„Im Zentrum stehen nicht mehr allein Produkte, sondern vor allem die Daten, die sie liefern“, sagt Thomas Sauer als Group Director für Digitalisierung und Elektronik bei EBM-Papst. Zusammen mit seinem Team kümmert sich Sauer um Digitalisierungsaspekte im Umfeld der Ventilatoren und Motoren, die für die Luft- und Antriebstechnik entwickelt und hergestellt werden. Dabei erlebt das tradierte Unternehmen in Hohenlohe, dass sich Produkte und Geschäftsmodelle im Zuge der Digitalisierung wandeln. Längst treiben Protagonisten wie Software-Start-ups die Ansprüche und die Geschwindigkeit digitaler Entwicklungen voran. Um in der klassischen Industrie konkurrenzfähig zu bleiben, müssen mit deutlicher Geschwindigkeit Mehrwerte entwickelt werden.
Seit zwei Jahren setzt EBM-Papst verstärkt auf Digitalisierungsaspekte und bringt digitale Technik in seine bewährten Produkte ein, um zusätzliche Funktionen anbieten zu können, die allerdings „den Aufwand der neuen Technologien immer wert sein müssen“, so Sauer. Laut Sauer sei vor allem das Thema Konnektivität neu zu bewerten: „Wir haben bereits seit einiger Zeit intelligente Produkte mit Elektronik an Bord. Und wir sammeln schon lange Daten in unseren Produkten, die wir uns später anschauen und auswerten können.“ Indem Ventilatoren nun aber vernetzt würden, seien ihre Daten überall zugänglich und für Anwender nutzbar. Der Zustand eines Ventilators wird datentechnisch verfolgbar und Veränderungen werden sichtbar, woraus Mehrwert beispielsweise durch Aussagen zur Lebensdauer eines Ventilators entsteht.
An entsprechenden Geschäftsmodellen der Zukunft arbeitet auch EBM-Papst Neo in Dortmund – quasi als Think Tank für Digitalisierung. Aktuell geht es vor allem darum, Ventilatoren intensiv im Sinne von Konnektivität vorzubereiten, die in einer digitalen Welt beziehungsweise im Industrial Internet of Things (IIoT) gefragt ist. Welche Daten im Einzelnen erfassbar sind, um beispielsweise Energieüberwachung oder vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) umzusetzen, ergibt sich unter anderem aus den Sensorik-Features, die den Ventilatoren herstellerseitig – je nach Kundenanforderung – ins Feld mitgegeben werden.
Eine wichtige Voraussetzung im Zuge der Digitalisierungsbestrebungen ist es, die EC-Ventilatoren über Schnittstellen und geeignete Gateways online zu bringen, sodass Anwender weltweit, vielmehr cloudbasiert, auf ihre Betriebsdaten zugreifen oder Datenanalyse-Services nutzen können. Ventilatoren von EBM-Papst sind von Haus aus und über alle Baugrößen hinweg mit Modbus-Schnittstellen ausgestattet, um seriell kommunizieren zu können, wobei auch kabellose Verbindungen via WLAN oder Bluetooth möglich sind. So werden die Ventilatoren in Leitsysteme oder übergeordnete Steuerungen und Regelungen eingebunden. Modbus-Schnittstellen sind laut Sauer auch der Standard, den der Markt aktuell nachfragt: „Wir wären auch in der Lage, andere Schnittstellen zu liefern, doch der Markt heute fragt zu etwa 95 % Modbus-Schnittstellen nach.“
Neue Funktionen und Geschäftsmodelle
Doch um welche neuen Geschäfte wird es künftig gehen? Stefan Hess, Data Scientist bei EBM-Papst Neo in Dortmund sagt: „Das digitale Produkt ist umfassend und entsteht an vielen Punkten zusammen mit unseren Kunden.“ Der Nutzen beziehungsweise Mehrwert für Kunden stehe im Vordergrund. Thomas Sauer sieht im ersten Schritt auch ein „angepasstes Produktportfolio“, das breiter aufgestellt sei und die unterschiedlichen Produktentwicklungen widerspiegele. Disruptive Entwicklungen, die Ventilatoren und Lüfter gänzlich infrage stellen könnten, sehen Hess und Sauer derzeit nicht.
Digitale Ventilatoren sollen eine Betriebs- und Funktionsanalyse sowie Software-Updates in der Cloud ermöglichen. Den Kunden wird eine eigenständig entwickelte, sichere Cloudinfrastruktur zur Verfügung gestellt, die in einem Partnernetzwerk entstanden ist. Sauer sagt: „Wir haben eine Lösung, die es uns erlaubt, Connectivity auf einem sehr hohen Sicherheitsniveau umzusetzen.“ Dabei wird ein weltweiter Zugriff auf Betriebs- und Verbrauchsdaten wie Drehzahl, Stromaufnahme, Betriebsstunden, Temperaturen der Elektronik und des Motors oder den Energieverbrauch möglich. Die Betriebsdaten können umfassend ausgelesen werden, um einen Eindruck davon zu bekommen, wie eine Anlage eingesetzt und ausgelastet ist. Neben den Werten, die von den Sensoren detektiert sind, werden die Betriebsdaten des Motors über die zentrale Ventilatorelektronik erfasst. So kann beispielsweise die Laufzeit des Gebläses genutzt werden, um den geeigneten Zeitpunkt für einen Filterwechsel festzulegen. Integrierbar ist auch eine Historie, die der Ventilator von sich aus protokolliert.
Ein weiteres digitales Feature ist eine parametrierbare Steuerschnittstelle. Neu sind integrierte Funktionen zur Schwingungsanalyse und Drehzahlbereichsausblendung. Für Schwingungen gibt es unterschiedliche Ursachen. Die Ursache für zu hohe Schwingschnellen lässt sich im Wesentlichen auf zwei Effekte beziehungsweise Eigenschaften eines mechanischen Systems zurückführen: zum einen auf Resonanz, also auf ein verstärktes Mitschwingen eines gekoppelten, schwingungsfähigen Systems, und zum anderen auf Unwucht. In der Vergangenheit wurden die Schwingungen relativ aufwendig mittels Mess-Sensorik ermittelt, wobei ein extra Service-Einsatz – verbunden mit dem Montieren der Sensoren und dem Testlauf – nötig gewesen ist.
Kritische Schwingschnellen können heute durch integrierte Sensorik und über einen entsprechenden Kalibrierlauf vorliegende Resonanzstellen oder zu hohe Unwucht ermittelt werden. Nach dem Kalibrierlauf werden auszublendende Drehzahlbereiche automatisch festgelegt. Zudem kann der Anwender festlegen, wie der auszublendende Drehzahlbereich übersprungen wird.
Die Zustände von Maschinen und Anlagen zuverlässig zu überwachen und vor allem Services vorausschauender Wartung (Predictive Maintenance) nutzen zu können, bringt Anwendern einen zusätzlichen Mehrwert über die eigentliche Funktion der Ventilatoren hinaus. Aktuell konnte EBM-Papst eine hochempfindliche Sensorik integrieren, die Schwingungen am Motor misst und die aufgezeichneten Schwingungen auswertet, um Schäden am Lager zu identifizieren. Der detaillierte Zustand des Lagers wird künftig in mehreren Stufen – verbunden mit entsprechenden Warnungen – angezeigt werden: also, ob das Lager in Ordnung ist, ob ein Lagervorschaden besteht oder ob das Lager gar kritisch beschädigt ist. Serienreif soll die Technik laut Martin Bürkert, Abteilungsleiter Entwicklung Elektronik und zentrale Produktfunktionen bei EBM-Papst, bis Jahresende sein. Momentan würden vor allem die Grenzwerte, die zu einzelnen Zustandsmeldungen führen, mit Partnern präzisiert.
Parallel zur Überwachung des Lagerzustandes soll der Zustand des Zwischenkreis-Kondensators kontinuierlich überwacht werden. Bei zu hohem Kapazitätsverlust und unter einem bestimmten kritischen Level, erfolgt eine Warnung, dass ein Austausch der Elektronik sinnvoll ist, da ansonsten ein Totalausfall dieses Bauteils droht.
Energieeffizient: vernetzte, intelligente Ventilatoren
Ein Beispiel für vernetzte, intelligente Ventilatoren sind modulare Fan-Grids. Kleinere Ventilatoren werden dabei kombiniert. Sie arbeiten parallel zusammen. Sie werden vor allem dann eingesetzt, wenn eine besonders hohe Ausfallsicherheit durch Redundanz gefragt ist. Wird die Anzahl der Ventilatoren entsprechend ausgelegt, kann immer die notwendige Luftmenge erreicht werden, auch wenn ein Ventilator außer Betrieb ist. Die verbleibenden Ventilatoren werden aufgrund ihrer Vernetzung automatisch in der Drehzahl erhöht und kompensieren die fehlende Luftmenge. Mithilfe von EC-Technologie lässt sich so eine komplette Anlage bedarfsgerecht und energieeffizient steuern. Kritische, ineffiziente Drehzahlbereiche der Motoren werden vermieden. Treibende Kraft im Fan-Grid sind energieeffiziente EC-Antriebe. Ebenso trägt die Konzeption der Strömungsmaschine selbst zu einer Effizienzsteigerung und einem leisem Betrieb bei.
Durch die digitale Vernetzung der Komponenten können Prozesse besser geplant und Fehlfunktionen schneller erkannt werden. Die Komponenten spielen einfach besser zusammen. Mittels intelligenter Steuerungs- und Regeltechnik können Optimierungspotenziale erkannt und auf Wunsch selbstständig umgesetzt werden. Kommuniziert wird beispielsweise über das Kommunikationsprotokoll Modbus-RTU, für das die Ventilatoren die bereits passende Schnittstelle besitzen.
Je nach Einbausituation kann es in nicht vorhersehbaren Drehzahlbereichen zu Resonanzen kommen. Wird der Ventilator häufig in einem solchen kritischen Bereich betrieben, kann das Lagersystem der Antriebsmotoren Schaden nehmen und zum Ausfall der Ventilatoren führen. Für Anlagenbetreiber sind diese Vibrationen zwar messbar, aber nicht einfach abzustellen. Das Problem wurde mit einer automatischen Resonanzerkennung in den Radialventilatoren gelöst, die die Auswirkung von Vibrationen minimiert. Dazu wird bei der Inbetriebnahme ein Test-Hochlauf durchgeführt, bei dem die Vibrationshöhe über den gesamten Drehzahlverlauf aufgezeichnet und analysiert wird. Werden in bestimmten Bereichen zu hohe Schwingschnellen erkannt, stellt sich die Steuersoftware automatisch so ein, dass diese Drehzahlbereiche zukünftig überfahren werden. So können EC-Radialventilatoren betrieben werden, ohne Schaden zu nehmen.
EBM-Papst Mulfingen GmbH & Co. KG
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Geschäftsführer: Stefan Brandl
Energieeffiziente EC-Technik:
Treibende Kraft der Ventilatoren von EBM-Papst sind EC-Antriebe, die sowohl im Voll- als auch im Teillastbetrieb energieeffizient arbeiten, auf hohe Lebensdauer ausgelegt sind und sich in der Drehzahl stufenlos regeln lassen. Mit Wirkungsgraden von über 90 % liegen die Motoren deutlich über den in Effizienzklasse IE4 geforderten Werten.
Gierig nach Mehrwert
„Mehrwert für Kunden“, den sich Unternehmen nur allzu gern auf die Fahnen schreiben, ist eine gute Idee, wenn das Ganze mit Leben gefüllt wird: Kunden zusätzliche Leistungen und Services über das eigentliche Produkt anzubieten – heute vorwiegend über softwaretechnische Features realisiert – kann die so wichtige Unterscheidung im Wettbewerb bringen und eröffnet Herstellern sowie Anwendern mitunter neue Marktchancen.
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