New machines for the innovation-driven electronics industry have to be developed and put into operation very quickly. Chinese company Bozhon has joined forces with Siemens to do just that.

Streaming the latest episode of your favorite TV series on the train is no longer a vision of the future, it’s a daily reality. The latest apparel, books, or even food: Today nearly everything can be purchased with a tap of your finger on your smartphone. Consumers expect new products to be delivered at once, to be of the highest quality, and include the most recent technology. That goes for smartphones, too: users expect them to constantly have the very latest technology, and frequently buy a new replacement model after just a short period of time.

A secretive industry with short production cycles
If companies in the high-tech and electronics industry want to meet the strong competitive pressures, they have to keep their innovation and production cycles as short as possible in order to bring out new products faster than their competitors. It is also important to keep the competition from learning about your operations, because every detail about the machines used allows conclusions to be drawn about production. The short product and innovation cycles in the electronics industry also place a tremendous amount of time pressure on machine manufacturers. They are expected to deliver high-precision machines for manufacturing the new models – and they have to do so as quickly as possible while maintaining absolute secrecy. Fast engineering is required, as are fault-free machines. One company that can hold its own in this difficult market and is highly familiar with challenges faced by its customers is Chinese machine manufacturer Bozhon Precision Industry Technology Co.Ltd. Bozhon worked with Siemens on one of its many current projects that included the development of a digital twin.

The project Bozhon and Siemens had in mind sounded a little unusual at first: In the lead-up to the Hannover Messe, in Germany Siemens created a digital twin for a machine that was being manufactured concurrently in China. It involved an assembly cell with robot arms, and it was used at the trade show to demonstrate how the front and back of a cell phone housing are joined together.

Faster time-to-market with a digital twin (@siemens)

Virtual commissioning saves a great deal of time
Bozhon’s objective: to achieve up to 30% in time savings by improving engineering efficiency accelerate the development, delivery, and commissioning of new machines at the customer site. To simulate the desired end product, a virtual 3D model of the planned machine was created, including an interface with the open, cloud-based IoT operating system MindSphere. This enabled data to be recorded and analyzed during subsequent operations and in this way to facilitate actions such as predictive maintenance and power optimization.

The digital twin was a fully detailed representation of the actual prospective machine that would allow its sequences of movement to be simulated. The outcome: the entire value chain was comprehensively represented, tested, and optimized in digital form, from product design through planning and designing the machine itself, all the way to the production process and performance. For Bozhon the development of a digital twin was the right course to pursue, as Karl Chen, CMO of Bozhon, explains: “The development of a digital twin enabled us to meet the demand for simulations. We expect digital twins to include more functions in the future and therefore further enhance companies’ long-term competitiveness.”

While the developers were working step-by-step to simulate the machine using the digital twin while also completing a virtual commissioning process, the real machine was being manufactured at the same time in China. Fast development and commissioning of machines creates a crucial advantage for machine manufacturers in their race against the competition – and the digital twin puts them a step ahead.

The digital twin has long since established itself in industry, where it’s revolutionizing processes along the entire value chain. As a virtual representation of a product, production process, or performance, it enables the individual process stages to be seamlessly linked. This creates a consistent improvement in efficiency, minimizes failure rates, shortens development cycles, and opens up new business opportunities: In other words, it creates a lasting competitive edge.

The foundations of Industry 4.0
For these very reasons, IT analysis and market research institute Gartner expects half of all major industrial companies to be using digital twins by 2021, increasing their effectiveness by ten percent (link to the whole study can be found in the related link section). To leverage the full potential of the digital twin, however, real systems in the future don’t just need to be networked with each other: They also need to develop the ability to “think” and act autonomously. Development is trending in the direction of artificial intelligence, from simple mutual perception and interaction to communication and independent optimization. This also requires integrated information systems that permit a continuous exchange of information.

Developing digital twins calls for powerful software systems that can implement them along the whole value chain – for planning and designing products, machines, and plants and operating products and production systems. This allows users to act much more flexibly and efficiently and to customize their manufacturing.

A lean team of young engineers at Electra Meccanica designed, simulated, and manufactured its new electric car in only two years, thanks to the digital twin (@siemens)

Overview of benefits
The digital twin of the product is created as early as the definition and design stage of a planned product. This allows engineers to simulate and validate product properties depending on the respective requirements: for example, is the product stable, and is it intuitive to use? Does the car bodywork offer the lowest possible air resistance? Do the electronics operate reliably? Whether it involves mechanics, electronics, software, or system performance, the digital twin can be used to test and optimize all of these elements in advance.
The same applies to the digital twin of production. It involves every aspect, from the machines and plant controllers to entire production lines in the virtual environment. This simulation process can be used to optimize production in advance with PLC code generation and virtual commissioning. As a result, sources of error or failure can be identified and prevented before actual operation begins. This saves time and lays the groundwork for customized mass production, because even highly complex production routes can be calculated, tested, and programmed with minimal cost and effort in a very short time.

In turn, the digital twin of performance is constantly fed with operational data from products or the production plant. This allows information like status data from machines and energy consumption data from manufacturing systems to be constantly monitored. In turn, this makes it possible to perform predictive maintenance to prevent downtime and optimize energy consumption. And some companies use data-driven services to develop new business models, as shown in the example of mechanical engineering firm Heller. At the same time, data-driven knowledge about systems like MindSphere – the open, Cloud-based IoT operating system from Siemens – can be fed back into the entire value chain all the way to the product system. This generates a completely closed decision-making loop for the continuous optimization process.

Virtual commissioning saves a great deal of time for the chinese electronics company Bozhon (@siemens)

Comprehensive range of products and services
The Siemens Digital Enterprise Suite offers perfectly coordinated and integrated software and automation solutions to create a comprehensive approach: A central data platform is used to digitalize industry’s entire value-added process. Intelligent industrial communication networks provide for simple data exchanges within the different production modules and collect operational data on an ongoing basis.

The Defense-in-Depth strategy from Siemens ensures that companies are positioned to deal with growing industrial security requirements, and that industrial plants are effectively protected from both internal and external attacks. Standard-compliant security mechanisms – from password protection to continuous security monitoring – provide reliable and customized protection for the digital factory.

MindSphere also serves as a platform for developing new digital business models for industrial companies, and it completes the Siemens portfolio of data-driven digital services for the industrial environment. It offers state-of-the-art security functions for data acquisition in the field and for transferring and storing this data in the cloud.

Initial achievements
With the Siemens Digital Enterprise Suite, customers can begin investing today in future-proof solutions for the step-by-step implementation of Industrie 4.0. For example, special-purpose machine manufacturer Bausch + Ströbel uses digitalization as a key to consistency in its engineering. The company is expecting an increase in efficiency of at least 30 percent by 2020 thanks to the time saved during engineering alone.

Likewise, Schunk – the world market leader in clamping technology and gripping systems – is already using digitalization solutions for its electrically controlled gripping system components. This new engineering process will lead to significantly shorter project timelines, faster commissioning, and a substantial increase in efficiency when building similar plants.

Bausch + Ströbel plans to make engineering at least 30 percent more efficient by 2020 (@siemens)

On every level
Networking machines with each other and with higher-level systems enables resources and production data to be centrally managed. This ensures cost benefits in procurement and operation, – meaning that order data is available throughout the entire company, and it’s possible to identify optimal strategies for allocating orders to the various production sites within the organization. In addition, material stock, logistics processes, and tool availability can be seen at a glance and efficiently coordinated.

Thanks to improved documentation of manufacturing processes and production parameters, the potential offered by the digital twin in the area of quality management is just as exciting. If manufacturers know exactly what component has been installed, with what features, in what products, and how it was installed, they can provide a targeted response to potential problems and optimize their processes. In its Simatic production facility in Amberg, Germany, Siemens is already using a comprehensive documentation and evaluation system and has achieved an extremely low error rate in production.

And in the process industry, too, the digital twin is ensuring greater efficiency and productivity: With the step from Integrated Engineering to Integrated Operations, Siemens enables companies in the process industry to build a comprehensive data model from plant engineering to operation. In this field as well, digitalization ensures a shorter time to market, greater flexibility, and increased efficiency. This gives companies the opportunity to respond successfully to the volatility and diversity of global markets and to increase their productivity as well as energy and resource efficiency.

IO-Link 기술이 적용된 Festo 자동화 기술

표준화된 IO-Link 기술은 센서 및 액추에이터의 심플하고 경제적인 연결을 지원한다. 3 ~ 5 개의 배선을 가진 이 저비용 연결 기술은 혁신적인 개발 결과로, 복잡한 배선없이 최소한의 자재로 점대점 연결을 실현한다.
IO-Link는 새로운 형태의 버스 시스템은 아니지만 필드 버스, 이더넷 시스템을 대체하기 위한 새로운 종류의 통신 인터페이스로 추가 개발되었다.

이 기능을 사용하면 제어 시스템에서 센서 또는 액추에이터의 파라미터 데이터를 다운로드 할 수 있을 뿐만 아니라 진단 데이터를 제어 시스템에 전송할 수도 있다. 기존에는 제일 하위 레벨을 필드버스 인터페이스 통합하기 위해서 매우 많은 비용이 들었지만 이제는 디지털 또는 아날로그 값과 모든 파라미터 및 진단 데이터를 케이블의 스크리닝, 트위스트, 임피던스 또는 종단 저항 추가와 같은 특별한 작업 없이도 심플한 3선 또는 5선 케이블로 전송할 수 있다.

O-Link: 컨트롤러, 밸브 터미널, 비례 제어 밸브 및 센서를 통해 Festo는 완벽한 범위의 IO-Link 자동화 기술을 제공한다.

필드버스와 IO-Link 슬레이브 간의 게이트웨이는 일반적으로 여러 IO-Link 마스터 채널이 있는 필드버스 디바이스 형태로 제공된다. 사이즈 때문에 필드버스가 필요하지 않은 소형 머신 또는 시스템에서는 PLC가 IO-Link 마스터 역할을 한다.

보안 강화

IO-Link는 아날로그, 바이너리 및 직렬 통신 장치에 대한 보안 연결을 제공한다. 자동차 BIW 제조 및 어셈블리 현장의 작업자 보호를 위한 안전 펜스, 중장비 건설 및 머신 툴에서, 매뉴얼 워크 스테이션, 어셈블리 셀, 입/출력 스테이션 등과 같은 복잡한 센서 기술 및 터미널이 적용된 곳에서 전형적인 IO-Link 어플리케이션을 찾아볼 수 있다.

미래 연결 컨셉을 지원하는 IO-Link는 표준화된 프로토콜이기 때문에 낮은 투자 리스크를 가진다. 그 결과 장비 다운타임이 줄어들고 생산성이 향상된다. 디바이스와 마스터 시스템 간의 진단 및 운영 데이터의 포괄적인 데이터 교환은 문제 해결을 가속화시키고 상태 모니터링 시스템의 기초를 형성한다.

업무 단순화를 통한 효율성 증가

IO-Link는 설치 및 배선을 위한 균일하고 표준화 된 효율적인 기술이다. IO-Link 디바이스는 간단하고 편리하게 파라미터화할 수 있으며, 엔지니어링 소프트웨어 툴없이 교체 직후에 바로 작동 상태로 되돌릴 수 있다.

IO-Link 마스터를 통해 지능형 센서 및 액추에이터의파라미터를 쉽게 설정하고 재할당 할 수 있다. IO-Link를 통한 복잡하지 않고 표준화된 센서-액추에이터 조합의 배선은 자재 비용을 절감하고, 물류의 단순화가 가능해지며 시간을 절약할 수 있게 된다. 이로 인해 설치를 훨씬 편리하게 할 수 있다.

전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

향상된 경쟁력

Festo라는 단일 공급원을 통해 다양한 마스터, 압력 및 유량 센서, 변위 엔코더/위치 센서, 5 개 밸브 터미널 시리즈, 비례 압력 제어 밸브, 스텝 모터 컨트롤러 및 연결 케이블과 같이 IO-Link를 위한 포괄적인 제품 제공이 가능하다. 또한 Festo는 공장 자동화 및 프로세스 오토메이션에 대한 풍부한 어플리케이션과 산업 종사자를 위한 기본 및 심화 교육을 제공한다.

IO-Link 마스터와 CECC/CPX-E 컨트롤러

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하며, 전기 및 공압 드라이브를 제어한다. 이 소형 컨트롤러는 지능형 센서 및 밸브 터미널의 설치 및 네트워크 비용을 줄여 줄뿐만 아니라, 제어 캐비닛 내부 및 외부의 유용한 진단 옵션을 제공한다.

Festo는 크고 복잡한 어플리케이션을 위한 모듈형 모션 컨트롤러인 CPX-E를 제공한다. I/O 모듈은 모듈 당 4 개의 IO-Link 마스터를 사용할 수 있다. CPX-E는 EtherCAT® 마스터가 장착되어 있으며 독립형 CoDeSys 컨트롤러로 사용하거나 PROFINET 또는 EtherNet/IP 네트워크로 서브 시스템 및 슬레이브를 통합할 수 있다.

CPX 터미널

리모트 I/O로 사용하거나 밸브 터미널 MPA 또는 VTSA와 함께 사용하면 IO-Link 디바이스에 하나 이상의 마스터 인터페이스를 통합 할 수 있다. 기능 통합 덕분에 공압 및 전기 드라이브를 제어하는 것이 CPX 터미널에서 매우 용이하다. PROFINET 또는 Sercos 지원 CPX 터미널은 2 채널 IO-Link의 I-Port 인터페이스를 갖추고 있다. 따라서 개별 IO-Link 타사 디바이스를 밸브 터미널의 근접한 곳에 바로 연결할 수 있다.

밸브 터미널

MPA-L, VTUG, VTUB, VTOC 또는 기존 CPV와 같은 밸브 터미널과 비교하여 경제적이며 효율적인 설치가 가능하다. 밸브 터미널용 멀티 핀 연결 케이블은 표준 M12 케이블과 IO-Link로 대체된다. 이렇게 하면 자재 비용이 절감되고 특히 유연하고 쉬운 설치, 특히 까다로운 작업 조건에 대한 적응과 같은 기술적 장점을 제공한다.

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하다.

전기 자동화

구성 및 진단을 위한 통합 웹 서버가 있는 모터 컨트롤러 CMMO-ST도 IO-Link 인터페이스를 지원한다. CMMO-ST는 스텝 모터를 위한 폐 루프 서보 컨트롤러이며 Festo의 OMS (Optimized Motion Series)의 중요한 부분이다. OMS 시스템은 포지셔닝을 매우 쉽게 만든다. 전기 실린더 EPCO, 서보 기능이 있는 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블은 기존의 전기 위치 제어 시스템보다 훨씬 저렴하다.

EPCO가 있는 Festo의 OMS는 두 가지 방법으로 구성할 수 있다. 웹 구성 및 서버의 파라미터 클라우드를 사용하여 매우 간단하고 빠른 구성을 할 수 있다. 컨트롤러는 자체 IP 주소를 가지며 사전 정의 및 테스트 된 조합에 필요한 모든 데이터가 포함된 카탈로그가 제공된다. 즉, 사용자가 많은 시간을 절약 할 수 있다.

비례 압력 제어 밸브 VPPM

IO-Link에 연결된 비례 제어 밸브 VPPM은 차폐된 아날로그 케이블이 필요하지 않아 신호 레벨이 간섭을 받을 확률이 감소된다. 파라미터는 IO-Link 마스터에서 설정되고 데이터가 저장된다. 이는 실용적이며 부품을 교체한 후 바로 재시작 할 수 있다. IO-Link는 점대점 연결 덕분에 짧은 사이클 시간이 가능하다. 압력 제어, 테스트, 미터링, 프레스 및 피팅 어플리케이션은 주로 특수 기계, 식품 및 음료, 인쇄 및 종이, 자동차 및 전자 산업에서 적용된다.

위치 센서 SDAT

IO-Link의 균일한 인터페이스는 개별 센서 연결을 대체하므로 복잡한 센서를 쉽게 통합할 수 있다. 즉, 위치 센서 SDAT 및 파라미터화 가능한 압력 및 유량 센서를 통합하여 저렴한 비용으로 설치할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서 SDAT는 스크루 드라이빙, 리벳팅, 초음파 용접, 가압 및 클램핑을 위한 프로세스 모니터링에서부터 물체 감지에 이르기 까지 높은 반복 정밀도로 피스톤 위치를 감지한다. [제공. 훼스토]

더 자세한 내용보기 http://www.festo.com/cms/en-gb_gb/15646.htm