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Voraussetzung für Production Level 4

Sieht aus wie ein Steckverbinder – ist aber viel mehr

24. März 2021, 10:05 Uhr   |  Heinz Arnold

Sieht aus wie ein Steckverbinder – ist aber viel mehr
© SmartFactory-KL/A.Sell

Der intelligente Steckverbinder, kurz SmEC (Smart electrical Connector), an Qualitätsmodul 1 dient als Normungsvorbild.

Wenn unterschiedliche Maschinen an unterschiedlichen Standorten einfach zusammenarbeiten sollen, wenn sie sich neu zu Produktionsnetzwerken gruppieren lassen sollen, dann müssen sie über einheitliche Schnittstellen verfügen.

SmartFactory KL, die Steckverbinderhersteller Harting, TE und Weidmüller haben inzwischen eine solche Schnittstelle im vorwettbewerblichen Rahmen entwickelt: den „intelligenten“ Steckverbinder, kurz SmEC (Smart electrical Connector), der als Prototyp bereits im neuesten Demonstrator der SmartFactory KL Einsatz findet. 

Er besteht aus dem eigentlichen Stecker und der Steckdose, hier Sockel genannt. Soll ein neues Modul in eine Fertigungsstraße angedockt werden, wird dieses Modul an die vorgesehene Stelle herangefahren; Positionierelemente und Elektromagnete sorgen dafür, dass es richtig sitzt. Nun wird der SmEC-Stecker des Moduls in den SmEC-Sockel an der Fertigungsstraße gesteckt. 

Der Stecker enthält verschiedene Leitungen, etwa die Leistungsversorgung und die Datenleitungen für die Kommunikation, die sein Steckgesicht bestimmen. Zudem sind verschiedene Sicherheits- und Schutzfunktionen integriert. 

Wo sitzt die Intelligenz?

Smart wird die Verbindung über die Sensoren und Aktoren, die im Sockel verbaut sind. Die Sensoren merken, ob sich ein Stecker dem Sockel nähert (in diesem Fall über den RFID-Reader im Sockel), identifizieren das Modul und senden die Information seiner Verwaltungsschale zu. Dort wird die Kompatibilitätsprüfung durchgeführt und entschieden, ob der Stecker gesteckt werden darf. Die Information aus der Verwaltungsschale sieht auch der Werker auf seinem Tablet, das ihn so durch den Installationsvorgang führt. Zu dem SmEC gehört selbstverständlich auch die Software-Komponente, die die Ansteuerung der Sensorik und Aktorik übernimmt. Dieses Steckverbindersystem ist die Voraussetzung für den weltweit ersten Production-Level-4-Demonstrator der Welt.

Neue, disruptive Verbindungstechnologie

»Es handelt sich nicht einfach nur um eine evolutionäre Weiterentwicklung des Industriesteckers, sondern um eine vollkommen neue, disruptive Verbindungstechnologie, die es erst ermöglicht, autonome Produktionsmodule immer wieder neu zu konfigurieren«, sagt Andreas Huhmann, Vorstand der SmartFactory KL und Strategy Consultant von Harting. »Die Intelligenz des Systems zeigt dem Werker, wann ein Modul gesteckt werden darf und wann nicht.« Der Stecker und der Sockel des SmEC wurden als cyberphysikalische Systeme auf Basis der Referenzarchitektur Industrie 4.0 entwickelt. Die Daten, die die Sensoren des Sockels liefern, fließen in die Verwaltungsschale des Sockels. Die Verwaltungsschale stellt sie über die Dienste-Schnittstellen anderen Komponenten zur Verfügung. Während des Betriebs kommuniziert die aktive Komponente kontinuierlich mit der Verwaltungsschale. 

Infrastructure Execution System

Die Informationen über den passiven Stecker (passiv, weil er nicht aktiv kommuniziert wie der Sockel) müssen über einen externen Pfad in die Verwaltungsschale laufen, um den Abgleich der Daten zwischen dem Stecker und der Verwaltungsschale durchzuführen. Etwa über das Infrastructure Execution System, das dann das Update der Steckerdaten in der Verwaltungsschale durchführt. Beispielsweise kann das Infrastructure Execution System der Verwaltungsschale des Steckers mitteilen, dass ein Steckzyklus stattgefunden hat, und die Zählung der Steckzyklen in der Verwaltungsschale des Steckers um 1 erhöhen. Die Information „Stecker gesteckt“ hatte der aktive Sockel zuvor detektiert und seiner Verwaltungsschale mitgeteilt, über die das Infrastructure Execution System sie erhalten hat, um dann die Funktion in der Verwaltungsschale des Steckers auszulösen.

»Diese standardisierte Industrie-4.0-Kommunikation ist der wesentliche Aspekt, den wir in der SmartFactory KL vorangetrieben haben«, sagt Dr. Michael Hilgner, der bei TE Connectivity für Normung, Standardisierung und industrielle Gemeinschaftsforschung zuständig ist. Der Stecker darf eben erst zum Abziehen freigegeben werden, wenn die Maschine spannungsfrei ist, was über die standardisierte Kommunikation sichergestellt wird. Der SmEC bildet also eine einheitliche Schnittstelle, über die die höheren Systeme ansteuern und Funktionen auslösen können, etwa das gerade erwähnte Infrastructure Execution System.

»Den Ausdruck Infrastructure Execution System hat die SmartFactory KL in Anlehnung an das Manufacturing Execution System geprägt, weil die Forschenden von einer flexiblen, wandelbaren Infrastruktur ausgehen. Es ist also ein System erforderlich, das die Informationen über die Infrastruktur zusammenfasst und überwachen kann«, erläutert Simon Althoff, Technologieentwickler von Weidmüller Infrastruktur. So verriegelt der Aktor im Sockel den Stecker in Abhängigkeit vom Zustand der Maschine. Steht sie beispielsweise unter Spannung, so lässt sich der Stecker nicht einstecken oder abziehen: Der Aktor im Sockel sorgt für die mechanische Verriegelung des Steckers. Erst wenn keine Spannung mehr anliegt, ist er zum Abziehen freigegeben, der Werker kann dann den dafür im Stecker vorgesehenen Knopf drücken. Während des Betriebs messen die Sensoren im Sockel verschiedene Werte, etwa die Stromaufnahme, die Spannung und die Temperatur. Die Kommunikation geschieht über OPC/UA.

Das Ziel besteht darin, den SmEC, also das Datenmodell, die Service-Schnittstellen und die physikalische Schnittstelle, der nationalen und der internationalen Normung zuzuführen. Inzwischen wird weiter validiert und über Funktionserweiterungen nachgedacht. Beispielsweise könnten weitere Sensoren in den Sockel aufgenommen werden. In ein bis zwei Jahren soll der SmEC soweit ausgereift sein, um in ersten Fertigungsanlagen in der Industrie Einsatz zu finden.

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TE Connectivity, HARTING Deutschland GmbH & Co. KG, Weidmüller Interface GmbH & Co.KG