Gastvorlesung: Erfahrungen aus der Industrie. Dr. Stefan Ihmor Lenze AG Innovation-Technologies

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1 Universität Potsdam, Gastvorlesung: Erfahrungen aus der Industrie Dr. Stefan Ihmor Lenze AG Innovation-Technologies 23. Februar 2004 Referent: Nadine Fritzemeier/Jag

2 wer steht da vor Ihnen? Name: Alter: Dr. Stefan Ihmor 30 Jahre >12.06 Abitur Bundeswehr Studium: Ingenieurinformatik (Informatik mit Vertiefung E-Technik) an der Universität Paderborn Promotion an der Universität Paderborn: Modeling and Automated Synthesis of Reconfigurable Interfaces Arbeitsgruppe von Prof. Hardt (jetzt TU Chemnitz) Arbeitsgruppe von Prof. Rammig Lenze AG, Vorentwicklung (Innovation-Technologies) 2

3 Themen Vorstellung Firma Lenze Wer sind wir? Was machen wir? Aktuelles Entwicklungsprojekt Feldbusse insbesondere POWERLINK POWERLINK Managing Node Arbeiten in der Industrie Arbeitsalltag Dein Start in der Industrie Erwartungen der Industrie Einstiegsmöglichkeiten Gehälter 3

4 Themen Vorstellung Firma Lenze Wer sind wir? Was machen wir? Aktuelles Entwicklungsprojekt Feldbusse insbesondere POWERLINK POWERLINK Managing Node Arbeiten in der Industrie Arbeitsalltag Dein Start in der Industrie Erwartungen der Industrie Einstiegsmöglichkeiten Gehälter 4

5 Vorstellung Lenze Wer ist Lenze? Industrieautomatisierung Antriebstechnik Mittelständisches Unternehmen ~ 3300 Mitarbeiter weltweit Zentrale in Hameln 1947 von Hans Lenze gegründet Zahlen 2006/2007 Umsatz: 587 Millionen Euro Ergebnis vor Steuern (EBIT): 55,8 Millionen Euro Eigenkapitalquote: 59 Prozent Dr. Stefan Ihmor

6 Vorstellung Lenze Lenze Weltweit 40 Lenze Gesellschaften mit Produktion, Vertrieb, Engineering, Services Dr. Stefan Ihmor

7 Vorstellung Lenze Die Struktur der Lenze Gruppe Lenze AG Produktionsgesellschaften und Entwicklungsstandorte Lenze Drive Systems Hameln Lenze Drive Systems Shanghai, China Lenze Digitec Controls Meerbusch Schmidhauser AG, Romanshorn, Schweiz Lenze Kleinantriebe Hameln Lenze Drive Systems Ruiz, Frankreich Lenze Anlagenbau Hameln AC Tech Corporation Uxbridge, USA Lenze Deto Drive Systems Kufstein, Österreich Encoway, Bremen Vertrieb/Service Vertriebsgesellschaften in 30 Ländern Lenze Service weltweit Dr. Stefan Ihmor

8 Vorstellung Lenze Mitarbeiter nach Regionen Aufteilung der 3300 Mitarbeiter Inland: Europa: USA: Asien: (Stand: ) Dr. Stefan Ihmor

9 Vorstellung Lenze Umsatzentwicklung Umsatzentwicklung in Mio. Euro ,1 447,8 466, ,3 80,0 70,0 60, , , , , / / / / /07 10,0 0, Dr. Stefan Ihmor

10 Vorstellung Lenze Antriebs- und Automatisierungssysteme Elektromotoren Synchron oder Asynchron Setzen elektrische Energie in Bewegung um Frequenz- und Servoumrichter Leistungselektronik Antriebssteuerung Bewegungsführung Industrie PCs (IPC) SPS (PLC), CNC Benutzschnittstelle (HMI) Kommunikationssysteme Sicherheitstechnik Dr. Stefan Ihmor

11 Vorstellung Lenze Beispiel: Buchdeckenmaschine Hersteller: Spezialisierter Maschinenbau Lenze liefert die Antriebstechnik Getaktete Produktionsmaschine 65 Takte/min. ca. 10 Mio. Buchdecken / Jahr (2-Schicht) 7 synchronisierte Servoantriebe: Synchronservomotoren mit Getriebe 2 Frequenzumrichter Wickler Förderband Echtzeit-Kommunikation mit Synchronisierung CAN POWERLINK Dr. Stefan Ihmor

12 Vorstellung Lenze Leistungselektronik und Antriebssteuerung Elektromotoren im industriellen Umfeld: Drehstrommototen Leistungsspektrum bei Lenze: 400W bis 400kW Drehzahl, Drehrichtung und Drehmoment durch Pulsweitenmodulation Netz 1~/ 3~ = Spannung im Zwischenkreis u D = Strangströme Schaltersignale 3~ i S1 i S2 i S3 Motor M 3~ Gleichrichter Wechselrichter ω, ε T BLKANTR.CDR Sollwerte Signalverarbeitung Drehzahl, Lage Dr. Stefan Ihmor

13 Vorstellung Lenze Mechatronik = Mechanik + Elektronik + Informatik Information Logic (Ablaufsteuerung): PLC-Funktionen Kommunikation Bewegung Motion (Bewegungsführung): unabhängige gekoppelte koordinierte Bewegungen Drive (Antriebsregelung): U/f-Steuerung Vectorregelung Servoregelung + Auswertung Rückführsystem Wechselrichter (elektronischer Leistungssteller): IGBT-Pulswechselrichter + Gleichrichter + Bremswiderstand Rückspeisung Elektromotor (elektromechanische Energiewandlung): Asynchronmotor Synchronmotor + Rückführsystem + Bremse + Kühlung Getriebe: Stirnrad Winkel Planeten + Spindel + Zahnriemen + Kette + Informatik Elektrotechnik Maschinenbau 13

14 Vorstellung Lenze Unsere Produkte Dr. Stefan Ihmor

15 Vorstellung Lenze Baukasten für das Antriebssystem Merkmale Drehzahl Leistung Dynamik Genauigkeit Antriebslösung Interface zur Ablaufsteuerung Sicherheitsfunktionen Bausteine Getriebe Motoren Geber Leistungselektronik Steuerelektronik Antriebsregelung Bewegungsführung Kommunikationsmodul Sicherheitsmodul der Lenze-Antriebsbaukasten ermöglicht 10 8 bis 10 9 sinnvolle Kombinationen

16 Vorstellung Lenze Klassifikation der Antriebslösungen Förderantriebe Fahrantriebe Hubantriebe Positionierantriebe Koordinierte Antriebe Gleichlaufantriebe Wickelantriebe Querschneider Elektr. Kurvenscheiben Formantriebe Werkzeugantriebe Pumpen/Lüfter 16

17 Vorstellung Lenze Lenze-Fachbuch Antriebslösungen beschreibt Produktionen und deren Automatisierung die Komponenten des Antriebssystems die 12 Antriebslösungen das Engineering und den Lebenszyklus von Antriebssystemen

18 Themen Vorstellung Firma Lenze Wer sind wir? Was machen wir? Aktuelles Entwicklungsprojekt Feldbusse insbesondere POWERLINK POWERLINK Managing Node Arbeiten in der Industrie Arbeitsalltag Dein Start in der Industrie Erwartungen der Industrie Einstiegsmöglichkeiten Gehälter 18

19 Projekt: POWERLINK Managing Node Was ist ein Feldbus? Kommunikationssystem optimiert auf industrielle Bedürfnisse verbindet Feldgeräte: Steuergeräte, Sensoren und Aktuatoren Beispiele CAN (Bosch) Profibus (Siemens) Interbus (Phoenix Contact) Echtzeit-Ethernet Feldbussysteme u.a. POWERLINK (B&R, Lenze, ) PROFINET (Siemens) EtherCAT (Beckhoff) ETHERNET/IP (Rockwell Automation, USA) 19

20 Projekt: POWERLINK Managing Node Welche Echtzeit brauchen Antriebe? Klasse 4 Klasse 3 Klasse 2 Klasse 1 Gebäudetechnik, Leitebene, Lagersysteme Förderanlagen, einfache Regelungen Werkzeugmaschinen, schnelle Prozesse, Roboter Hochdynamische synchronisierte Prozesse, elektrische Welle 10s 1s langsam 100ms 10ms 1ms 100µs Reaktionszeiten / Jitter 10µs 1µs schnell Beispiel: 0,1 mm bei 600 m/min. 10 µsec 20

21 Projekt: POWERLINK Managing Node Einführung POWERLINK Ethernet-basiertes Feldbusprotokoll Konform zum Ethernet-Standard (IEEE 802.3) Ethernethardware (Phy, MAC) und Ethernetpakete Topologie: Baum, Stern und Linie Echtzeitfähigkeit durch Modifikation des Data Link Layers (OSI Modell) POWERLINK Zyklus, umgeht die dezentrale Arbitrierung (CSMA/CD) isochrone Phase Prozessdaten (PDO) asynchrone Phase Konfigurations- und Statusinformationen ein Managing Node (MN) organisiert das Netzwerk und den Ablauf des POWERLINK Zyklus bis zu 239 Controlled Nodes (CN) Busteilnehmer, kommunizieren mit MN bzw. durch direkten Querverkehr 21

22 Projekt: POWERLINK Managing Node POWERLINK Zyklus CycleTime PReq ASend SoC SoA I1 I2 I3 I7 I8 async PRes Time Slot Isochron Asynchron 22

23 Projekt: POWERLINK Managing Node Motivation Ziel: Entwicklung eines POWERLINK Managing Nodes Anwendbarkeit einfach einsetzbare Kommunikationslösung Performance beherrscht praxisrelevante Szenarien Kosten preisgünstig Grund: Bislang verfügbare Lösungen haben Schwächen verteilte Architekturen hoher Integrationsaufwand kostenoptimierte Plattform eingeschränkte Funktionalität leistungsstarke CPUs kostenintensiv Konzept: FPGA-basierte Lösung intelligente Architektur statt Rechenleistung Vorteile der FPGA Technologie gezielt einsetzen 23

24 Projekt: POWERLINK Managing Node Warum FPGA? Ausreichend Ressourcen (auch in low-cost FPGAs) FPGAs vereinen Vorteile von Prozessoren und ASICs Synergie durch enge Verzahnung von CPU und konfig. Logik HW/SW-Codesign überschaubare Entwicklungskosten kurze Time-to-Market Stückkosten Einsatz als Ausführungsplattform in Serienprodukten Performance Kosten Rekonfigurierbarkeit Realisierung verschiedener Funktionalität bei gleicher HW ein Kommunikationsmodul für diverse Ethernet-Protokolle Wiederverwendbarkeit Skalierbarkeit Zukunftssicherheit Anwendbarkeit 24

25 Projekt: POWERLINK Managing Node Anforderungen Design Wiederverwendbarkeit Black Box Lösung eigenständige, voll funktionsfähige Einheit unabhängig vom Host (Steuerung, Feldgerät) standardisierte Schnittstellen zum Host (PCI, SPI) einfache Integration durch Kunden vereinfacht den Aufbau von Kommunikationsmodulen Skalierbarkeit Funktionalität (MN / CN) Performance (#PDO, #CN) FPGA Ressourcen Auswahl FPGA skalierbare Kosten 25

26 Projekt: POWERLINK Managing Node Anforderungen Szenarien Sieben praxisrelevante Szenarien zur Verifikation des Leistungsumfangs (Dies sind nicht die maximal möglichen POWERLINK Szenarien) 7 ausgewählte praxisrelevante Szenarien zum Vergleich: POWERLINK Vollausbau 26 Anzahl CN = #Timeslots non-multiplexed mode 239 multiplexed mode

27 Projekt: POWERLINK Managing Node Architektur FPGA Design FPGA Externer Speicher (RAM) Host Stack CPU IXXAT POWERLINK Stack Stack & LLC CPU Befehle + Daten Anwendung LLC CPU Hardware Beschl. LLC API POWERLINK Cycle FSM RX RX Buffer LLC HAL Kopierbefehle Kopiereinheit TX Befehle + Daten PDO PDO Speicherschnittstelle ZBT-RAM Eth. Frames/Header + Timeout Werte + Fehlerzähler PDO Mapping Information Prozessdatenabbild (PDO Speicher) Prozessdatenabbild (PDO Speicher) PCI, SPI, etc. FIFO MAC FIFO HUB FPGA intern oder extern: PCI, SPI, etc. Host Kommunikation 27 Phy Phy LLC: Lower Layer Control

28 Projekt: POWERLINK Managing Node Architektur FPGA Design Zweiprozessordesign mit Hardwarebeschleunigung Hardwarebeschleunigung Zeitsteuerung (Verwaltung der Sendezeit, Timestamping) on-the-fly Dekodierung eingehender Ethernet Pakete PDO Mapping ausgeführt durch Kopiereinheiten verarbeiten Copy Jobs, die von der Cycle FSM erteilt werden bytegenaue, parallel arbeitender DMA Controller TX Copy Unit, RX Copy Unit und Repair Unit garantierte Bandbreite >10MByte/s (Fast Ethernet = 100MBit/s) PDO gehen an der Stack CPU vorbei Reparieren defekter PDO oder ausgefallener Pakete durch bytegenaues Umkopieren im Double Buffer durch Repair Unit 28

29 Projekt: POWERLINK Managing Node 29

30 Projekt: POWERLINK Managing Node Interaktion LLC CPU Hardware Beschleunigung FPGA LLC CPU RX Copy Job Dispatcher LLC API TX Copy Job Dispatcher Speicherschnittstelle ZBT-RAM Befehle + Daten Bandbreite: 125 MByte/s PDO + Copy Instructions (CI) Copy Ports Arbiter RX CJ Copy Job Buffer TX CJ RX CU CI Fetch TX CU CI Fetch Repair CU CI Fetch CI Fetch POWERLINK Cycle FSM LLC HAL CI CI CI CI Send Time Time TX Start RX Eth. Header Buffer RX Execute 3k RX TX Execute TX TX Execute MByte/s RX Execute Rep RX Start Time Ctrl Unit MAC HUB FPGA Hardware Beschleunigung 30 Phy Phy

31 Projekt: POWERLINK Managing Node Speicheranbindung Speicherschnittstelle nur ein externer Speicherbaustein nötig (Zero Bus Turnaround, SRAM) garantiert die erforderliche Bandbreite (in Summe max. 500 MByte/s) Bandbreite auf maximale Anforderung von POWERLINK ausgelegt B HwAcc Eth. 12,5 MByte/s * 2 Worte/PDO-Byte * 4 Byte-Wort/PDO-Byte * P eff FPGA Design EP2C20 Design kompilierbar, ~4000 freie LE von System läuft mit 62.5MHz, ZBT-RAM arbeitet mit 125MHz 31

32 Projekt: POWERLINK Managing Node Echtzeitverhalten Echtzeit bedeutet Vorhersagbarkeit (deterministisches Verhalten) Echtzeitfähigkeit ist eine inhärente Eigenschaft der entwickelten Architektur Die Menge der PDO und die Anzahl der Powerlink-Knoten hat keinen Einfluss auf die Echtzeitfähigkeit Software (LLC CPU) 12 kbyte im externen RAM, kein D-Cache Polling-Betrieb ohne Interrupts Laufzeitmessung Worst Case Execution Time 200 µs Zykluszeiten möglich Hardware Zeitsteuerung taktgenaues Versenden des SoC Pakets (25MHz) minimaler Jitter Kopiereinheit / Memory Interface deterministisches PDO-Mapping aufgrund garantierter Bandbreite 32

33 Projekt: POWERLINK Managing Node MN Szenarien bei vorgegebener Speichergröße, PDO = f(cn, Map) Querverkehr von 100% CN lese 100% PDO PDO / Bytes pro CN Stack Nios 300 kbyte 400 kbyte 500 kbyte 600 kbyte Implementierung Tagungsband 6 PDO-Mapping byteweise Asyn. Pakete 1514 Byte Szenarien No. CN PDO Anzahl CN

34 Projekt: POWERLINK Managing Node IXXAT POWERLINK PCI Karte FPGA: Speicher: Protokollstack: Altera, Cyclone II / Cyclone III Zero Bus Turnaround (ZBT), Synchrones SRAM, 2 MByte IXXAT Powerlink Stack, Altera Triple Speed Ethernet MAC 34

35 Themen Vorstellung Firma Lenze Wer sind wir? Was machen wir? Aktuelles Entwicklungsprojekt Feldbusse insbesondere POWERLINK POWERLINK Managing Node Arbeiten in der Industrie Arbeitsalltag Dein Start in der Industrie Erwartungen der Industrie Einstiegsmöglichkeiten Gehälter 35

36 Arbeiten in der Industrie Arbeitsalltag Vertrauensarbeitszeit oder Stempeln Koordination von Meetings und Eigenkontrolle über Outlook Kalender Beispiel: 2008, KW 3 36

37 Arbeiten in der Industrie Übersicht Arbeitszeiten 2007 Allg/Büroarbeit Allg/Fahrzeit Allg/Krankheit Ext/Lieferanten Ext/Messe Ext/Universitäten Int/LDC Int/LDS-Entwicklung Int/Lenze-Deto Int/Mitarbeitergespräch Int/Organisation Int/Organisation;Proj/IN-T Plattform Antriebsregler Int/Schulung Proj/IN-T Plattform Antriebsregler Arbeitsstunden gesamt Stunden/Arbeitstag 222,50 Stunden/Monat 79,5 139,0 0,5 13,5 103,5 37,5 5,0 4,0 9,0 6,0 13,0 13,0 78,5 1555,5 2057,50 9,25 46,24 37

38 Arbeiten in der Industrie Von der Hochschule in die Industrie Praxisorientiert den Berufsweg vorbereiten und bereits während des Studiums Erfahrungen sammeln: Praktika im In- und Ausland Diplomarbeit (bzw. Bachelor- oder Masterarbeit) Training-on-the-Job als Werkspraktikant Monatliche Vergütung bei Lenze Praktikanten im Grundstudium: 310 Praktikanten im Hauptstudium: 620 Diplomanden: max Prämie Werkspraktikanten: 400 Möglichkeiten zur Netzwerkbildung Interkultureller und Interdisziplinärer Austausch 38

39 Arbeiten in der Industrie Die Bewerbung Bewerbung als Bewerbungsmappe bzw. online Anschreiben, Tabellarischer Lebenslauf, Lichtbild Zeugnisse Abitur Vordiplom bzw. Bachelorstudium Abschluss bzw. vorläufiger Notenspiegel Zeugnisse über Praktika Zeugnisse über Tätigkeiten während des Studiums Vermeidbare Fehler Sprachliche Fehler (auch wenn nicht Muttersprache) Unklare oder unverständliche Angaben Aus der Masse der Bewerber hervorragen folgende Frage darf nicht unbeantwortet bleiben: Warum sollte die Firma ausgerechnet mich einstellen?! 39

40 Arbeiten in der Industrie Der richtige Abschluss?! {FH, Uni} x {Diplon, Bachelor, Master} + Doktortitel Bachelor- / Master-Abschlüsse Unsicherheit seitens der Industrie Geringe Vergleichbarkeit Einordnung schwierig Dipl.-Ing. war weltweit anerkannt Industrie bevorzugt im Ingenieurbereich den Master, da vergleichbar zum Dipl.-Ing. Im Vergleich zu den Ingenieurwissenschaften hat die Berufserfahrung bei der Informatik einen noch höheren Stellenwert als der Titel Berufserfahrung und Leistung ist entscheidender als der Titel bei der Entwicklung der Gehälter Titel jedoch entscheidend für Einstiegsgehalt 40

41 Arbeiten in der Industrie Soft Skills Team-, Kommunikationsfähigkeit Analytisches Denken, Kreativität Selbstständiges und eigenverantwortliches Arbeiten Offenheit, sicheres Auftreten Zeitmanagement konfliktfähig, Motivation Interessante Quellen c t VDI Nachrichten Jobbörsen: Monster, Stepstone, etc. 41

42 Arbeiten in der Industrie Entwicklungsmöglichkeiten Projektarbeit/ -leitung Führungsverantwortung Spezialist (fachlich, technologisch) Aktive Personalentwicklung Weiterbildungsprogramme berufsbegleitende Schulungen und Seminare z.b. Projekt- und Teammanagement, Methodenkompetenz, Soziale Kompetenz, Persönlichkeitstrainings, Sprachen, IT-Trainings, Recht, Gesundheit Auslandseinsätze 42

43 Endspurt Sie sind jederzeit herzlich Willkommen bei Lenze! vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Stefan Ihmor Lenze AG, Innovation-Technologies weitere Informationen und Kontakt: Mareile Demuth 43