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Industrie 4.0

Antriebstechnik lernt denken für Industrie 4.0

| Autor: Stefanie Michel

Eine intelligente Fabrik braucht intelligente Antriebskomponenten, wie die mit dem Smart Sensor ausgestatteten Niederspannungsmotoren. Damit ist eine Zustandsanalyse möglich, die auch dazu genutzt werden kann, Elektromotoren optimal zu betreiben.
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Eine intelligente Fabrik braucht intelligente Antriebskomponenten, wie die mit dem Smart Sensor ausgestatteten Niederspannungsmotoren. Damit ist eine Zustandsanalyse möglich, die auch dazu genutzt werden kann, Elektromotoren optimal zu betreiben. (Bild: ABB)

Wenn sich in der Fertigung etwas bewegt, dann steckt Antriebstechnik drin. Soll sich in einer Industrie-4.0-nahen Fertigung etwas bewegen, dann müssen auch die Antriebskomponenten intelligent sein – ein Trend, der sich gerade in diesem Jahr sehr dynamisch entwickelt hat.

Die Themen Intelligenz, Industrie 4.0, Machine Learning und Big Data geistern durch alle Bereiche der Industrie – die Antriebstechnik ist davon nicht ausgeschlossen. Schon im Vorfeld der Hannover Messe wurde deutlich, dass einer der Trends in der Antriebstechnik in diesem Jahr die Intelligenz einzelner Komponenten sein wird. Ein Grund: Sensorik wird immer günstiger und spielt somit keine kostenrelevante Rolle, wenn man sie in Komponenten nutzen will. Die Möglichkeiten, die sich daraus ergeben – angefangen von Predictive Maintenance bis hin zu neuen Service-Angeboten für die Anwender –, sind zahlreich und werden in den nächsten Jahren sicherlich noch steigen.

Intelligenter Kunststoff warnt vor Ausfall

Auf der Hannover Messe waren bereits Modelle und fertige Lösungen zu sehen. So zeigte beispielsweise Igus, wie man Hochleistungs-Kunststoffe durch integrierte Sensoren fit macht für die Fabrik der Zukunft. Die vernetzten „Smart Plastics“ sollen die Möglichkeiten zu vorausschauender Wartung, der sogenannten Predictive Maintenance, erweitern und so die Anlagenverfügbarkeit des Kunden erhöhen. „Ganz gleich, ob es sich nun um die intelligente Drylin-Linearführung, die intelligente Energiekette oder die intelligente Leitung handelt, die integrierten Sensoren überwachen die Produkte und warnen rechtzeitig vor einem Ausfall“, so Harald Nehring, Prokurist E-Kettensysteme bei Igus.

Das Unternehmen hat in diesem Zusammenhang die Isense-Produktfamilie ins Leben gerufen, die unterschiedliche Sensoren und Überwachungsmodule umfasst. Diese erfassen im laufenden Betrieb den Verschleiß und geben Alarm, sobald eine Reparatur oder ein Austausch erforderlich ist. Über das Igus-Communication-Modul (Icom) lässt sich das System in die unternehmensweite Infrastruktur integrieren. Damit würden Szenarien, wie eine kontinuierliche Überwachung oder das automatische Auslösen von Wartungsarbeiten, einfach realisierbar.

Wissen, wie es dem Elektromotor geht

Die intelligente Linearführung „Smart Drylin“ überwacht selbstständig ihre Nutzung. Erkennt das intelligente Sensormodul Isense, dass mit einem Ausfall aufgrund von Verschleiß zu rechnen ist, wird der Betreiber automatisch informiert. So sollen die Anlagenverfügbarkeit steigen und Wartungskosten sinken.

Ähnliche Ziele setzt sich ABB mit dem Smart Sensor für Niederspannungsmotoren, der in diesem Jahr vorgestellt wurde. Dieser kostengünstige Sensor kann einfach, ohne Verdrahtung herstellerunabhängig an vorhandenen Motoren angebracht werden und misst dann regelmäßig wichtige Motorzustandsparameter wie Temperatur oder Vibration. Über eine integrierte Kommunikationsschnittstelle überträgt er die Daten drahtlos auf ein Smartphone oder Tablet, mit dem Kunden jederzeit den Zustand einzelner Motoren überprüfen können und auch benachrichtigt werden, wenn eine Anomalie erkannt wurde.

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Die Zustandsanalyse, die der Anwender erhält, bietet aber noch mehr Potenzial. Erstmals ist dadurch eine Fernüberwachung einer großen Anzahl von Niederspannungsmotoren und ein darauf basierendes Flottenmanagement möglich. „Die meisten der heute eingesetzten Millionen von Elektromotoren werden gar nicht gewartet, das macht mit den derzeit verfügbaren Technologien auch wirtschaftlich gar keinen Sinn“, erklärt Jonas Spoorendonk, Local Unit Business Manager Motors & Generators bei ABB in Deutschland. Warum aber jetzt? Weil eine schlechte Auslastung der Motoren zu hohem Energieverbrauch und Störungen zu teuren Ausfällen führen. Eine regelmäßige Wartung würde die Energieeffizienz der Motoren erhöhen. Die wird aber aufgrund der bekannten Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Motoren vernachlässigt. Spoorendonk ist sich sicher, dass es noch immer sehr viel Luft nach oben gibt, bis alle Elektromotoren optimal betrieben werden. „Wenn man die Möglichkeit hätte, für Millionen von Motoren kostengünstig eine Zustandsanalyse zu machen, dann würden die Anlagenbetreiber ganz viel Geld sparen.“

Die speziell entwickelte Software zur Datenanalyse basiert auf der Erfahrung und dem Know-how von ABB in der Motortechnologie. Über ein Gateway können die Daten einer großen Anzahl von Motoren gesammelt, an einen Cloud-basierten Server übertragen und dort analysiert werden.

Umrichter analysiert das Antriebssystem

Auch Nord Drivesystems stellte einen sich selbst überwachenden Antrieb vor, doch hier wird der Frequenz­umrichter mit integrierter SPS eingesetzt. Er überwacht das Antriebssystem, wertet die Sensordaten aus und bewertet den Systemzustand. Schwingungssensoren und Ölsensoren liefern dazu wichtige Daten über den Verschleiß. Die Schwingungsanalyse erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand der Lager und der Verzahnung und über die Ölanalyse lässt sich feststellen, wann ein Wechsel des Schmierstoffs nötig ist.

Anhand des Funktionsmodell „Virtuelle Sensorik“ zeigt der Hersteller aber auch, dass für eine Vorhersage keine externe Sensorik nötig ist: Der Umrichter sammelt die Prozessdaten des Antriebssystems und errechnet mit einem Algorithmus, in den auch Produktdaten und Erfahrungswerte einfließen, den Wartungszeitpunkt. Um den realen Antriebszustand möglichst realistisch abzubilden, hat Nord die Berechnungen mit Laborwerten abgeglichen und den Algorithmus angepasst. Diese Software-Diagnostikfunktionen sind eine effiziente Lösung, die sich auch für kleine Antriebsgrößen eignet. Diese neuen Umrichterfunktion versprechen längere Standzeiten, eine verbesserte Verfügbarkeit und geringere Wartungskosten.

Kompletten Antriebsstrang überwachen

Schaeffler stellte auf der Hannover Messe ein Konzept vor, bei dem eigentlich auch nur eine Komponente überwacht wird: das Wälzlager. Doch das ist so relevant für den kompletten Antriebsstrang, dass man auf Basis der aufgenommenen Daten das ganze System überwachen kann. Anhand eines konventionellen, vernetzten Antriebs mit Getriebe stellte das Unternehmen Smart Services vor, das auch hier den Anwender bei der Instandhaltung unterstützten soll.

Die an den Sensoren aufgenommenen Daten werden in eine Cloud geschickt und dort automatisch analysiert und intelligent ausgewertet. Um dem Anwender auch qualifizierte Aussagen zu übermitteln, besitzt diese Auswertesoftware zum einen eine Schnittstelle zum Berechnungsprogramm Bearinx, zum anderen ist das Fachwissen von Schaeffler rund um das Verhalten von Lagern eingebunden. Der Anwender erhält dann als Ergebnis eine klare Information, wie „kein Schaden“ oder „Ausrichtschaden“ und kann danach seine Instandhaltung planen. Hans-Willi Keßler, Leiter Service Products bei Schaeffler: „Wir zeigen hier im Kleinen ein System, das dem Anwender schon Hinweise gibt – zum Beispiel dass er nach der Ausrichtung schauen soll. In Zukunft wird eine solche Aussage noch viel genauer werden.“

Restlaufzeit der Wälzlager berechnen

Einen Schritt weiter geht die . Anhand der tatsächlichen Lastkollektive und Umgebungsbedingungen – die Daten beispielsweise zu Last, Drehzahl und vielen weiteren Parametern werden zyklisch im Betrieb erhoben – wird mithilfe von Bearinx in der Cloud jeweils eine nominelle Lebensdauer berechnet, aus der sich nach Abzug der tatsächlichen Betriebszeit eine neue nominelle Lagerrestlaufzeit ergibt. Diese erhält der Anwender aus der Softwareplattform direkt auf sein internetfähiges Endgerät.

„Diese Restlaufzeit ist wiederum ausschlaggebend für die Maschinen, sodass ich dann die Instandhaltung genauer planen kann: Ich weiß, ich habe statistisch gesehen nur noch eine bestimmte Restlaufzeit. Das heißt, ich muss zu einem bestimmten Zeitpunkt die Lager wechseln und kann bis dahin meine Produktion so planen, dass ich den Stillstand auffangen kann“, erklärt Keßler.

Restlaufzeit der Wälzlager berechnen

Predictive Maintenance

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Solche sensorbasierten Überwachungssysteme sollen in Zukunft auch als „Industrie-4.0-Kit“ zum Nachrüsten für bestehende Maschinen angeboten werden. Dafür müssen allerdings noch einige Schritte im Vorfeld umgesetzt werden: Zum einen muss es möglich sein, vorhandene analoge Sensorik einzubinden, zum andern sind „Industrie-4.0-taugliche“ Komponenten nachzurüsten, wie beispielsweise mit Sensoren ausgestattete Linearführungen oder Schwingungsmesssysteme.

Die Entwicklung hin zu intelligenten Antriebskomponenten ist rasant. Im letzten Jahr hatte Mayr Antriebstechnik beispielsweise schon ein Bremsenansteuermodul vorgestellt, das Sicherheitsbremsen nicht nur bestromen, sondern auch sensorlos überwachen kann. Dieser Roba-brake-checker erkennt den Schaltzustand des Aktors sowie Verschleiß der Bremsbeläge und detektiert damit sicherheitskritische Zustände vor ihrem Eintritt. Mögliche Veränderungen beim Bremsmoment können somit sofort erfasst und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. So kann höchste Betriebssicherheit für Maschinen und Anlagen gewährleistet werden.

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Predictive Maintenance ist erst der Anfang

Anhand der Beispiele wird deutlich, dass der erste Nutzen von intelligenten Systemen zunächst Wartung und Instandhaltung, ganz besonders Predictive Maintenance, ist. Der Grund ist einfach: Hier lässt sich viel Geld sparen. Studien haben gezeigt, dass durch Predictive Maintenance der Anteil ungeplanter Stillstände um 70 % zurückgehen könnte. Man erwartet zudem 50 % weniger Ausfallzeiten sowie 20 bis 40 % geringere Wartungskosten für Produktionsanlagen und Medizinprodukte. Das Einsparpotenzial hinsichtlich Kosten und Zeit ist also enorm, sodass sich die Investitionen bald amortisieren könnten.

Doch dieser Einsatzbereich ist erst der Anfang. Je länger sich Hersteller und Anwender mit diesen Komponenten und der Digitalisierung beschäftigen, desto mehr Potenzial entdecken sie in den aktuellen Entwicklungen. So hat ABB beispielsweise bereits Anfragen von Kunden erhalten, auch andere Anwendungen mit dem Smart Sensor abzudecken. Schaeffler ist mit seinen Systemen auf einer Auswerte-und-Analyse-Basis und will in Zukunft aber seinen Kunden noch mehr Services – beispielsweise als App – zur Verfügung stellen. Ein weiterer Trend ist, über eine Cloud die Maschinendaten vieler Standorte zusammenzufassen und auszuwerten, um sowohl aus den Daten zu lernen (bessere Voraussagen zur realen Lebensdauer) als auch bei Stillstandszeiten die Produktion leichter umzuorganisieren. So zeigt sich, dass die intelligente Antriebskomponente ein zentraler Baustein für die automatisierte, sich selbst steuernde Fabrik und damit unverzichtbar für eine Industrie 4.0 ist.

Dieser Artikel ist erstmals am 29.11.2016 erschienen.

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