Industrie 4.0 in der Antriebstechnik

Die Vernetzung von Maschinen

12. Juni 2018

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Sie erreicht jeden Winkel der Industrie, auch die Antriebe. Wobei die eigentlich schon länger auf dem Weg in die Automatisierung sind. Spricht man von der Industrie, kommt man an »4.0« nicht vorbei. Doch was ist Industrie 4.0? Wann ist Industrie = 4.0? Was leistet und bietet sie und wie wirkt sie sich hinsichtlich der Anlagennutzung aus? Was wird in Zukunft möglich und was wird Science Fiction bleiben?

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Das Beispiel Industrieantrieb, speziell Motoren und die Zusatzkomponenten Frequenzumrichter und Sensor unter Einbeziehung von Simulationen, stellt das weite Spektrum der Wahlmöglichkeiten vor.

ABB bietet z. B. vollständig aufeinander abgestimmte Antriebssysteme, bestehend aus Getriebe, Motor und Frequenzumrichter. Neben ihrer zentralen Aufgabe, der Regelung von Motoren, können Frequenzumrichter des Herstellers auch als multipler Sensor dienen, der wichtige Informationen wie Motordrehzahl, Motordrehmoment, Motorströme, verschiedene Temperaturen und viele andere Parameter erfasst. Diese Daten stehen dann für die Diagnose, Fernüberwachung und Prozessoptimierung über »ABB Ability« zur Verfügung – die Bündelung aller Produkte, Services und Lösungen im digitalen Angebot des Herstellers inklusive Cloud-Anbindung. Armin Wallnöfer, Digital Leader Drives & Motors Germany bei ABB Automation Products geht noch viel weiter: »Vernetzte Geräte und Sensorik gibt es schon lange. Das ist im Grunde weder Digitalisierung im Kern noch Industrie 4.0. Informationen in die Leittechnik bringt ABB schon seit Jahrzehnten. Industrie 4.0 fängt erst an, wenn sich auch Geschäftsmodelle zu verändern beginnen.«

Die Rolle der intelligenten Antriebstechnik

Bild 1:	Das kleine, smarte Sensortag mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle liefert Informationen zu den Betriebsparametern wie Vibrationen, Temperatur und ermittelt den Energieverbrauch mit einer Genauigkeit von +/- 10 Prozent. Eine spezielle Software analysiert die, mit ­Hilfe von Standardprotokollen drahtlos an einen sicheren cloud-basierten Server übertragenen ­Daten und wandelt sie in verwertbare Informationen

Bild 1: Das kleine, smarte Sensortag mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle liefert Informationen zu den Betriebsparametern wie Vibrationen, Temperatur und ermittelt den Energieverbrauch mit einer Genauigkeit von +/- 10 Prozent. Eine spezielle Software analysiert die, mit ­Hilfe von Standardprotokollen drahtlos an einen sicheren cloud-basierten Server übertragenen ­Daten und wandelt sie in verwertbare Informationen

Bewegt sich in der Industrie-4.0-nahen Fertigung etwas, steckt Antriebstechnik mit intelligenten Komponenten dahinter. Sie ist zentral für die digitalisierte Produktion. Dazu hat das Unternehmen einen Remote Condition Monitoring Service für Frequenzumrichter entwickelt. Dieser liefert exakte Zustands- und Ereignismeldungen von ABB-Frequenzumrichtern und hilft, den Betriebszustand und Wartungsbedarf zu ermitteln. Betriebsrisiken und mögliche Störungen am Frequenzumrichter sind so frühzeitig zu erkennen. Mit diesem Service lassen sich die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Antriebe verbessern. Es können rechtzeitig Maßnahmen ergriffen werden, bevor eine Störung auftritt. Dabei kann es sich um ein Parameter-Backup handeln, das durch Fernwartung durchgeführt wird.

Es kann aber auch sein, dass ein Techniker vor Ort erforderlich ist. Durch die vorherige Analyse weiß der Techniker, welche Eingriffe er vermutlich vornehmen muss. Entsprechend nimmt er schon das richtige Equipment mit. Etwaige Maschinenstillstände werden dadurch verkürzt oder sogar vermieden.

Der Service für Frequenzumrichter ermöglicht gemeinsam mit dem Sensor »ABB Ability Smart« (Bild 1) für Niederspannungsmotoren eine informationsbasierte Instandhaltungsstrategie für den gesamten Antriebsstrang im Sinne von Industrie 4.0. Beide Services nutzen die Vorteile einer vorausschauenden Instandhaltungsstrategie für eine höhere Verfügbarkeit und längere Lebensdauer der Geräte sowie für eine bessere Leistung und Produktivität der Anlage. Der Hersteller bietet damit neue, zukunftsgerichtete Servicelösungen für die gesamte Antriebseinheit.

Der Sensor kann einfach ohne Verdrahtung an beliebigen vorhandenen Motoren angebracht werden. Er misst regelmäßig wichtige Motorzustandsparameter wie Temperatur oder Vibration. Über eine integrierte Kommunikationsschnittstelle überträgt er die Daten drahtlos auf ein Smartphone oder über ein Gateway an einen cloudbasierten, sicheren Server, der die Daten basierend auf ABB-Know-how interpretiert. Kunden können jederzeit den Zustand ihrer Motoren überprüfen und werden benachrichtigt, wenn eine Anomalität erkannt wurde.

Erstmals sind nun eine Fernüberwachung einer großen Anzahl von Niederspannungsmotoren und ein darauf basierendes Flottenmanagement möglich. Sowohl neue Motoren als auch in einer Anlage bereits installierte Motoren können – unabhängig vom Fabrikat – in die vorausschauende Instandhaltung einbezogen werden. Die Wertschöpfung für den Kunden ergibt sich aus signifikant reduzierten Motorstillstandzeiten, deutlich verlängerter Motorlebensdauer und reduziertem Energieverbrauch.

Die Cloud dient hierbei als Basis-Technologie, um Daten zur Zustandsbeurteilung von Motoren zu erfassen und über ein zugehöriges Portal dem Kunden zur Verfügung zu stellen, um entsprechende Maßnahmen einleiten zu können. Cloud und Portal sind Werkzeuge einer vernetzten Welt.

Als Ergänzung zu diesem Konzept gibt es noch die virtuelle Inbetriebnahme. Die Anlage wird virtuell konzipiert, angefahren. Fehler in der SPS, der Software, im Zusammenspiel der einzelnen Komponenten werden in der Simulation beseitigt. Erst wenn die Simulation einwandfrei läuft, werden die Daten in eine reale Anlage übertragen. Dies führt regelmäßig zu einer Verkürzung realer Inbetriebnahmen.

Der Hersteller stellt dazu ein integriertes Toolset um Robotstudio, Automation Builder und Drive Composer zur Verfügung. Ein weiterer Schwerpunkt des digitalen Portfolios ist die Simulation. Mit Robotstudio kann der Anwender bestehende 3D-Konstruktionen verwenden und sie durch kinematische und physische Modelle ergänzen. Die Maschine oder Produktionslinie kann dann mit virtuellen SPSen und Antrieben simuliert werden. Damit lässt sich ein Simulationsmodell der Maschine mit den relevanten Funktionen erstellen, das Automatisierungssystem und die Frequenzumrichterregelung testet.

Hochspannungsmotoren mit einem patentierten Kühlsystem

Bild 2:	Die Hochspannungsmotoren der Reihe Simotics HV C verbinden durch ihre Kühlungskonzepte und Konstruktionsdesigns Robustheit mit hoher Leistungsdichte

Bild 2: Die Hochspannungsmotoren der Reihe Simotics HV C verbinden durch ihre Kühlungskonzepte und Konstruktionsdesigns Robustheit mit hoher Leistungsdichte

Durch eine neuartige Konstruktion und die Anwendung von Simulationstools konnte bei einer neuen Generation von Hochspannungsmotoren zweierlei erreicht werden: Eine Leistungssteigerung innerhalb der Achshöhe und eine Verbesserung des Leistungsbereichs. Siemens baut eine Hochspannungs-Motorenreihe, die einerseits einen hohen Gesamtleistungsbereich abdeckt und andererseits ein weites Einsatzspektrum für jede einzelne Baugröße ermöglicht. Kurz gesagt: Wer Hochspannungsmotoren im Leistungsbereich von 100 kW bis 3,2 MW sucht, wird beim neuen Simotics HV C fündig – sowohl für Netz- als auch Umrichterbetrieb.

Das einheitliche Grundkonzept für sämtliche Varianten, ob mit Wassermantelkühlung oder druckfest gekapselt mit Luftkühlung, soll Anwendern in den für Hochspannungsmotoren typischen Industriebereichen Vorteile verschaffen (Bild 2). Der Clou der Entwicklungen ist die Kühlung, sodass die Motoren trotz ihrer besonders kompakten Bauform hohe Leistungen erreichen. Mithilfe moderner Entwicklungs- und Berechnungsmethoden wie zum Beispiel CFD (Computational fluid dynamics) ließ sich die Wärmeabfuhr aus dem Motorinneren optimieren. Durch die verbesserte Entwärmung werden auch Motorheißpunkte, sogenannte Hotspots, vermieden. Das zum Patent angemeldete luftgekühlte Kühlkonzept beruht auf einer Kombination aus Innenkühlkreislauf und einem ausgeklügelten Röhrensystem. Die dadurch erreichbare hohe Leistungsdichte macht die Einheiten extrem kompakt und steigert dadurch deren Einsatzmöglichkeiten.

Weitere Aspekte, die die Hochspannungsmotoren für viele Anwenderbranchen so interessant machen, sind Details wie zum Beispiel das flexible Anschlusskastenkonzept. Unterschiedlichste Anschlusskastenvarianten können an zahlreichen Positionen in der gewünschten Ausrichtung angebaut werden. Dadurch lassen sich die Motoren flexibel an die Leitungszuführung anpassen. Ergänzt wird diese Strategie der Vereinfachungen in Handhabung und Installation durch eine integrierte Leitungsverlegung, sodass die Verkabelung vor Außeneinflüssen weitgehend geschützt ist.

Im Hinblick auf die allgemein großen Gesamtgewichte, die solche leistungsfähigen Hochspannungsmotoren auf die Waage bringen, ließ sich durch die optimierte Konstruktion des Anschlusskastens viel Gewicht sparen. Gleiches gilt für das gesamte Gehäuse. Trotz der Kompaktheit haben die Ingenieure des Herstellers allerlei konstruktive Maßnahmen wie zum Beispiel an der Fußstruktur ergriffen, um das Schwingungsverhalten der Hochspannungsmotoren noch weiter zu verbessern. So groß die Leistungsfähigkeit der Motoren ist, so kompakt sind sie in ihrem Erscheinungsbild. Während das bei der wassermantelgekühlten Variante von vielen Anwendern in gewissem Umfang erwartet wird, ist es bei der luftgekühlten, druckfestgekapselten Version ein echtes Highlight. Die Ex-Schutz-Motoren in Ex d IIB-Ausführung sind für die Ex-Zone 1 prädestiniert.

Letztendlich decken diese Motoren nun den Leistungsbereich bis 2 MW ab. Mit den Achshöhen 400 mm, 450 mm, 500 mm und 560 mm lassen sich eine Vielzahl an Anwendungen verwirklichen. Die wassermantelgekühlten Motoren gibt es indes in den Achshöhen 450 mm, 500 mm und 560 mm. Sie erweitern den Leistungsbereich bis 3,2 MW. Für beide Baureihen gilt ein großer Spannungsbereich ab 440 V bis 11 kV sowie eine Maximaldrehzahl von 3600 min-1. Als wassermantelgekühlte oder als druckfest gekapselte Variante eignen sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen wie Pumpen, Kompressoren, Extruder, Mischer, Walzwerkantriebe und Bugstrahlruder oder Hauptantriebe im Schiffsbau (Schwarz).

Industrie 4.0 mit dem Nordac Link

Durch die Weiterentwicklung der dezentralen Antriebe aus dem Nord-Portfolio ist der Feldverteiler Nordac Link / SK 250E entstanden und wurde speziell für Zielanwendungen in der Förder- und Handhabungstechnik optimiert.

Ausgehend von der Frequenzumrichterfamilie Nordac Flex / SK 200E für die direkte Montage auf dem Motor entstand eine Version für die motornahe Wandmontage, um auch bei schwer zugänglich eingebauten Getriebemotoren den einfachen Zugriff auf den Umrichter zu gewährleisten. Die Evolutionsschritte gaben den Ausschlag für die Entwicklung einer variablen Lösung für jede Anforderung. Der neue Feldverteiler ist für Asynchron- und Synchronmotoren gleichermaßen geeignet. Ein Wartungsschalter und Wahlschalter für Hand- und Automatiksteuerung sowie Reversierbetrieb am Gerät unterstützen bei Einrichtung und Wartung. Alle Anschlusskabel sind vorkonfektioniert und lassen sich werkzeugfrei an die Steckplätze anschließen und es besteht die Möglichkeit, den Netzanschluss von Feldverteiler zu Feldverteiler durchzuschleifen.

Zwölf codierte M12-Steckplätze dienen unter anderem dem Anschluss klassischer Feldbusse, ethernet-basierter Kommunikation, Gebern, Sensoren, STO, 24VDC und digitalen I/Os. Die kostenlose Parametriersoftware Nordcon und ein steckbares EEPROM für den einfachen Parametertransfer vereinfachen die Konfiguration des Gerätes.

Antriebselektronik

Bild 3: Die Antriebe Logidrive bestehen aus einem IE4-Synchronmotor, einem zweistufigen Kegelstirnradgetriebe sowie einem NORDAC LINK Feldverteiler.

Bild 3: Die Antriebe Logidrive bestehen aus einem IE4-Synchronmotor, einem zweistufigen Kegelstirnradgetriebe sowie einem Nordac Link Feldverteiler.

Der Feldverteiler bringt intelligente Antriebslösungen auf den Weg, denn er stellt flexible Funktionalität für alle Antriebsaufgaben inklusive Multi-Motoren-Betrieb, Positionieren oder Heben und Senken zur Verfügung. Die integrierte PLC (Programmable Logic Controller) ermöglicht vielfältige Anwendungen bis hin zu autarken Funktionsbereichen, die übergeordnete Anlagensteuerungen entlasten und eigene Ablaufsteuerungen in Gang setzen können.

Als Logidrive, der Antriebslösung für die Intralogistik, gibt es den Nordac-Link-Frequenzumrichter, als abgestimmtes Antriebssystem in Kombination mit dem zweistufigen Kegelradgetriebe Nordbloc.1 SK92x72.1 und einem energieeffizienten Nord-IE4-Synchronmotor (Bild 3). Zusammen ergeben diese Einzelteile ein effizientes und überlastfähiges Antriebssystem mit der Systemwirkungsgradklasse IES2. Zur Verfügung steht ein Leistungsbereich von 0,55 … 7,5 kW. Dank des Modulbaukastens mit nur drei Grundbaugrößen ist es möglich, die Variantenvielfalt gering zu halten.

Dieses neue dezentrale Antriebskonzept ist eine Antwort auf die Evolution der Steuerungsarchitektur von der Automatisierungspyramide zum intelligenten Automatisierungsnetzwerk. Darin kommt der Antriebstechnik eine wichtige Rolle zu, da sie die ablaufenden Prozesse in Bewegung bringt. Intelligente Antriebstechnik muss drei Eigenschaften mitbringen: Sie muss vernetzt, autark und skalierbar sein. Durch die Integration einer PLC in die Frequenzumrichter können applikationsspezifische antriebsnahe Funktionen effizient programmiert und wie alle anderen Funktionalitäten des Frequenzumrichters parametriert werden.

Antriebe sind heute integraler Bestandteil des Automatisierungsnetzwerkes. Sie protokollieren die Antriebs- und Anwendungsdaten fortlaufend und werten alle zur Verfügung stehenden Sensor- und Aktordaten aus. Die erhobenen Daten werden dann von der integrierten Umrichter-PLC lokal aufbereitet und ausgewertet. Der intelligente Antrieb kommuniziert relevante Daten an die Leitebene und an Komponenten im Netzwerk. Auf dieser Basis ist der Antrieb ohne übergeordnete Steuerung in der Lage, eigenständig und situationsgerecht in der Anlage zu agieren und eine Ablauf-, beziehungsweise Bewegungssteuerung einzuleiten – zum Beispiel für eine Positionieranwendung. Auch modulare Anlagendesigns mit autarken Fertigungsinseln sind möglich. Durch kontinuierliche Überwachung der Feldebene, die Verknüpfung von Kommunikation, Sensorik (Temperatur, Stromaufnahme), Prozessdaten (Drehmoment, Beschleunigung, Drehzahl) und den Vitalparametern des Antriebes ergibt sich eine höhere Flexibilität und Prozesssicherheit des Systems. Die automatische Zustandsbeurteilung wird möglich.

Perspektive

Die Reise geht weiter bis hin zu cyber-physikalischen Systemen, die verteilt und dezen-tral, herstellerunabhängig und standortübergreifend zusammenarbeiten. Eine beliebige Kombination aus Steuerungen, SPS und Kommunikationsprotokollen wird ihre Betriebsdaten an die jeweilige Steuerungsebene übertragen. Die ERP-Ebene (Enterprise Resource Planning) steuert dann die Feldebene auf Basis der bekannten Felddaten. Die integrierte PLC ist für diese autarken Szenarien vorbereitet. Ein Beispiel: Sie kann Sensoren und Aktoren einer Zellenradschleuse für die Zementvermahlung einbinden und antriebsnahe Funktionen ausführen.

Beispielsweise stoppt sie die Schleuse, wenn sie eine Blockierung durch zu große Stücke oder zu viel Material diagnostiziert. Die PLC kann selbständig Abhilfemaßnahmen einleiten: Durch Umkehr der Antriebsrichtung versucht sie, die Blockierung zu beheben. Führt dies nicht zum Erfolg, kann sie die Umleitung des Materialflusses auf eine andere Förderstrecke veranlassen und die Störung melden. Ganze Logistik- und Industrieanlagen lassen sich mit der Nord-Antriebstechnik durch Cloud-Integration weltweit aus der Ferne überwachen und hinsichtlich Antriebsauslegung und Materialfluss optimieren.

Die Antriebe übertragen dazu alle Daten über ein Industrie-4.0-Gateway in eine cloudbasierte Datenbank. Über ein Remote-Terminal mit übersichtlicher grafischer Darstellung der Nord-Förderanlage und ihrer Betriebsdaten kann die Kontrolle und Betreuung der Anlage bis zum Einzelantrieb oder der Einzelanlage von jedem Ort mit Internetanschluss weltweit vorgenommen werden. Mit dem Konzept des Nordac Link ist die Antriebselektronik von Nord Drivesystems Industrie-4.0-ready.

Die Logidrive-Systeme sind hocheffizient, dank Plug-and-Play-Technik extrem wartungsfreundlich und bewirken eine deutliche Reduzierung des Ersatzteilvorrats. Das kompakte Design ist platzsparend und das leichte Aluminiumgehäuse sorgt für eine Gewichtsersparnis von 25 Prozent.

Logidrive-Antriebe von Nord werden nach DIN EN 61800-5-2 und DIN EN 60204-1 mit den Sicherheitsfunktionen STO und SS1 ausgestattet und haben eine hohe Überlastfähigkeit. Da das System für die Fördertechnik modular aufgebaut ist, können alle Komponenten der Antriebstechnik individuell gewartet werden, wodurch sich die Wartungs- und Instandhaltungskosten in der Intralogistik reduzieren lassen. Die LogiDrive-Antriebstechnik eignet sich für Horizontalförderer, für Schrägförderer sowie für Vertikalförderer. Dank umfassender Zertifizierungen sind LogiDrive-Installationen weltweit problemlos möglich. (Niermann)

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