- Apps ermöglichen Einbau individueller Elemente
- Produktionssysteme als Social Machines
OA 700 – Vollautomat für Dichtringmontage
Allgemein
- Vollautomat für Serienmontage für die Aussenmontage von Dichtringen
Funktionsweise
- Zuführung der Werkstücke über Vibrationswendelförderer
- Dichtringmontage über patentiertes Fügenadeln-Montageverfahren
- Montagekontrolle mit Vision-Sensor
Merkmale
- S7-1511 Steuerung
- KTP 400 Color als HMI
Hersteller von geeigneten IPCs für die OA 700
Gegenüberstellung der verschiedenen IPC-Lösungen
| Hersteller | Siemens IPC | Beckhoff | ASEM | EXOR | Advantech | Kunbus |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Schnittstellen | PROFINET TCP/IP PROFIBUS |
EtherCAT PROFINET TCP/IP PROFIBUS ... +23 weitere |
EtherCAT Modbus |
TCP/IP PROFINET EtherCAT |
EtherCAT Modbus PROFINET |
EtherCAT PROFINET TCP/IP PROFIBUS ... +8 weitere |
| Projektierungs-Software | TIA Portal | TwinCAT3 | Codesys | Codesys | Codesys | Logi.CAD |
| Programmierung | Nach Siemens Standard | Nach IEC61131-3 | Nach IEC61131-3 | Nach IEC61131-3 | Nach IEC61131-3 | Nach IEC61131-3 |
| Integrierte Sicherheit | Ja | Ja | Nein | Nein | Nein | Nein |
| Kosten Anschaffung Schulung pro Tag ø |
Ab 1670 € 350 € |
Ab 495 € 475 € |
Ab 609 € 408 € |
Ab 540 € 408 € |
Ab 750 € 408 € |
Ab 178 € 610 € |
| Besondere Merkmale | Hohe Kompatibilität zum aktuellen OHRMANN Standard |
TwinCAT Vision Option | Fernwartungstool inklusive | Cloud-Plattform inklusive | Nein | Hohe Transparenz Zukauf von Display notwendig |
Ergebnis
Mit einem Siemens IPCs können für Aufgaben mit großem Datenverkehr Platz und Kosten im Vergleich zur SPS eingespart werden.
Durch die Wahl eines Beckhoff IPC können im Vergleich zum Siemens IPC weitere Kosten gepspart werden. Dabei spricht ebenfalls für Beckhoff, dass die Marktakzeptanz für diese IPC Lösungen ansteigt und direkt hinter Siemens liegt. Außerdem lassen sich Beckhoff IPCs im Vergleich zu den anderen Herstellern am besten skalieren.
Ausblick und Fazit
Ausblick
- Weitere Schulungen für die Programmierung von Beckhoff IPCs
- Keine kurzfristigen Änderungen bei den Steuerungen vorgesehen
- Langfristig Wiederverwendung von OA 700-Programm möglich
- Verwendung für Anlagen des selben Typs
- Verwendung bei Anlagen mit ähnlichen Abläufen
Fazit
- Durch die Verwendung von IPCs:
- Können Kosten eingespart werden
- Können schnellere Taktzeiten erreicht werden
- Kann ein breiteres Kundenspektrum bedient werden
- Insgesamt kann die Bachelorarbeit erfolgreich abgeschlossen werde
Die OHRMANN GmbH bietet weitere Abschlussarbeiten im Bereich der Automatisierungstechnik für interessierte Studierende an.
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