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Antriebstechnik auf Kurs Industrie 4.0

Smarte Fabrik
Antriebstechnik auf Kurs Industrie 4.0

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Der Elektroantrieb von morgen ist vernetzt – und damit das Herzstück der smarten Fabrik. Dabei geht es um weit mehr als um Predictive Maintenance. Auch die Entwicklung und Inbetriebnahme von Antrieben lässt sich durch deren Digitalisierung deutlich beschleunigen. ❧

Sabine Koll

„Für uns als Maschinenbauer ist der vernetzte und intelligente Elektromotor sehr interessant, weil wir damit mehr Transparenz in unsere Maschinen bekommen – von der Entwicklung über die Inbetriebnahme bis zum Betrieb beim Kunden“, sagt Dr. Martin Schober, Projektleiter automatisierte Achsdiagnose bei Trumpf. „Das ist die Grundlage, mit der wir unsere Produkte auch verbessern können.“ Doch es gibt noch weitere Gründe, warum die Industrie auf den Antrieb der neuen Generation wartet: „Das Thema Energieeffizienz wird durch den Industrie-4.0-Antrieb eine neue Dimension erfahren“, ist Dr. Arne Linder, Product Manager Drives beim Antriebshersteller Kollmorgen, überzeugt. Er weiß: Heute sind Antriebe oftmals überdimensioniert: Der Elektrotechniker dimensioniert sie aus Vorsicht größer als notwendig, daher sind elektrische Maschinen vielfach zwei bis drei Baugrößen zu groß. „Durch die Digitalisierung des Antriebs – also den digitalen Zwilling – kann ich in Zukunft den Antrieb wählen, der optimal dazu passt. Dadurch lassen sich künftig zum Beispiel ganz andere Werkzeugmaschinen bauen, weil der Bauraum besser genutzt werden kann“, so Linder. Für Martin Hankel, Projektleiter Industrie 4.0 bei Bosch Rexroth, hat dies noch einen weiteren Effekt – und zwar für den Fall, dass der Endkunde sagt: Die Maschine ist sicherlich 10 % überdimensioniert, also fahre ich die einfach mal 10 % schneller. „Kommt es dann zu einem Schaden, kann der Maschinenbauer nachvollziehen, dass die Maschine nicht bestimmungsgemäß genutzt wurde“, so Hankel.

Doch auch für den Kunden, der die Maschine betreibt, ist die Vernetzung von Vorteil, so Trumpf-Experte Schober: „Letztlich werden die Produkte robuster und noch besser, wenn wir als Maschinenbauer mit den Antriebsdaten, die aus dem Feld kommen, arbeiten können. Davon profitiert der Kunde. Außerdem können wir dem Kunden Daten zur Verfügung stellen, mit denen er seine Produktion robuster und effizienter gestalten kann. Dies können zum Beispiel Informationen über den ‚Gesundheitszustand‘ eines Motors sein, anhand derer der Kunde entscheiden kann, ob er eine Maschine weiterhin voll belasten kann.“

„Für uns sind solche Daten aus dem Markt extrem wichtig“, betont Norbert Scholz, Geschäftsführer Systemtechnik und Verantwortlich für Industrie 4.0 bei Baumüller. „Da es mit der Verwaltungsschale eine Art digitalen Zwilling für jede Industrie-4.0-Komponente gibt, können wir Informationen darüber erhalten, wie unsere Antriebe in Maschinen eingesetzt werden – also ob sie zum Beispiel im Grenzbereich laufen.“ Über solche Informationen verfügen die Antriebshersteller mit den heutigen Möglichkeiten nicht.

Kollmorgen-Experte Linder sieht den Antrieb als Schlüssel zu Industrie 4.0 beim Maschinenbetreiber: „Mit den Daten eines Antriebs kann er Maschinen und Produktionsprozesse optimieren, da dieser ja heute bereits mit der Steuerung kommuniziert. Die Auswertung der Daten kann wahlweise im Antrieb selbst erfolgen oder aber auf Maschinen- oder Fabrikebene.“

Doch wie sehen konkrete Use Cases für den Industrie-4.0-Antrieb in der Praxis aus? Die Paradeanwendung ist sicherlich Predictive Maintanance, also die vorausschauende Wartung von Antrieben. „Doch ein Standard für eine Datengrundlage, wie wir ihn im ZVEI angehen, hat noch viel weitreichendere Vorteile für Maschinenhersteller“, sagt Hankel. „Dies beginnt schon bei der Entwicklung der Maschine, wenn wir als Antriebshersteller dem Maschinenbauer digitale Daten etwa eines Servomotors in einem einheitlichen Format zugänglich machen können. Dies würde die Time-to-Market für den Maschinenhersteller deutlich verkürzen.“

Schnellere Entwicklung durch digitales Modell eines Antriebs

Dies bestätigt Schober für die Maschinenentwicklung bei Trumpf: „Ein digitales Modell eines Antriebs würde uns definitiv eine schnellere Entwicklung ermöglichen.“ Heute spricht Trumpf mit dem Antriebshersteller seines Vertrauens in den Entwicklungsphasen ab, welche Anforderungen es an die Antriebe gibt, welche Dynamik man mit der Maschine erreichen möchte etc. Auf der Grundlage von Informationen zum Beispiel zum Bauraum und zu den Leistungsdaten erfolgt dann beim Ditzinger Maschinenbauer eine Vorparametrierung der Maschine. Schober: „Interessant wäre es, diese Daten schon in einer ausgeklügelten Form von vornherein zu haben. Man fängt mit einem passenden CAD-Modell des Antriebs an, dies kann man perfekt in die Konstruktion einfügen, man hat die Leistungsdaten, hat am besten schon ein mechatronisches Modell dieses Antriebs und kann somit mit der eigentlichen Mechanik und den Antrieben dann eine komplett mechatronische Simulation durchführen.“ Das heißt, man kann Eigenschaften wie beispielsweise Genauigkeit, Dynamik oder Überschwingverhalten schon im Voraus genau überprüfen. „Dieses Frontloading im Entwicklungsprozess bietet ein enormes Potenzial zur Hardware-Absicherung“, so Schober weiter.

Dies alles funktioniert nach seiner Darstellung im Prinzip auch ohne die Standardisierung von Daten und Funktionen, wie sie der ZVEI (siehe Infobox) vorantreibt. „Aber durch die Harmonisierung und Standardisierung von Daten und Funktionen wäre es für uns möglich, Simulationen mit Antrieben mehrerer Hersteller durchzuführen – und die Ergebnisse miteinander zu vergleichen etwa hinsichtlich Dynamik oder Qualität. Wenn wir dann feststellen, dass sich zwei Produkte gleichen, können wir auf das kostengünstigere Produkt zurückgreifen.“Die Antriebshersteller sehen dies mit einem lachenden und einem weinenden Auge: „Spontan finde ich die Vergleichbarkeit, die sich durch die Harmonisierung und Standardisierung von Daten und Funktionen ergibt, natürlich nicht positiv“, gesteht Kollmorgen-Manager Linder. „Andererseits müssen wir uns als Antriebshersteller künftig im Prinzip nicht mehr um das Prototyping und alles, was für die Entwicklung beim Kunden benötigt wird, kümmern. Wir haben Simulationswerkzeuge, mit denen wir dem Maschinenbauer den Motor als digitalen Zwilling zur Verfügung stellen. Mit diesem kann er seine Simulationen fahren – und erst danach bauen wir den Motor für ihn.“ Auch gerade bei Design Freezes oder Updates lassen sich die Aufwände seiner Einschätzung nach reduzieren.

Prof. Dr. Gerd Griepentrog vom Fachgebiet Leistungselektronik und Antriebsregelung an der TU Darmstadt, geht nicht davon aus, dass den Antriebsherstellern Aufträge verloren gehen. „Es wird eher umgekehrt sein: Wer sich nicht an der Digitalisierung und Standardisierung beteiligt, der wird auf Dauer zu den Verlierern zählen. Letztlich wird dies ein Wettbewerbsvorteil gegenüber Herstellern etwa aus Asien sein.“

Er sieht nicht nur für die Entwicklung von Maschinen, sondern auch für deren Inbetriebnahme große Vorteile durch die Standardisierung, die der ZVEI vorantreibt: „Für Maschinenbauer ist eine Menge Kleinarbeit notwendig, um alle die für die Inbetriebnahme einer Maschine oder Anlage richtigen Einstellungen zu finden“, erklärt er. „Es reichen zum Teil relativ einfache digitale Funktionen, um eine Maschine einfacher in Betrieb zu setzen.“ Im ZVEI-Arbeitskreis „Industrie 4.0 Elektrische Antriebe“ sehe man hierzu als eine der übergreifenden Funktionen „Autotuning“ vor. „Das heißt, bei der Inbetriebnahme kann der Antrieb seine wesentlichen Parameter selbst finden, so dass zum Beispiel eine erste Bewegung möglich ist. Anschließend kann man das weiter optimieren“, so Griepentrog. Vorstellbar seien in Zukunft Systeme, die selbstständig lernen und im Laufe der Zeit ihre Einstellungen immer weiter verbessern. „Aber ich glaube, bis zur Serienreife ist es noch ein weiter Weg, zumal hier Sicherheitsaspekte eine große Rolle spielen“, so der Wissenschaftler.

Trumpf-Experte Schober sieht gerade für den Sondermaschinenbau oder Maschinen, die in kleinen Losgrößen gebaut werden, „gigantische Vorteile, wenn man bei der Inbetriebnahme nicht erst alle Daten ‚zusammensuchen’ muss, damit man den Motor zum Drehen bringt und damit er mit der Steuerung kommuniziert.“ „Industrie-4.0-Antriebe spielen bei der Inbetriebnahme systemseitig vor allem dann ihre Stärken aus, wenn man Antriebe mehrerer Hersteller in eine Maschine oder Anlage integriert“, betont Baumüller-Geschäftsführer Scholz. „Die Optimierung würde durch eine geführte Inbetriebnahme und Autotuning-Funktionen wesentlich vereinfacht. Auf alle Fälle werden wir in Zukunft weniger programmieren und mehr Softwarefunktionalitäten mit den Komponenten zur Verfügung stellen.“

Doch bei wem liegen letztlich die Daten, die der Antrieb liefert: beim Antriebshersteller, beim Maschinenbauer oder beim Kunden, der die Maschine betreibt? „Sowohl als auch“, sagt Schober, Trumpf. „Für den Maschinenbetreiber ist es natürlich schon interessant, wenn er seine Daten sammeln kann und vor allem, wenn er sie dementsprechend auswerten kann, um Aussagen über seine Auslastungen etc. zu bekommen. Für uns als Maschinenbauer ist das Thema Condition Monitoring hochinteressant – einen Mehrwert für den Kunden zu generieren und zeitgleich selbst weiter zu lernen. Die Antriebshersteller werden natürlich auch gerne wissen wollen, wie ihre Antriebe in den Maschinen funktionieren.“

Nimmt sich der Antrieb 2028 selbst in Betrieb?

Zehn Jahre weiter gedacht – wo steht der Antrieb 4.0? „Ich gehe davon aus, dass wir bis dahin eine durchgängige Transparenz über wesentliche Antriebsdaten entlang der gesamten Wertschöpfungskette erzielt haben – vom Antrieb über unsere eigene Steuerung bis hin zum Kunden“, ist Schober überzeugt. Professor Griepentrog geht davon aus, dass wir 2028 „Antriebe haben, die sich selbst in Betrieb nehmen, die sich selbst auch optimieren können. Allerdings mahne ich an, das Thema Sicherheit nicht außen vor zu lassen. Das wird eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen, und die Zeit sollten wir uns auch nehmen, um die Akzeptanz nicht zu gefährden.“ Hankel, Bosch Rexroth, sagt: „In zehn Jahren werden wir dank Künstlicher Intelligenz so weit sein, dass wir kaum noch programmieren müssen und dass der Antrieb selbst lernt. Ich hoffe auch, dass wir die Funktionen, die wir heute im ZVEI standardisieren, auch auf andere Produktgruppen übertragen können – also auch auf einen hydraulischen Antrieb. Wenn wir diese Funktionen vereinheitlichen, sind wir einen großen Schritt weiter.“ „Funktionen wie Autotuning und Inbetriebnahme werden 2028 längst herstellerübergreifend funktionieren. Ich denke, dann wird der Motor selbst ein intelligenter Sensor sein, über den wir den Motor selbst oder auch das Gesamtsystem diagnostizieren können“, so Linder. Dies sieht Scholz ähnlich: „Ich gehe davon aus, dass es intelligente Diagnosemöglichkeiten gibt, die aus Stromverläufen oder anderen typischen Abbildern und deren Veränderungen viel genauer entscheiden können, wie der Gesundheitszustand des Antriebs ist.“


ZVEI-Arbeitskreis

Der ZVEI hat den Arbeitskreis „Industrie 4.0 Elektrische Antriebe“ Ende 2015 gegründet, um Industrie 4.0 in der elektrischen Antriebstechnik umzusetzen. Die Schwerpunkte liegen auf Daten und Merkmalen sowie Funktionen. „Es geht uns darum, die verteilt bei Antriebsherstellern, Maschinenbauern und -betreibern über den gesamten Lebenszyklus entstehenden Daten – etwa eines Servomotors – herstellerübergreifend zusammenzuführen“, sagt Martin Hankel. Die wesentlichen Daten hat der Arbeitskreis in einer Excel-Tabelle mit mehr als 180 Merkmalen zusammengestellt. Zu neuen Merkmalen gehören unter anderem dynamische Daten wie etwa von Lastprofilen von Strom, Drehmoment, Drehzahl oder Temperatur, Service- und Wartungsdaten etwa zur Austauschhistorie oder auch Lebensdauerdaten etwa von Lagern. Die Daten werden zielgruppenspezifisch in Verwaltungsschalen weitergegeben – vom Antriebshersteller zum Maschinenbauer und von diesem wiederum an den Maschinenbetreiber. Dies funktioniert auch in die umgekehrte Richtung.

Das zweite Thema des Arbeitskreises betrifft die Funktionsschicht. In einem Workshop mit Maschinenbauern haben diese fünf Funktionen als wesentlich für ihr Geschäft identifiziert: Fehlerspeicher/Warnungen, geführte Inbetriebnahme und Auto-Tuning-Funktion, Oszilloskop, Energiemanagement und Wartungschronik. Diese Funktionen sind im ersten Schritt beschrieben. Weitere sollen folgen.



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