Robustes Embedded-Bediensystem für rauen industriellen Einsatz

| Autor / Redakteur: Stelian Genescu * / Michael Eckstein

Knochenjob: Bediensysteme für den industriellen Einsatz müssen besonders robust ausgelegt sein.
Knochenjob: Bediensysteme für den industriellen Einsatz müssen besonders robust ausgelegt sein. (Bild: HEITEC)

Prüfsysteme in Industrieumgebungen sind oft flexibel ausgelegt. Eine Herausforderung für eingesetzte Bediensysteme – sie müssen sich an unterschiedliche Funktionalitäten adaptieren lassen.

Eine umfassende Prüfung von Werkstücken ist ein entscheidender Bestandteil der Qualitätssicherung. Dabei gewonnene Erkenntnisse können in die Produktion zurück gespielt werden, Bearbeitungsschritte verbessern oder spätere Reklamationen verhindern. Bei der Endkontrolle, im Warenaus- oder auch -eingang dienen sie als „Qualitätskontrollinstanz“.

Dies verhindert Schäden bzw. späteren Ausschuss, optimiert das Ergebnis, spart also Ressourcen, Zeit und erhöht die Produktivität. Den verwendeten Prüfsystemen fordert der Einsatzbereich eine Menge ab. Sie müssen für den Gebrauch in einer rauen Umgebung robust ausgelegt sein und 24 Stunden an sieben Tagen in der Woche funktionieren. Widerstandsfähigkeit gegen starke Erschütterungen, eine effiziente Kühlung, Kompaktheit und Wartungsfreiheit stehen ganz oben auf der Liste der Anforderungen bei Design und Produktion.

Für eine solche Prüflösung hat Embedded-Spezialist HEITEC ein kundenspezifisches Bediensystem (Human Machine Interface, HMI) inklusive Stromversorgung entwickelt, umgesetzt und kostenoptimiert gefertigt. Es kombiniert Best-Practice-Elemente aus Mechanik, Metallbearbeitung, Elektrik, Elektronik und Software mit dem variablen Aufbau des Kundensystems. Die Anwendung implementiert eine Vielzahl der State-of-the-Art-Sensoren des Kunden für unterschiedliche Verwendungszwecke, ist modular aufgebaut und beinhaltet bereits die Basis für eine global vernetzte Anwendung.

Der Kunde ist ein weltweit agierender Photonik-Konzern mit Schwerpunkt Optische Technologien. Das Unternehmen bietet unter anderem hochpräzise, berührende sowie berührungslose industrielle Messtechnik an, mit der seine Kunden ihre Fertigungsprozesse kontrollieren und optimieren können. Damit lassen sich Form, Abmessung oder Oberfläche von Werkstücken in unterschiedlichen Phasen überprüfen.

Prüfsystem und Bediensystem müssen anpassbar sein

Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Fräsen und ähnliches folgen in modernen Produktionsprozessen häufig in kurzen Abständen aufeinander. Sie hinterlassen jeweils ganz unterschiedliche Oberflächenstrukturen. Dadurch ist die Identifikation von Rissen, Kratzern oder anderen Beschädigungen in den gefertigten Teilen meist schwierig. Gerade in regulierten Märkten können aber selbst kleinste Schäden tiefgreifende Folgen haben. Deshalb kommt der Oberflächenprüfung eine besondere Bedeutung zu.

Da sich industrielle Bearbeitungsprozesse stark unterscheiden können, sind auch die Anforderungen an die Messtechnik sehr verschieden. HEITEC hat das Bediensystem nach Kundenvorgaben so konzipiert, dass es ein Höchstmaß an Flexibilität bietet. Die modulare Auslegung ermöglicht es, viele Kundenanforderungen abzudecken. Zudem ist es so später problemlos erweiterbar und lässt sich an unterschiedliche Szenarien und Anforderungen adaptieren.

Bei Bedarf auch Spezialdesigns möglich

Der Anforderungskatalog für das Bediensystem ist entsprechend umfassend: Neben den genannten notwendigen Eigenschaften wie Modularität, Kompaktheit und Robustheit stehen umfangreiche Funktionalität, eine leistungsfähige Kühlung und umfassende elektromagnetische Verträglichkeit (EMV, Emission von und Störfestigkeit gegen elektromagnetische Felder/Impulse) auf der Sollliste.

Der Workflow der Entwicklung deckt alle relevanten und notwendigen Aspekte bis hin zu Einsatz und Aftermarket ab – von der Konzeption über Elektronik, Software und Mechanik und deren Funktionsprüfung in den verschiedenen Phasen unter Beachtung aller relevanten Standards, den notwendigen Zertifizierungen und globale Verwendbarkeit. Die Entwickler ziehen frühzeitig alle Beschaffungs- und Fertigungsaspekte in Betracht. Falls notwendig, setzen sie Spezialdesigns ein. Falls möglich und sinnvoll greifen sie auf Standardauslegungen zurück.

Flexibilität und Sicherheit in der Bedienung

Bei der Beschaffung liegt das Hauptaugenmerk neben den Kosten auf einer hohen Zuverlässigkeit und erforderlichen Zertifizierungen. Ein möglichst hoher Anteil von Gleichteilen bei der Komponentenwahl soll zudem dazu beitragen, Material- und Logistikkosten zu minimieren.

Das Gesamtsystem besteht aus einer Säule mit Tastarm (im Falle paralleler Messungen aus zwei Säulen), der von HEITEC nach Vorgabe entwickelten Bedieneinheit mit integriertem Mini-PC und Embedded-Windows-Benutzeroberfläche, EtherCAT zur Direktansteuerung der Sensorik, Display, Touchscreen und zwei Joysticks zum genauen Justieren der Tastvorrichtung. Daneben gibt es eine weitere, von HEITEC entwickelte kleinere, PC-lose Fernsteuerung mit lokaler Intelligenz, die über eine Schnittstelle mit EtherCAT-Protokoll, Tastatur und Joystick verfügt sowie eine intelligente Stromversorgung, die HEITEC für diesen speziellen Anwendungsfall gemäß Lastenheft entwickelt hat.

Ein externer PC kann für Simulationen mit der Anwendung verbunden werden. Ansteuerung und Stromversorgung kann HEITEC auch direkt integrieren, so dass kein zusätzlicher Server mehr nötig ist. Eine Besonderheit des Systems ist der werkzeuglose Austausch der Tastsysteme über einen magnetischen Schnellwechseladapter: Tastarme und Tastsystem sind mit einer Magnethalterung ausgestattet und ermöglichen so ein Höchstmaß an Flexibilität in der täglichen Messpraxis.

Stationärer oder mobiler Betrieb möglich

Typischerweise werden derartige Messsysteme für Rauheits- und Konturmessaufgaben mit manuellen oder halbautomatischen Abläufen eingesetzt. Es lassen sich sowohl getrennte als auch kombinierte Rauheits- und Konturmessungen damit durchführen. Die Lösung kann wahlweise in getrennten Messabläufen arbeiten oder in einem einzigen Tastschritt messen. Der Bediener hat dabei die Wahl zwischen stationären und mobilen Bestandteilen für komplexe oder einfachere Messungen.

Das Hauptsystem mit Windows-CE-Betriebssystem führt per Messprotokoll gewählte Messprozesse durch. Bis zu acht unabhängige CNC-Achsen positionieren den Prüfling, den spezifische Fixierungen halten, in beliebigen Messpositionen. Werkstücke können automatisch identifiziert und entsprechende Daten zugeordnet werden. Die Messsysteme liefern konstant Daten in Echtzeit, um minimale Werkstücktoleranzen und die Produktion von Bauteilen in gleichbleibend hoher Qualität zu gewährleisten. Besonders eignen sich diese Messungen beispielsweise für Zylinderköpfe, Zylinderblöcke und Kurbelwellen.

Design setzt passives Wärmemanagement voraus

HEITEC entwickelt die Elektronik-Baugruppen der Bediengeräte mit einem speziellem 64-Bit-Prozessor und EtherCAT-Schnittstelle. In die Prozessorarchitektur ist die Kommunikation integriert. Die Ethernet-over-EtherCAT-Funktion erlaubt es, neben den Echtzeit-EtherCAT-Protokollen über eine Tunnel-Funktion parallel auch nicht-Echtzeit-fähigen Ethernet-Datenverkehr zu übertragen, etwa TCP/IP-Protokolle.

Für die Verdrahtung hat HEITEC spezielle Kabelbäume und integrierte Sicherheitsfunktionen konzipiert, die mit einem Sicherheits-Relais arbeiten. Da Kompaktheit ein enorm wichtiges Kriterium ist, achtet das Entwicklerteam bei der Auswahl der Baugruppen auf entsprechende Formate und optimale Aufteilung sowie Platznutzung bei der Assemblierung. Die Flexibilität reicht bis zum Einbau in die Endanwendung: Die Stromversorgung kann beispielsweise hochkant oder liegend angebracht werden. Da aus Gründen der Kompaktheit eine aktive Lüfterlösung nicht in Frage kam, war ein effizientes Wärmemanagement ein entscheidender Faktor.

Ausgeklügelter Aufbau ermöglicht zuverlässige Funktion

Vor allem beim Einbau der Stromversorgung in eine Messkabine oder einen fast vollständig geschlossenen Messtisch entsteht durch die Verlustleistung große Wärme und es herrschen leicht Systemtemperaturen von bis zu 50 Grad Celsius. Um genaue Messungen zu erreichen, ist aber eine konstante Umgebungstemperatur von 24 Grad Celsius notwendig.

Hier die Funktion des Gerätes aufrechtzuerhalten gelingt HEITEC durch entsprechende Komponentenplatzierung, ausgewählte Materialien mit guter Wärmeleitung, den Einsatz von „Wärmetrennwänden“, Lüftungsgittern in Rückwand und Bodenblechen, die für Konvektion sorgen, die Verwendung von hocheffizienten, lüfterlosen, leicht überdimensionierten Netzteilen für einen idealen Arbeitspunkt und eine intelligente Luftführung (siehe Bilderstrecke). Bei Unterbringung im Messtisch ist zudem die große Kühlauslassöffnung auf der Vorderseite zu nennen. Ihre robuste Oberfläche macht die Bedienlösung resistent gegenüber starken Beanspruchungen. Die Fernbedienungen sind mit eigens dafür entwickelten Folientastaturen versehen.

Sichere Kommunikation gefordert

Eine stabile Software-Lösung sorgt für hohe Zuverlässigkeit und sichere Kommunikationsabläufe. Auf allen Baugruppen befinden sich Prozessoren mit Schnittstellen für Bedienelemente, Anzeige und LEDs. Die Software überwacht zudem den Sicherheitsmechanismus, der durch die Notaus-Tasten in den Fernbedienungen ausgelöst werden kann. Bei Abweichungen von der Norm schaltet das System in einen Sicherheitsmodus (Fail Safe State), um Schäden am Werkstück und dem System zu verhindern und das Bedienpersonal zu schützen.

Voraussetzung für die geforderte CE-Zulassung ist elektromagnetische Verträglichkeit. Daraus ergeben sich als Systemanforderungen die Verminderung von Störaussendungen sowie die Erhöhung der Störfestigkeit. Um Interferenzen zu vermeiden, verbindet HEITEC alle Komponenten leitfähig miteinander. HEITEC führt an einem nachgebildeten Testplatz entwicklungsbegleitende EMV-Messungen durch. Dadurch stellt das Unternehmen sicher, dass der Prüfling die teuren Messtermine im Prüfinstitut erfolgreich absolviert.

Wichtige Voraussetzungen für internationalen Einsatz

Damit das System weltweit vertrieben werden kann, muss es über die CE-Zulassung hinaus auch über die UL-Prüfung, FSC- und ähnliche Zulassungen verfügen. Die Netzteile müssen darüber hinaus alle gängigen globalen Spannungen unterstützen. Mit einem einfachen Adapter ist das Messsystem nahezu überall einsatzbereit.

HEITEC bereitet Bedieneinheiten und Stromversorgung komplett für die Hauptanwendung vor. Es gelingt der Spagat zwischen Preisdruck und Qualität, Kompaktheit und Funktionalität. Aufgrund ihres modularen Designs sind die Messgeräte problemlos in eine Vielzahl bestehender Messvorrichtungen integrierbar und für verschiedenste Messaufgaben gerüstet. Kunden haben die Möglichkeit, den Messplatz bzw. die Software nach individuellen Vorgaben zu konfigurieren und erhalten damit eine schnelle, hochpräzise Lösung zur Sicherung ihrer Fertigungseffizienz und Produktqualität.

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* Stelian Genescu ist Project Manager R&D bei HEITEC Engineering S.R.L.

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