Highlights der Hannover Messe 2019

Siemens präsentierte auf der Hannover ­Messe zahlreiche Erweiterungen des Digital-Enterprise-Angebots für die nächste Stufe der digitalen Transformation der Fertigungs- und Prozessindustrie (Bild 1). Im Zentrum des Stands zeigte Siemens anhand eines Modells für die Automobilindustrie, wie das einzigartige Portfolio aus industrieller Software und Automatisierungstechnologie die virtuelle und die reale Welt nahtlos verbindet. Der Einsatz von cloud- und edge-basierten Datenanalysen zusammen mit weiteren ­Zukunftstechnologien wie additiver Fertigung oder autonomen Fertigungssystemen eröffnen neue Möglichkeiten im Bereich der Effizienz und Flexibilität.

Mit Blockchain zeigte Siemens auf der Messe eine weitere Zukunftstechnologie im industriellen Einsatz. In der Industrie liegt erhebliches Potenzial zum Beispiel zur Verbesserung der Rückverfolgbarkeit von Lebensmitteln. In der Lebensmittelversorgungskette werden Informationen digital und fälschungssicher dokumentiert und bei jedem Schritt der Reise in der Blockchain gespeichert, wie Details zur Lage der Farm, Chargennummer, Verarbeitungsdaten, Fabrikinformationen, Verfallsdaten, Lagertemperaturen und Versanddetails.

Bei der Prozessautomatisierung ging Siemens auf der Hannover Messe neue Wege und stellte ein neues innovatives Prozessleitsystem vor. Siemens präsentierte eine vollkommen neu entwickelte System-Software, die den Unternehmen der Prozessindustrie ganz neue Möglichkeiten im Zeitalter der Digitalisierung erschließt. Hierzu gehören unter anderem die globale webbasierte Zusammenarbeit in Engineering und Operations- sowie Benutzerfreundlichkeit. Der neue Kommunikationsstandard »5G« eröffnet hier wichtige Perspektiven. Hohe Datenraten, zuverlässige leistungsfähige Breitband-Übertragung und ultrakurze Latenzzeiten ermöglichen eine erhebliche Effizienzsteigerung und Flexibilisierung in der industriellen Wertschöpfung – speziell für Industrie-4.0-Anwendungen.

Die digitale Transformation aus Expertensicht

Atos ist ein weltweiter Anbieter für die digitale Transformation mit 120.000 Mitarbeitern in 73 Ländern und einem Jahresumsatz von mehr als 12 Mrd. €. Das Unternehmen präsentierte sich unter dem Motto »Connecting the Industry« auf der HMI. In einer personalisierten Live-Demo führte Atos die Standbesucher durch den Lebenszyklus eines Produkts am Beispiel eines Schokoriegels.

Wir fragten die CEO von Atos Deutschland, Ursula Morgenstern (Bild 2), wie sie die digitale Transformation in der Zukunft sieht: »In der industriellen Fertigung wird künftig ein verbraucherorientierter Ansatz im Fokus stehen. Dies erfordert eine digitale Transforma­tion aller relevanten Wertschöpfungsketten in der Fertigung. Neue Technologien wie digitale Zwillinge, High Performance Computing, industrielle IoT-Plattformen, Big Data und Analytik, maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz sorgen für kürzere Entwicklungszyklen. Durch das Monitoring von Anlagen und Werkzeugen sowie durch automatisierten Nachschub und digitale Qualitätskontrolle lassen sich Produktionszyklen verkürzen. Beim Support spielt im industriellen Sektor vor allem die Wartung eine entscheidende Rolle. Gerade hier schlummert laut einer 2018 von PAC durchgeführten Trendstudie zu Predictive Maintenance noch viel Optimierungspotenzial. Lediglich 4 % aller befragten Unternehmen stufen ihre Prozesse in der Wartung von Industrieanlagen als effizient ein. 90 % betrachten ungeplante Ausfallzeiten als eine ihrer größten Herausforderungen.«

Lernfabrik für Anwendungssimulationen

Nach Herstellerangaben ist sie weltweit die einzige ihrer Art: Die Lernfabrik 4.0 von Fischertechnik (Bild 3) passt von der Größe her auf einen Schreibtisch. Die Miniatur-Fabrikanlage besteht aus verschiedenen Arbeitsgängen einer echten Fertigung, wie zum Beispiel einem Brennofen, einer Sortierstrecke mit Farb­erkennung und einem Hochregallager. Das Dashboard – welches über eine Cloud verbunden ist – visualisiert sämtliche Prozessschritte aus der Perspektive von Kunden, Lieferanten und Produktionsleitung. Damit bildet die Fa­briksimulation die Prozesse einer Online-Bestellung digitalisiert und vernetzt ab – von der Bestellung im Internet bis zum Versand.

Mit der Fischertechnik Lernfabrik 4.0 lässt sich Zukunft simulieren und dies ganz realitätsnah. Gestartet wird sie mit einem Vorgang, den Viele aus dem Alltag kennen: Ein Produkt wird im Internet bestellt und in den Warenkorb gelegt. Ein weiterer Mausklick löst die Bestellung aus. Im Dashboard der Fischertechnik Lernfabrik heißt die Online-Shopping-Plattform »Kundensicht«, denn sie zeigt die Bestellung aus der Perspektive des Kunden.

Über eine Cloud werden die jeweiligen Bestelldaten an die Fabrikanlage im Miniformat übertragen, die sich sofort in Bewegung setzt: Ein Werkstück in Form eines Bausteins durchschreitet – nach Auftrag sortiert – verschiedene Bearbeitungsstationen. Damit wird die Massenfertigung in Losgröße 1 simuliert: Ein Produkt wird extra nach individuellen Kundenwünschen angefertigt. Jedes Werkstück erhält eine eindeutige Identifikationsnummer (ID). Über NFC (Near Field Communication) kann der jeweilige Bearbeitungsstatus verfolgt werden.

Kompakte wassergekühlte ­Servomotoren

Baumüller erweitert sein Servomotoren-Portfolio um die wassergekühlten Modellgrößen 45 und 56. Mit platzsparendem Einbau und gleichzeitig hoher Leistungsdichte kommen bei den kleinen Baugrößen die Vorteile der Wasserkühlung besonders zur Geltung. Die Wasserkühlung ermöglicht, dass für hohe Nennleistungen Motoren mit sehr kompaktem Bauraum eingesetzt werden können. Dies bedeutet für den Maschinenbauer optimale mechanische Eigenschaften, geringere Kosten und bessere Wirtschaftlichkeit.

Neben der Kostenersparnis bringen die kleinen wassergekühlten Baugrößen aber auch in Bezug auf den Bauraum noch weitere Vorteile mit sich: Die Gehäusefamilie (Bild 4) ist bau­gleich mit einer ungekühlten Variante und verbindet dadurch den Vorteil von maximaler Kühlung mit minimalen Abmaßen. Weiterer Pluspunkt der Wärmeabfuhr durch das Kühlmedium Wasser ist, dass die Motoren auch bei engem Verbau nebeneinandergesetzt werden können, ohne sich gegenseitig aufzuheizen, was den Einsatz z. B. für Textilmaschinen, Kunststoffmaschinen sowie Umform- und Biegemaschinen ideal macht.

15-kV-Prüflösung für rotierende Maschinen

Das CP TD15 von Omicron wird als Teil der Komplettlösung für die Offline-Prüfung der Hochspannungs-Isolierung von rotierenden Maschinen eingesetzt. Zusammen mit der Kompensationsdrossel CP CR600 und dem universellen Prüfgerät CPC 100 können große Kapazitäten von bis zu 1 μF mit bis zu 15 kV bei Nennfrequenz getestet werden (Bild 5).

Das CP TD15 bietet eine Kombination aus Hochspannungstransformator und präzisem Verlustfaktormessmodul. In Kombination mit dem universellen Omicron-Prüfgerät CPC 100 und der Kompensationsdrossel CP CR600 unterstützt die vollständige 15-kV-Prüflösung die Messung elektrischer Parameter wie Kapazität und Verlustfaktor der Isolierung, DC-Wicklungswiderstand und Kontaktwiderstand. Zudem kann das System für Impedanz-Messungen, Stehspannungsprüfungen sowie als Hochspannungsquelle für Teilentladungsmessungen an rotierenden Maschinen verwendet werden.

Sämtliche Komponenten des Prüfsystems – CP TD15, CP CR600 und CPC 100 – zeichnen sich durch ein geringes Gewicht aus und passen problemlos in einen Pkw. Der Transport und die Bedienung im Feld kann durch eine einzige Person erfolgen. Nicht nur für den Einsatz in Kraftwerken ist das System somit geeignet, sondern auch an schwer zugänglichen Orten, etwa in beengten industriellen Umgebungen, auf Schiffen oder in Windturbinen.

Zusätzlich kann die 15-kV-Prüflösung auch über die »Primary Test Manager« (PTM)-Software von Omicron angesteuert werden. Sie leitet den Anwender durch den gesamten Prüfablauf und bietet automatisierte Vorlagen, die die Prüfdauer verkürzen und dabei helfen, Bedienfehler zu vermeiden. Zudem bietet die Software die Möglichkeit, anhand von Echtzeit-Diagrammen Messungen umgehend zu analysieren und durch das Generieren automatischer Prüfprotokolle den Aufwand der Nachbearbeitung auf ein Minimum zu reduzieren.

Prüfstände für EC- und BLDCMotoren

Die imc Test & Measurement GmbH hat für ihre Elektromotorenprüfstände ein neues Prüfverfahren entwickelt, das Entwicklern von EC- und BLDC-Motoren bei der genauen Abstimmung zwischen Motor und ECU-Auslegung unterstützt. Das Verfahren liefert die dazu notwendigen Flusstabellen. Bislang wurden diese Tabellen häufig in einer Simulation ermittelt. Die Genauigkeit der Ergebnisse hängt dabei von der Komplexität des verwendeten Motormodells ab. Die Firma imc ermittelt die Flusstabellen messtechnisch. Die Berechnungen basieren dementsprechend auf den realen Motorkenndaten, was automatisch für sehr präzise Ergebnisse sorgt. Das neue Prüfverfahren bietet imc ab sofort als Auftragsmessung an. Darüber hinaus steht die Prüfart als Option für alle neuen und bestehenden imc E-Motorenprüfstände zur Verfügung, die mit der Mess- und Automatisierungssoftware »imc-Studio« betrieben werden.

Während der Messung wird der Prüfling mechanisch auf dem Prüfstand (Bild 6) mit der Lastmaschine gekoppelt. Die Lastmaschine gibt für die notwendigen Betriebspunkte des Prüflings eine konstante Drehzahl vor. Ein Frequenzumrichter erlaubt das Einstellen der erreichbaren Arbeitspunkte des Prüflings für i_d und i_q.

Für die optimale Abstimmung der ECU auf den Motor gilt es die Verteilung des wirksamen magnetischen Flusses in q- und d-Richtung, die zugehörige Leistung, die auftretenden Drehmomente sowie die sich ergebende Spannung zu bestimmen. Dabei werden die vorher genannten Größen an unterschiedlichen Drehzahlpunkten bei entsprechender Variation der Ströme aufgezeichnet und ausgewertet. Die Flusstabellen können sowohl in Abhängigkeit von i_d, i_q als auch als Funktion des Gesamtstroms und des Polradwinkels zur Verfügung gestellt werden. Außerdem wird ein analytischer (nichtlinearer) Zusammenhang zwischen den Strömen und den Flüssen angegeben. Die Kennlinie des maximal möglichen Momentes bei vorgegebenen Strom- und Spannungsgrenzen wird tabellarisch erstellt.

Wartung von Transformatordurchführungen

Etwa 90 % aller Transformatordurchführungsdefekte entstehen durch Feuchtigkeit, die durch schadhafte Dichtungen, Risse oder Verschlüsse eindringt. Feuchtigkeit beeinträchtigt die Isolation der Transformatordurchführung und kann einen explosionsartigen Defekt verursachen, der den Transformator und andere Komponenten beschädigt und die Mitarbeitersicherheit gefährdet. Durch regelmäßige Inspektionen lassen sich Defekte an Transformatordurchführungen erkennen, bevor diese auftreten. Herkömmliche Inspektionsverfahren wie Mikroohm-Tests oder Leistungsfaktormessungen können arbeitsaufwendig sein und eine Außerbetriebnahme der Anlage erfordern.

Indem man die Wärmebildtechnik in die Inspektionsabläufe einbindet, kann man alle Anlagenkomponenten im laufenden Betrieb sooft wie nötig überprüfen. Mit einem tragbaren Wärmebildinstrument wie der Flir T1020 HD-Wärmebildkamera lassen sich Temperaturanomalien effizient lokalisieren (Bild 7). Die Kamera liefert detailreiche Bilder und die präzisen Temperaturmesswerte. Eine weitere geeignete Mess- und Überwachungsmethode ist der Einsatz fest installierter Wärmebildsensoren wie der Flir A310 f. Diese Kamera liefert rund um die Uhr Temperaturtrends von kritischen Komponenten, und die Daten lassen sich über ein lokales Netzwerk oder cloudbasierte Lösungen übertragen.

Isoliersystem der nächsten Generation

Der zunehmende Einsatz moderner Umrichtertechnologien bei drehzahlveränderlichen Antrieben führt zu immer höheren Betriebstemperaturen bei Hochspannungsmaschinen. Der kontinuierliche Ausbau von Windkraft sowie von Anlagen zur dezentralen, teils mobilen Stromerzeugung, erfordert zudem kompaktere und leichtere Maschinendesigns. Somit zeigt sich auch bei diesen Anwendungen ein Trend hin zu einer erhöhten thermischen Ausnutzung der Generatoren.

Die Firma Von Roll mit Sitz in der Schweiz entwickelte bereits Ende der 1980er Jahre ein VPI-Isoliersystem, das die Anforderung an die Wärmeklasse 180 (H) erfüllt. Es beruht auf einem ungesättigten Polyesterimidharz und ist seit über 25 Jahren bei namhaften Herstellern weltweit erfolgreich im Einsatz. Aufbauend auf den umfassenden Betriebserfahrungen wurde mit »Samicabond Plus« ein neues Isoliersystem entwickelt (Bild 8), getestet und im Markt eingeführt. Das System basiert auf speziell aufeinander abgestimmten Komponenten, dem REACH-konformen Einkomponenten-Epoxidharzsystem, einer thermisch robusten Teilleiterisolierung, einer Hauptisolierung mit erhöhter elektrischer Lebensdauer und neuen Corona-Shield-Materialien zur Verbesserung des Glimmschutzsystems.

Tests im hauseigenen Institut

Das neue Von Roll »Samicabond-Plus«-Isoliersystem wurde während seiner mehrjährigen Entwicklungsphase in den Laboren des Von-Roll-Instituts für Hochspannungsisolierungen kontinuierlichen Applikations- und Langzeitprüfungen unterzogen. In dieser Zeit wurden mehr als 1000 Prüfkörper hergestellt und getestet.

Geprüft wurden die elektrischen, thermischen, thermisch-elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Materialkombinatio­nen und ihrer Systemeignung. Die unter anderem durchgeführte Ermittlung der Temperaturindizes beanspruchte für jede Materialkombination mehr als ein Jahr und war aufgrund von zyklischen Prüfprogrammen sehr aufwendig. Den Abschluss bildete eine finale Systemprüfung in Anlehnung an die IEC 60034-18 Normenreihe. Besucher der CWIEME 2019 in Berlin können in Halle 3.2 am Stand E18 mehr über das System erfahren.

Elektronischer Motorstarter

Eaton präsentierte die zweite Generation seines EMS-Motorstarters (Bild 9). Die EMS2-Familie vereint auf einer Baubreite von nur noch 22,5 mm bis zu fünf klassische Funktio­nen konventioneller Motorstarter: Direktstart, Wendestart, Motorschutz, Not-Halt-Schütz und Kommunikation. Durch sein kompaktes Gehäusedesign und seine Multifunktionalität spart der elektronische Motorstarter bis zu über 80 % Platz im Schaltschrank ein. Er kommt überall dort zum Einsatz, wo viele Motoren bis 3 kW Nennleistung geschaltet werden. Die Geräte der EMS2-Familie sind ab sofort verfügbar.

Mit der zweiten Generation wird das bisherige Portfolio an EMS-Motorstartern vollständig auf die Baubreite von 22,5 mm umgestellt. Der EMS2 verfügt über eine integrierte Hybridschalttechnik, bei der ein parallel zu den Hauptkontakten geschalteter Leistungs-Halbleiter während des Ein- und Ausschaltvorgangs den Stromfluss übernimmt.

So startet der EMS2 den Motor nahezu verschleißfrei, die Kontaktlebensdauer beträgt rund 30 Mio. Schaltspiele. Im Leistungsumfang des EMS2 ist standardmäßig auch eine Motorschutz-Funktion enthalten: Dank des elektronischen Weitbereichsüberlastschutzes deckt der EMS2 dabei mit nur zwei Strombereichen Motorleistungen zwischen 0,06 ... 3 k W (440 V, 50 Hz) ab. Ein separates Überlastrelais wird damit nicht mehr benötigt.