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Maschinenüberwachungs- und Instandhaltungssystem mit Pearl realisiert


23.10.1987 - 

Computer ersetzen jetzt die Mitarbeiter

In der Automobilindustrie dürfte die Fertigungsautomation (in Form von mehr oder weniger verknüpften CIM-"Inseln") am weitesten fortgeschritten sein. Lückenlose Produktionssteuerung "vom Händlerauftrag bis zur Auslieferung" ist die eine, mit der Fertigungsautomation eng verknüpfte, Aufgabe. Die andere, mindestens genauso wichtige Aufgabe liegt in einer lückenlosen Überwachung der komplexen Fertigungssysteme sowie der Steuerung von Reparatur und Wartung durch Prozeßrechner. Ein solches System wurde mit 15 Siemens-Rechnern in den letzten drei Jahren bei einem großen deutschen Automobilbauer in Bremen in der Fertigung des kleinsten Typs der Modellreihe aufgebaut.

Großserien- und kundenbezogene Auftragsfertigung stehen sich eigentlich entgegen. Der Automobilindustrie muß es jedoch gelingen, diese Zielsetzungen unter einen Hut zu bringen. Das ist aber nur möglich durch flexible Produktions- und Transporteinrichtungen auf elektronischer Basis.

Mit rund , 600 Fahrzeugen pro Tag wird in Bremen heute doppelt soviel produziert, wie noch vor wenigen Jahren bei der Auslegung der Produktionsstraßen konzipiert wurde. In einzelnen Bereichen wurde eine nahezu vollständige Automatisierung erreicht. Im Rohbau beispielsweise werden 98 Prozent der Schweißpunkte von Vielpunkt-Schweißanlagen und 65 Prozent der Schweißnähte von Robotern gesetzt. Ähnliches gilt für die Fördertechnik. Auch im Preßwerk und in der Lackierung werden in großem Umfang rechnergestützte, programmierbare Maschinensteuerungen eingesetzt - eine gute Voraussetzung, um diese Maschinen und Roboter lückenlos überwachen und bei Fehlern sofort eingreifen zu können. Die durch den hohen Automatisierungsgrad erzielten niedrigen Taktzeiten dürfen nicht durch häufige oder längere Stillstände gefährdet werden.

Anlagenüberwachung mit neuer Technologie

Bereits Anfang der Achtziger Jahre begann der Automobilhersteller in seinem Hauptwerk mit der Pilotinstallation einer rechnergestützten Produktionswarte im Karosserie-Rohbau. Das Projekt wurde auf Siemens-Prozeßrechnern R30 vom Fraunhofer-Institut IITB in Karlsruhe und dem Softwarehaus Werum GmbH in Lüneburg realisiert - und zwar im Softwarebereich mit der deutschen Prozeßrechnersprache Pearl.

Dadurch konnten nicht nur viele parallele Prozesse bewältigt werden (in Bremen heute 82 Tasks gleichzeitig), was in Assembler oder Fortran nur schwer möglich gewesen wäre; auch die Ingenieure der Anwenderfirma beteiligten sich an der Programmierung - vor allen Dingen der maschinennahen "intelligenten Unterstationen" (IUS), deren Software durch häufige Änderungen an den Fertigungsstraßen leicht modifizierbar sein muß. Dafür benötigten sie eine leistungsstarke, aber leicht verständliche und komfortable Prozeßrechnersprache. In Bremen, wo ein vergleichbares Projekt 1984 begonnen wurde, wurde nicht selbst programmiert. Die bereits vorhandene Software wurde übernommen, aber von IITB und Werum stark modifiziert und erweitert. Das gesamte Bremer System ist zwar dem des Mutterhauses ähnlich, aber durch die Übertragung auf Lackiererei und Montage ungleich umfangreicher und komplexer.

Glasfaserkabel verbindet drei Rechnerebenen

In den neu erbauten Hallen 7 (Rohbau), 8 (Lackiererei) und 9 (Montage) auf dem ehemaligen traditionsreichen Borgward-Gelände in Bremen-Sebaldsbrück stehen rund 760 Fertigungsanlagen (wobei mehrere Roboter, zum Beispiel in einer Schweißstraße, als Einheit betrachtet werden) die von elf intelligenten Unterstationen (Siemens-Prozeßrechner R 10/30 mit bis zu 2 MB Hauptspeicher, bis zu vier Terminals, aber ohne Platten) überwacht und gesteuert werden. In den Fertigungsprozeß integriert sind ferner 165 Zählstellen, 52 Bandgeschwindigkeitsregelungen und 27 Bandabstandssteuerungen. Die Schnittstelle zum Prozeß umfaßt 7800 Binärein- und 2500 Binärausgaben, 550 Analogeingaben, 30 Impulszähler und 25 serielle Verbindungen.

Die intelligenten Untersysteme sind untereinander mit Hilfe eines Bussystems auf Lichtwellenleiterbasis verbunden. Diese Entwicklung des Fraunhofer-Instituts IITB dürfte in einer solchen Anwendung bisher einmalig sein.

Das Glasfaserkabel hat eine Länge von 3,5 Kilometern, arbeitet nach dem Token-Prinzip und verfügt über eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 2 Megabit pro Sekunde. Fällt eine IUS aus, so übernimmt die nächstliegende unter "Lastabwurf" ihre Funktion. Das heißt, die Produktion kann reibungslos weitergehen, nur die Störungsüberwachung ist für den Zeitraum des Ausfalls eingeschränkt.

Die Produktion kann reibungslos weitergehen

Die Ausfallsicherung durch Redundanz gilt auch für die nächsthöhere Ebene ñ die Prozeßführungsrechner, die jedem der drei Produktionsbereiche zugeordnet sind. In der Hauptspeicherausstattung entsprechen sie den IUS, verfügen jedoch zusätzlich über Farbgrafikbildschirm mit Lichtgriffel für Prozeßüberwachung und -eingriff, Sichtgeräte für die Prozeßsteuerung und Drucker für Störungsprotokolle.

Die oberste Hierarchiestufe repräsentiert der Anlagenüberwachungs- und Datenbankrechner (AÜR). Dieses zentrale System basiert auf einer Siemens R 30 E mit 2 MB Hauptspeicher, 104 MB Platten und acht Terminals. Auch dieser Rechner arbeitet in "funktionsbeteiligter Redundanz" (das heißt, ein Partnerrechner übernimmt bei Ausfall den wichtigsten Teil der Aufgaben). Der AÜR besitzt wiederum eine Kopplung zum Planungsleitrechner (einem IBM-Großcomputer), dem auch die Steuerung der kundenbezogenen Produktion und die Verwaltung der Reparaturaufträge obliegt. Zusätzlich sind primär für Instandhaltungsaufgaben noch 20 Bildschirmgeräte und 18 Drucker direkt an den Fertigungsanlagen installiert.

Hohe Ansprüche an die Geschwindigkeit

Der Anlagenüberwachungsrechner erhält täglich rund 200 000 Datensätze Ó 30 bis 40 Bytes zur Verarbeitung. Die Daten werden einzeln über drei Tage, danach komprimiert in Wochen- und Monatsstatistiken bis zu maximal drei Monaten vorgehalten. Jede Anlage wird zunächst als Einheit betrachtet. Nur ihr jeweiliger Zustand interessiert: Was produziert sie zur Zeit, was hat sie davor produziert (Stückzahlen), warum steht sie, und was kann man dagegen tun? Erst in zweiter Linie werden die ,Auswirkungen, zum Beispiel größerer Störungen oder stark verminderter Stückzahlen, auf den gesamten Anlagenverbund untersucht. Dazu gehören auch die Auswirkungen auf die Fahrzeugpuffer (Pufferoptimierung).

Alle Informationen von den IUS werden drei Meldungshierarchien zugeteilt: Normalerweise wird nur die mittlere Taktzeit zwischen zwei Datensätzen gespeichert; bei Verzögerungen unter einer Minute (die Zeit ist parametrierbar) geht die Warte davon aus, daß man sich sofort vor Ort helfen kann, und erst bei Störungen über eine vorgegebene Zeit hinaus werden diese optisch und gegebenenfalls auch akustisch angezeigt. Ausgedruckt werden die Störungsprotokolle jedoch nur auf individuelle Anfrage, denn man will sich mit möglichst wenig Papier belasten.

Der Prozeßführungsrechner liefert jederzeit einen vollständigen Überblick über alle Parameter der angeschlossenen Anlagen. Dadurch können bis zu 1500 verschiedene Störgründe detailliert dargestellt und beliebige Verknüpfungen (Bandgeschwindigkeit und Sollstückzahlen) ermöglicht werden. Geänderte Prozeszustände sind in der richtigen Zeitfolge Protokollierbar, alle Tendenzen (Geschwindigkeiten, Stückzahlen, Temperaturen, beispielsweise bei den Lackieranlagen) in Kurvenform für einen raschen Überblick darstellbar und Grenzen, Sollwerte und Parameter jederzeit änderbar. Das Zusammenfassen von Einzelmeldungen zu Sammelalarmen ermöglicht hierarchisch aufgebaute Bilder, mit denen sich große Fertigungsbereiche ad hoc überblicken lassen.

Gezielte Instandsetzung und Instandhaltung

Als man sich in der Produktionswarte noch ganz auf die Mosaikbilder verließ, wußte man oft nicht, warum Anlagen gestört gemeldet waren. Manchmal schickte man den falschen Handwerker hin oder stellte vor Ort fest, daß lediglich Pause gemacht wurde. Heute weiß der AÜR schon über die Unterstationen, welcher Art der Stillstand ist und kann den Auftrag zur Instandsetzung sofort an den richtigen Handwerker geben. Die an den "kritischen" Anlagen stationierten Reparaturteams (insgesamt 13) erhalten ihren Reparaturauftrag über den Drucker. Eine Rückmeldung der Reparatur (sofort oder bei Schichtende) erfolgt über den Bildschirm, wobei der Handwerker in eine festgelegte Maske, die auszufüllen ist, einen Freitext (Kommentar) über 50 Zeichen eingeben kann. Diese Möglichkeit sowie die Maskentechnik machen das System für den DV-unerfahrenen Techniker akzeptabel - zumal persönliche Daten nicht erfaßt werden. Alle Reparaturrückmeldungen gehen an den zentralen Planungsrechner.

Umfassende Statistik für den genauen Überblick

Vom AÜR werden nicht nur die aktuellen Zustandsformen im Prozeß und bei einzelnen Maschinen erfaßt und gespeichert, sondern natürlich auf dieser Basis auch Anlagenhistorien erstellt - nach vorgegebenen Kriterien oder in individueller Form. Zu diesen Statistiken gehören aktuelle Vergangenheits-Störlisten, Schichtübersichten, Maschinenstatistiken bezogen auf Schicht, Woche und Monat etc.

Einige Auswertungen sind besonders für Abteilungs- und Produktionsleiter interessant, zum Beispiel die Gegenüberstellung von Nutzungszeit und Laufzeit (welche Stückzahlen wurden erreicht, welche sind möglich?). Sie können in individueller Form auch über Personal Computer abgerufen und auf diesen weiter bearbeitet werden. So stehen über diesen Weg alle wichtigen Analyse- und Planungsdaten in grafischer Aufbereitung zur Verfügung.

Die Vorteile der automatisch erstellten Anlagenstatistik liegen in der Verfügbarkeit aktueller Daten, in der Vermeidung von Zeitnehmerfehlern, in der parallelen Überwachung vieler Maschinen und nicht zuletzt in der schnellen Ermittlung von "Engpaßanlagen" und der frühzeitigen Erkennung von Auswirkungen, zum Beispiel bei Anlagenänderungen und Stückzahlerhöhungen.

Sämtliche Auswertungen basieren auf einem von Werum geschaffenen Echtzeit-Datenbanksystem (Bapas-DB), das den Kern der gesamten Anwendungslösung darstellt. Das System muß sehr große Datenmengen in sehr kurzer Zeit verarbeiten (200 bis 300 Prozeßdaten pro Minute) und minimale Zugriffszeiten auch bei größter Belastung garantieren. In der Bremer Anwendung sind normalerweise pro Sekunde bis zu 17 Datenbankzugriffe erforderlich, um die im Prozeß entstehenden Daten zu archivieren. Hinzu kommen die Auskunftsfunktionen. Kein plattenresidentes Datenbanksystem könnte das bewältigen. Bapas-DB hingegen ermöglicht hauptspeicherresidente Dateien und prioritätsgesteuerte, verteilte Datenbankzugriffe. Die erfaßten Daten können parallel zum laufenden Betrieb interaktiv über eine Query Language angesprochen werden. Außerdem arbeitet das System reorganisationsfrei rund um die Uhr.

Die Anwendungssoftware des AÜR ist von Werum in Pearl erstellt worden (90 Module, 100 000 Zeilen Quellcode). Hauptauftragnehmer war Siemens, Unterlieferanten waren das IITB und Werum.

Der Anwender ist mit seinem System sehr zufrieden; es gilt als zukunftsweisend, insbesondere durch die Idee des "Open-Ended-Design". Denn schon in der Implementierungsphase stellte sich heraus, daß statt 190 rund 760 Anlagen angeschlossen werden sollten. Die Lösung kann ohne weiteres auf andere Werke und andere Modelle ausgedehnt werden.

So ist in Bremen im kommenden Jahr der Anschluß des Südwerks mit der Produktion eines Kombi und eines neuen, weitgehend in "Handarbeit" produzierten Sportwagens geplant. In diesem Fall kommen weitere IUS und Prozeßführungsrechner hinzu, aber der zentrale AÜR wird lediglich erweitert. Die Software bleibt erhalten.

Angelika G. Loewenheim

Die DFVLR

Die Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. (DFVLR) ist die größte ingenieurwissenschaftliche Forschungseinrichtung in der Bundesrepublik Deutschland. Sie unterhält Forschungszentren in Braunschweig, Göttingen, Köln-Porz, Stuttgart und Oberpfaffenhofen bei München sowie weitere sechs Außenstellen. Die Forschungs- und Versuchsanstalt wird überwiegend aus öffentlichen Mitteln finanziert.

Die DFVLR bearbeitet Aufgaben aus den fünf Bereichen

þForschung (vorwiegend auf dem Gebiet Luft- und Raumfahrt)

þMitwirkung bei der Planung und Durchführung von Projekten

þErrichtung und Betrieb von Großversuchsanlagen

þWeiterbildung wissenschaftlicher Nachwuchskräfte

þBeratung und Unterstützung der zuständigen Stellen der Bundesregierung.

Ferner hält die DFVLR einen Teil ihrer Forschungs- und Entwicklungskapazitäten (FE) für Aufgaben des Technologietransfers (auch zur mittelständischen Industrie) sowie für projektunterstützende Beratung und FE-Arbeit bereit.

Die DFVLR ist in fünf Forschungsbereiche, drei wissenschaftlich-technische Dienstleistungsbereiche sowie zwei Bereiche der Geschäftsführung und Administration organisiert. Sie beschäftigt insgesamt rund 4100 Mitarbeiter, davon etwa 1700 wissenschaftliche Mitarbeiter.