„Cyber physical Systems“ in der Praxis

Eine weitere Variante der kreativen Nutzung von Maschinen- und Prozessdaten bietet B&R im Bereich „Factory Automation“ mit einer neuen APROL-Systemkomponente für Business Intelligence (BI).

Hermann Obermair
Leiter des Vertriebs Österreich bei B&R

„„Normalerweise exisitieren in einem Fertigungsbetrieb vorwiegend eigenautomatisierte, isolierte Produktionsstationen – bei B&R sind alle Fertigungseinrichtungen nicht nur untereinander, sondern auch mit dem ERP-System vernetzt. Das geht sogar soweit, dass wir die Infrastruktur-Information einer Fertigungsstraße (z. B. den Energieverbrauch oder Wartungszyklen einer Maschine) zum Produktionszeitpunkt synchron in unserer Datenbank erfassen und visualisieren, um bei Abweichungen in Echtzeit darauf reagieren zu können.“
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Durchgängige Produktionsphilosophie

1995 erließ B&R für sich das Gesetz „One Tool, many Targets“ – und baut seither kein einziges Produkt mehr, das nicht mit dem gleichen Werkzeug, Automation Studio, programmiert, implementiert und diagnostiziert wird. Mit diesem Schritt bereitete das Unternehmen bereits damals die Pfade für die seit etwa drei Jahren ausgerufene Industrie 4.0-Revolution einer durchgängigen vertikalen und horizontalen Vernetzung.

Getreu dem Motto „Innovation durch Kommunikation“ setzte B&R bereits ein gutes Jahrzehnt später, nämlich 2006, den nächsten großen Meilenstein in seiner Unternehmensgeschichte und vernetzte seine eigene Produktion durchgängig über alle Unternehmensebenen hinweg – also von der Produktentwicklung hin bis zur ERP-Ebene – und lebt damit seit acht Jahren die durchgängige Vernetzung seiner Fertigung ganz im Sinne von Industrie 4.0.

Hermann Obermair, Leiter des Vertriebs Österreich bei B&R, bringt die durchgängig vernetzte Produktionswelt von B&R auf den Punkt: „Normalerweise exisitieren in einem Fertigungsbetrieb vorwiegend eigenautomatisierte, isolierte Produktionsstationen – bei B&R sind alle Fertigungseinrichtungen nicht nur untereinander, sondern auch mit dem ERP-System vernetzt. Das geht sogar soweit, dass wir die Infrastruktur-Information einer Fertigungsstraße (z. B. den Energieverbrauch oder Wartungszyklen einer Maschine) zum Produktionszeitpunkt synchron in unserer Datenbank erfassen und visualisieren, um bei Abweichungen in Echtzeit darauf reagieren zu können.“

Quasi als Nebenprodukt der volldigitalisierten Produktion ergeben sich auch wertvolle Vorteile für die B&R-Kunden. Das Unternehmen bietet auf seiner Homepage ein Service- und Reparaturportal an, das es online erlaubt sowohl technische, als auch kaufmännische Daten, zum Beispiel Versionsinformationen, Auslieferungsdatum, Gewährleistungsstatus, Reparaturhistorie, usw. einer Komponente per Eingabe der Serialnummer einfach abzufragen. „Das erspart dem Kunden gegebenenfalls viel Arbeit“, erklärt Obermair.

Vollautomatisches Hochregallager direkt vom ERP-System gesteuert.

Gerald Haas
Leiter des Global Industrial Managements bei B&R

„Viele Kunden bestellen bei uns komplett fertig assemblierte I/O-Systeme mit allen benötigten I/O-Modulen. Dafür haben wir ein Fertigungssystem entwickelt, mit dem wir für den Kunden eine beliebige Anzahl von X20-Modulen aneinanderfügen können.“ “

Just done – Umsetzung der logischen Produktions-Wolke

Gerald Haas ist bei B&R Leiter des Global Industrial Managements. Seine Aufgabe ist es, sämtliche Produktionsvorgänge bei B&R zu automatisieren – von der Leiterplatte bis hin zum fertigen Produkt. Dazu gehören alle Fertigungsverfahren mit ihren Produktionsmaschinen und Anlagen, die dazugehörigen Prüfkonzepte und die Strategien, wie etwas gefertigt wird. Er ist der Mann, der bis ins letzte Detail alle Finessen der B&R-Produktionswelt kennt. „Wir haben Produkte, die in großen Mengen in unterschiedlichen Ausführungen auf einer Produktionsanlage gefertigt werden. Ein klassisches Beispiel dafür sind die X20-I/O-Module, die mit unterschiedlichen elektronischen Ausführungen stets den gleichen mechanischen Formfaktor haben.“

Die Produktionsanlage weiß für jedes einzelne Modul, welche Produktausführung gerade zu produzieren ist. Die dafür nötigen Baugruppen-Informationen sind mit einer eindeutigen Serialnummer verknüpft, über die jedes einzelne B&R-Produkt identifizert wird und die mittels Barcode oder RFID ausgelesen werden kann. Durch die Serialnummer holt sich die Produktionsmaschine automatisch die benötigten Informationen aus SAP, welches bei B&R nicht nur die Aufgabe eines reinen ERP-Systems übernimmt, sondern auch als MES-System fungiert. Änderungen im SAP werden bei Bedarf in Echtzeit automatisch in den Produktionsprozess übernommen.

Jüngster Clou in Sachen Entwicklungsbeschleunigung von B&R: mapp Technology. Dahinter verbergen sich modulare Softwarebausteine, welche die Entwicklung neuer Anwendungsprogramme vereinfachen und die Entwicklungszeit um durchschnittlich 67 % senken.

Wirtschaftliche Fertigung von Losgröße 1

Die Kombination aus durchgehender Vernetzung in Echtzeit und vollautomatischer Fertigung macht es möglich, dass selbst Produkte mit Losgröße 1 in Serie gefertigt werden können. Der Datenfluss geht dabei nicht nur in eine Richtung: Sämtliche relevanten Daten, die bei der Produktion anfallen, werden gespeichert. „Wir können jeden einzelnen Produktionsschritt bei jedem einzelnen Modul nachvollziehen“, erklärt Haas. Das schließt selbstverständlich auch die 100-prozentigen Funktionstests mit ein, die am Ende der Produktionsstraße vollautomatisch durchgeführt werden. Um mit der Vielzahl an komplexen Daten auch etwas anfangen zu können, hat B&R QS-Reports entwickelt, in denen die benötigten Daten einfach und übersichtlich dargestellt werden. So können z.B. alle Lieferungen der letzten Jahre an einen bestimmten Kunden inklusive sämtlicher Wartungs- und Servicearbeiten, Fehlermeldungen etc. mit wenigen Mausklicks abgerufen werden.

Selbst die von B&R eingekauften Produktionsmaschinen werden vor ihrer Integration in die Produktionsstraßen einem Customizing unterzogen – d. h. mit B&R-Komponenten ausgestattet, damit sie sich nahtlos in das durchgängige Firmennetzwerk integrieren lassen. So ist der durchgängige digitale Informationsaustausch über alle Unternehmensebenen nicht nur auf der Produkt- sondern auch auf der Produktionsebene gewährleistet.

Vor jeder Produktauslieferung werden bei B&R selbstverständlich Funktionstests durchgeführt - wie hier bei einem X20-Modul.

Selbstverständlichkeit: Kundenbezogene Fertigung

B&R stellt auf Wunsch nicht nur Einzelprodukte in Losgröße 1 her. „Viele Kunden bestellen bei uns komplett fertig assemblierte I/O-Systeme mit allen benötigten I/O-Modulen“, sagt Haas. „Dafür haben wir ein Fertigungssystem entwickelt, mit dem wir für den Kunden eine beliebige Anzahl von X20-Modulen aneinanderfügen können.“ Doch damit nicht genug, alle gewünschten Beschriftungen und Farbmarkierungen werden vollautomatisch angebracht. Der Kunde kann seine Automatisierungslösung z. B. in Eplan projektieren und uns die Daten zur Verfügung stellen, damit wir alle gewünschten Module assemblieren. Auch die benötigten Steuerungen inklusive Software liefern wir selbstverständlich dazu. Der Kunde braucht sich um die Assemblierung keine Gedanken mehr zu machen. „Selbstverständlich machen wir vor der Auslieferung einen Funktionstest“, ergänzt Haas.

Der heutigen Zeit und der Ausrufung von Industrie 4.0 wesentlich voraus – funktioniert die bis zur ERP-Ebene vernetzte Serialnummer-Tracking-Fertigung von B&R nun schon seit gut acht Jahren in aller Selbstverständlichkeit – zum Wohl von B&R und zum Wohl seiner Kunden. Weitere innovative Methoden, die eigene Fertigung im Sinne von Industrie 4.0 voranzutreiben, sind bereits in Planung. So „tüftelte“ Gerald Haas jüngst an einem System, welches ein Bauteil selbständig seinen Weg durch die Produktionshalle finden lässt. Die Lösung dafür ist bereits fertig und in der Ausarbeitungsphase – die Umsetzung wird erfahrungsgemäß nicht mehr lange auf sich warten lassen.

Assemblierung von kundenspezifischen Steuerungskonfigurationen in Stückzahl 1.

B&R-Produktionsvorteile sind B&R-Kundenvorteile

Doch nicht nur für B&R bietet der durchgängige Kommunikationsfluss der Produkt- und Fertigungswelt über alle Unternehmensebenen hinweg profitablen Nutzen – auch B&R- Kunden ziehen ihre Vorteile daraus. Neben den bereits erwähnten Service- und Reparaturportalen auf der B&R Homepage ermöglichen E-Mail-Agenten die automatische Benachrichtigung bei einem Produkt-Update. Somit bietet die vollständige Historie jedes B&R-Produktes von seiner Entwicklung bis zur Auslieferung nicht nur große Vorteile für B&R selbst, sondern auch für jeden B&R-Kunden – das nennt man durchgängigen, fabrikübergreifenden Informations- und Kommunikationsfluss. Und dieser wird bei B&R nicht nur intern sondern auch extern von der Entwicklung über die Fertigung bis hin zur Auslieferung gelebt.

Einen weiteren Kundenservice stellt die „bill of material“-Funktion in der B&R-Automatisierungssoftware Automation Studio dar, welche immer mehr Maschinenbauer nutzen, bevor sie ihre Maschine ausliefern. Mittels dieses Tools sammelt der integrierte System-Diagnose-Manager (SDM) in Automation Studio sämtliche Daten der jeweiligen Maschine. Serialnummern aller eingesetzten Komponenten inklusive Revisionsinformation, eingesetzte Software mit Versionshinweisen, Speichernutzung und vieles mehr werden typischerweise bei ihrer Auslieferung erfasst, und in der Auslieferungsdokumentation des Maschinen- oder Anlagenbauers archiviert.

Ergeben sich für den Maschinenbauer im Feld Unstimmigkeiten, kann er exakt rückverfolgen, mit welchen Revisionen, mit welcher Hardware und Serialnummer seine Maschine ausgeliefert wurde. Stehen andererseits Wartungsarbeiten an, so lässt sich auch der gesamte Instandsetzungsablauf problemlos verfolgen, ebenso wie eine Reparaturabfolge oder verschiedenste Fehler-Diagnosen. Mit der „bill of material“-Funktion des System Diagnose Managers wird das Leben von Maschinenbauern bedeutend vereinfacht, da sie in vielen Fällen der Gewährleistungspflicht die nötige Sicherheit und Beweislage geben, eine Maschine ordnungsgemäß ausgeliefert zu haben. „Das freut natürlich unsere Kunden“, schmunzelt Hermann Obermair, „wenn sie zum Beispiel auch nach Jahren den originalen Auslieferungszustand der Maschinensteuerung volldigitalisiert einfach aus dem eigenen Dokumentationsarchiv abholen können!“.

Spezifische Daten auf Knopfdruck mit APROL (BI) generieren

Eine weitere Variante der kreativen Nutzung von Maschinen- und Prozessdaten bietet B&R im Bereich „Factory Automation“ mit einer neuen APROL-Systemkomponente für Business Intelligence (BI). Darunter werden Verfahren und Prozesse zur systematischen Sammlung, Analyse und Präsentation von Daten in elektronischer Form verstanden. Mit Hilfe dieser aggregierten Daten können Prozesse effizient überwacht und optimiert werden. Die Berichte und Analysen liefern wertvolle Informationen für die Entscheidungsfindung. Bestehende ERP-Lösungen verfügen zwar teilweise über Reporting- und Analyse-Funktionen, diese sind jedoch nicht fabriksglobal. Meist fehlen die entsprechenden Maschinendaten oder Fehlerinformationen aber auch Infrastrukturinformationen wie Medien- oder Energieverbrauch sind sehr selten im ERP-System in Echtzeit vorhanden. Daher gibt es ein großes Marktinteresse an leistungsfähigen und dennoch leicht zu bedienenden BI-Lösungen auf Factory-Automation-Ebene.

Die anfallenden Datenmengen in Produktionsanlagen sind in den vergangenen Jahren sprunghaft gestiegen. Ohne automatisierte Analyse und Auswertung können auf Basis der massenhaft anfallenden Daten keine fundierten Entscheidungen mehr getroffen werden. In diesem Zusammenhang wird oft das Schlagwort „Big Data“ genannt. Bei größeren Anlagen bewegen sich die gesammelten Daten schnell im Giga- oder gar Terrabyte-Bereich. Solche Datenmengen lassen sich nur durch systematische Verarbeitung handhaben.

APROL Business Intelligence (BI) besteht im Wesentlichen aus drei Prozessstufen: Datenbeschaffung, Analyse und Präsentation. Im ersten Schritt müssen die Daten gesammelt werden. Die Rohdaten können z. B. von einer Ferigungszelle, dem Infrastruktur-Leitsystem und aus dem ERP-System kommen. Vor deren analytischen Auswertung müssen sie zuerst gefiltert, bereinigt und harmonisiert werden. Einfache Analysen sind mit sogenannten OLAP (Online Analytical Processing) Cubes möglich. Komplexe statistische Untersuchungen werden mit Data-Mining-Methoden (Erkennung von Mustern in großen Datenmengen) durchgeführt. Anschließend können die Ergebnisse in Form von Grafiken und Tabellen präsentiert werden. So lassen sich z. B. Vibrationen einer Maschine über verschiedene Zeiträume hinweg vergleichen und sogar die zukünftige Entwicklung prognostizieren – auch sind Vergleiche zwischen verschiedenen Maschinen möglich.

„Wir haben dazu eine echtzeitfähige Schnittstelle zu einem namhaften BI-Anbieter geschaffen, und somit die BI-Funktionen vollständig in das B&R-Prozessleitsystem APROL eingebettet. Bedienung und Wartung sind damit wesentlich einfacher als bei vergleichbaren Produkten. Die Report-Funktionen stehen jedem APROL-Nutzer zur Verfügung. Bei Bedarf können zusätzliche Komponenten für die Datenbeschaffung und komplexe Auswertungen installiert werden. Auch diese sind dann über die BI-Plattform vollständig in APROL integriert“, erklärt Hermann Obermair die Vorteile der B&R-Lösung gegenüber BI-Angeboten anderer Anbieter.

Disziplinübergreifendes Engineering

Das Tooling ist eine Sache, das disziplinübergreifende Engineering ein weiterer Meilenstein in Richtung Industrie 4.0. Auch an dieser Stelle hat B&R eine absolute Vorreiterrolle eingenommen: „Wir waren die ersten, die eine durchgängige MATLAB- und Simulink-Integration und ein bidirektionales Interface zu Eplan Electric P8 hatten – Schnittstellen gibt es zu Vielen, aber eine bidirektionale Kopplung mit „merge“- oder „compare“-Funktionen, d. h. mit einem grafischen Auswahldialog „alte Version – neue Version“ – das hat nur B&R umgesetzt“, unterstreicht Hermann Obermair die Vielseitigkeit des B&R-Werkzeuges Automation Studio. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, interne Änderungen mit jenen zu vergleichen, die vor Ort an der Anlage gemacht wurden.“

Möglich macht dies der Mechanismus des Round-Trip-Engineerings. Die Schnittstelle unterscheidet sich dadurch klar von bisher gewohnten Import-/Export-Schnittstellen. Ein Eingreifen des Benutzers ist jederzeit möglich, aber im Regelfall nicht notwendig. Unterstützt werden alle Arten von Entwicklungsabläufen. Es spielt dabei keine Rolle, ob ein Projekt in der Software-Entwicklung oder in der Elektroplanung startet. Auch Projekte, bei denen in beiden Disziplinen hochgradig parallel gearbeitet wird, wie bei agilen Vorgehensweisen üblich, lassen sich umsetzen.

Ein intelligenter Abgleichmechanismus bietet dem Anwender jederzeit ein transparentes Bild über Differenzen zwischen Projektständen und unterstützt beim Zusammenführen unterschiedlicher Projektstände. Unabhängig davon, ob in großen oder kleinen Projektumgebungen gearbeitet wird, die Kopplung zwischen Automation Studio und EPLAN Electric P8 bietet ein Höchstmaß an Transparenz und Komfort: Durch das Parallelisieren von Arbeitsabläufen werden Entwicklungszeiten gesenkt und Reaktionszeiten verkürzt. Indem der bidirektionale Datentransfer zwischen der Steuerungssoftware und dem Elektro Engineering automatisiert erfolgt, werden Fehler durch manuelle Änderungen unterbunden und die Qualität steigt. Sind Projektdaten permanent synchron, erleichtert das die nachfolgende Wartungsarbeit. Die Folgekosten sinken.

Modulare Bausteine als Entwicklungsturbo

Im November 2014 stellte B&R auf der SPS IPC Drives seinen jüngsten Clou in Sachen Entwicklungsbeschleunigung vor: mapp Technology. Dahinter verbergen sich modulare Softwarebausteine, welche die Entwicklung neuer Anwendungsprogramme vereinfachen und die Entwicklungszeit um durchschnittlich 67 % senken. mapp nimmt dem Entwickler wiederkehrenden Programmieraufgaben für Basisfunktionen ab, indem es vorgefertigte Bausteine bereitstellt, zum Beispiel für ein Rezeptsystem, ein User Management oder auch zur Steuerung von Mehrachssystemen. Der Programmierer kann sich somit auf seine Hauptaufgabe konzentrieren: Den Maschinen- oder Anlagenprozess in Software umzusetzen. Die mapp-Bausteine fügen sich nahtlos in die B&R-Automatisierungssoftware ein. Jeder Entwickler der mit Automation Studio arbeitet, kann mapp einsetzen. Durch die Bausteine wird die Software viel übersichtlicher, der Umfang des Sourcecode reduziert sich um bis zu 80 %. Daraus folgen höhere Maschinenverfügbarkeit, niedrigere Wartungskosten und erleichterte Zusammenarbeit im Team.

Dem nicht genug …

… wurden in Automation Studio 4 zahlreiche weitere Innovationen implementiert, die die Entwicklung neuer Software leichter gestalten. Wie beispielsweise die vereinfachte Hardware-Projektierung durch einen virtuellen Schaltschrank und eine integrierte Antriebsauslegung. Zudem wurde das Unit Testing eingeführt – ein strukturierter Test für Software, der ein wesentlicher Teil der Qualitätssicherung ist.

Ein weiterer Fortschritt ist die Implementierung von OPC UA, die höchste Integration direkt auf der Steuerung ermöglicht. Dieses Protokoll erleichtert Softwareentwicklern mit komfortablen Funktionen ihre Arbeit und verspricht als junger Marktstandard mit offener Architektur langfristig Kompatibilität mit zahlreichen Fremdsystemen. Mittels eigener Bibliotheken unterstützt Automation Studio 4 Internet-Technologien. So fällt es leichter, standortunabhängige Bedien- und Produktionskonzepte umzusetzen.

Mit Möglichkeiten zur direkten Anbindung vieler Feldbusse deckt Automation Studio 4 den breiten Einsatz von 3rd-Party-Geräten ab, und ermöglicht die Kompatibilität mit fremdsystemgesteuerten Maschinen. Vom verwendeten Feldbus unabhängig ist auch die ebenfalls in Automation Studio 4 programmierte integrierte Sicherheitstechnik auf Basis von openSAFETY.

Darüber hinaus wurden Regelungs- und Technologiepakete in Version 4 implementiert. Diese beinhalten fertige Lösungen für typische Aufgabenstellungen, inklusive Visualisierung zur Inbetriebnahme und Diagnose, Simulationsmodellen und einer ausführlichen Dokumentation. Auch damit kann – wie sollte es auch anders sein – schneller und einfacher entwickelt werden.