Näher am Optimum

Die perfekte Produktion wird es nie geben. Aber warum nicht daran arbeiten? Dazu braucht es Analysetools, die ohne großen Aufwand Schwachstellen und damit die Verbesserungspotenziale aufspüren.

In den vergangenen Jahren hat das Angebot an Mikrocontrollern rapide zugenommen, gleichzeitig wurden diese Bausteine selbst immer kleiner. Und dieser Trend wird sich sicher weiter fortsetzen. Anhand einiger Beispiele erläutert dieser Artikel diese Veränderungen und zeigt, dass Mikrocontroller in kompakten Gehäusen mehr Vorteile bieten als nur die Platzeinsparung.

Die perfekte Produktion wird es nie geben. Aber warum nicht daran arbeiten? Dazu braucht es Analysetools, die ohne großen Aufwand Schwachstellen und damit die Verbesserungspotenziale aufspüren.

Unsere moderne Welt wirkt sich auf die von uns verwendeten Techniken ebenso aus wie auf die Art und Weise, wie wir diese implementieren. Die Geräte werden immer kompakter und leichter, und Batteriebetrieb ist in vielen Applikationen inzwischen unverzichtbar. Dementsprechend sparsam müssen diese auch mit der Energie umgehen – nicht nur, um die Batterielebensdauer zu verlängern, sondern auch, um die immer strenger werdenden Umweltschutzvorschriften einzuhalten. Der Konsument von heute wünscht nicht nur kleinere und leichtere Produkte, sondern verlangt auch mehr Features, höhere Geschwindigkeit und weniger Geräuschentwicklung. Somit sind die Hersteller stets gefordert, ihre Produkte zu verbessern, sowohl um ihre Konkurrenten aus dem Feld zu schlagen als auch mit dem Ziel, die Leistungsfähigkeit und Feature-Ausstattung innerhalb ihres eigenen Produktspektrums zu verbessern. Hinzu kommt, dass Mikrocontroller mittlerweile in ganz ungewohnten Anwendungen zum Einsatz kommen, nämlich als Ersatz für Verbindungslogik sowie in miniaturisierten Subsystemen, die entweder autonom oder im Verbund mit anderen Systemen arbeiten.

Ein Beispiel hierfür ist der Lüfter, der beispielsweise in jedem Desktop-PC zum Kühlen der CPU dient. Noch vor einigen Jahren hatte dieser einen Durchmesser von 5 cm bis 6 cm, wurde mit 12 V versorgt und lief, solange der PC eingeschaltet war. Dies erzeugte nicht nur Lärm, sondern brachte auch eine Stromaufnahme von einigen zehn, in einigen Fällen auch hundert Milliampere mit sich. Elektronik gab es in diesen Lüftern nicht. Heute ist es grundlegend anders: Speziell bei Laptop-Computern ist der Lüfter deutlich kleiner und auch seine Stromaufnahme ist wesentlich geringer. PC-Käufer wünschen heute einen fast lautlosen Betrieb und legen bei Laptops Wert auf lange Akkulaufzeiten. Ein Weg, diese Vorgaben zu erfüllen, liegt darin, in den Lüfter einen Mikrocontroller (MCU) einzubauen, der die CPU-Temperatur misst, die Lüfterdrehzahl entsprechend dem gemessenen Wert reguliert und im Fall einer Störung einen Alarm an das System sendet. Auch eine Verzahnung dieses Subsystems mit dem Power-Management-System eines PC ist denkbar.

Laut Business Week Research wissen 77 % der IT-Manager, dass in ihrer Organisation Entscheidungen aufgrund von unzureichenden Informationen getroffen werden. Im Fertigungsumfeld ist die Situation ähnlich: Auch hier beruhen viele Entscheidungen auf der subjektiven Erfahrung und dem Wissen der Maschinenführer und Werker. Die Gründe liegen insbesondere in dem längst nicht durchgängig realisierten vertikalen Informationsfluss aus der Maschinenebene zum Management. Zudem gibt es ein generelles Problem: Die Erfahrungswerte der Maschinenbediener lassen sich bislang nicht mit vertretbarem Aufwand anhand kalkulierbarer Kennwerte nachvollziehen.

Mit den Options-Paketen Downtime-Monitor und Process-Monitor für das SCADA-System WinCC (SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition) hat Siemens zwei Erweiterungen entwickelt, um den Informationsgehalt der Rohdaten aus der Steuerung zu steigern. Als Teil der Plant-Intelligence-Strategie (s. Kasten „Die transparente Fertigung”) lassen sich damit aus grundlegenden Maschinen- beziehungsweise Prozessdaten individuelle Key-Performance-Indicators (KPI) generieren, welche die Entscheidungssicherheit erhöhen.

Plattformkonzept wird umsetzbar

Den Stillstandsursachen nachgehen

Mit dem Downtime-Monitor lassen sich die Ursachen für Stillstände präzise ermitteln und daraus geeignete Gegenmaßnahmen ableiten. Der Maschinenbetreiber legt dazu für die Produktionseinheiten oder einzelne Maschinenteile (Equipment) fest, welche Zustandsdaten erfasst werden sollen. Die Einteilung des Equipments kann gemäß den Anforderungen des Anlagenbetreibers beliebig fein erfolgen – von einer gesamten Linie (Übersicht) bis zu einzelnen Aggregaten in der Linie. Für jedes Equipment werden die möglichen Zustände beziehungsweise die Ursachen für einen Stillstand festgelegt und einem Zeitmodell (geplanter/ungeplanter Stillstand, Anfahren, Ausschuss-Produktion) zugeordnet. Typische Maschinenzustände und Stillstandsgründe sind: Automatik-Betrieb (1), Hand-Betrieb (2), Not-Aus (3), geplante Wartung (4), ungeplante Wartung (5), Material fehlt (6).

In Bild 1 ist das Blockschaltbild eines derartigen Systems auf Basis eines 8-Bit- Mikrocontrollers dargestellt. Neben dem A/D-Wandler des MCUs kommen seine Timer und PWM-Funktionen zum Regulieren der Motordrehzahl zum Einsatz. Im Flash-Speicher können Wertetabellen zum Linearisieren des Sensorsignals sowie der Programmcode abgelegt sein. Überdies lassen sich die Timer verwenden, um den Lüfter zu bestimmten Zeiten ein- und auszuschalten. Auch die UART-, I2C- oder CSI-Schnittstellen (Clocked Serial Interface) lassen sich zur Kommunikation mit externen Systemen nutzen. Bereits solch ein relativ einfaches System kann von der Leistungsfähigkeit eines Mikrocontrollers profitieren. Drehzahl und Temperaturgrenzwerte sowie Ein/Aus- Intervalle lassen sich in den MCU einprogrammieren, sodass sich ein und dasselbe System für unterschiedliche PCs verwenden lässt. Damit ein solches Plattformkonzept allerdings praktikabel wird, müssen die Kosten auf ein absolutes Minimum gedrückt werden. Abgesehen von der Minimierung des Bauteileaufwands sind hierzu auch die Leiterplattenfläche und die Produktionskosten auf ein Mindestmaß zu reduzieren.

Diesen im Idealfall bereits vom Maschinenhersteller projektierten Zuständen werden Zahlenwerte zugeordnet (zum Beispiel 1 bis 6) und von der Maschinensteuerung in einem Datenwort erfasst. Die Steuerung übergibt das Datenwort zyklisch als WinCC-Tag an die SQL-Prozessdatenbank des Downtime-Systems. Der Downtime-Monitor greift auf diese Daten zu und generiert die Equipment-spezifischen KPIs wie:

  • Anlagen-Gesamteffizienz (OEE: Overall Equipment Efficiency)
  • mittlere Störungshäufigkeit (MTBF: Mean Time Between Failures)
  • mittlere Instandsetzungszeit (MTTR: Mean Time To Repair)
  • mittlere Reparaturhäufigkeit (MTBR: Mean Time Between Repairs)

Mit Hilfe von WinCC können zusätzliche Stati eingepflegt werden, die eine Steuerung nicht erfassen kann. Darüber lässt sich der Informationsgehalt weiter erhöhen.

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