Industrie 4.0 Aktorik im vernetzen Umfeld von Industrie 4.0

Redakteur: Jan Vollmuth

Moderne industrie-4.0-fähige Geräte müssen über die Fähigkeit zur Kommunikation, Selbstdiagnose und Prozessdiagnostik verfügen. Dies gilt bereits für die Ebene der elektronischen Bauteile wie Leistungssteller und PID-Regler.

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Intelligente Regler wie beispielsweise die PID-Regler von Gefran erfassen Geräte- und Prozessdaten und regeln permanent die Ist- mit den Sollwerten ab.
Intelligente Regler wie beispielsweise die PID-Regler von Gefran erfassen Geräte- und Prozessdaten und regeln permanent die Ist- mit den Sollwerten ab.
(Bild: Gefran)

Der Traum von Industrie 4.0 ist eine schöne neue Welt mit massenindividualisierten Produkten und Maschinen, die im Internet der Dinge miteinander kommunizieren. Sie passen sich autonom an veränderte Randbedingungen an, rekonfigurieren sich selbst, informieren sich gegenseitig über ihren aktuellen Zustand und bestellen gegebenenfalls selbständig den Monteur.

Reibungslos zusammenarbeiten

Eine beeindruckende Vorstellung und eine Unmenge an Daten, die verwaltet werden muss. Steigende Flexibilität, Adaptionsfähigkeit und Selbstoptimierung sowie die unterschiedlichen Kommunikationsmöglichkeiten und das große Datenvolumen – von dem übrigens laut Prof. Liggesmeyer, dem Inhaber des Lehrstuhls für Softwareengineering an der TU Kaiserslautern, lediglich rund 25 Prozent verwertbar sind – fordern den Waren und den produzierenden Maschinen sowie ihren Komponenten einiges ab. Sensorik, Aktorik, Kommunikationssysteme, Steuerung und Mechanik müssen derart konzipiert sein, dass sie reibungslos ineinander greifen.

Ein bereits greifbares Beispiel dafür sind Erntemaschinen, die ihre Aufgabe fahrerlos und selbstoptimierend verrichten. Das funktioniert nur, wenn alle Komponenten miteinander ohne menschliches Zutun kommunizieren können und in der Lage sind, ihren Zustand eigenständig zu diagnostizieren sowie sich selbst zu optimieren. Statt Schaden zu nehmen, müssen die Maschinen von alleine wissen, ob, wann und was sie am Prozess ändern müssen, um dies zu verhindern. Moderne industrie-4.0-fähige Geräte müssen also über die Fähigkeit zur Kommunikation, Selbstdiagnose und Prozessdiagnostik verfügen. Dies gilt bereits für die Ebene der elektronischen Bauteile wie Leistungssteller und PID-Regler, denn sie sind die Basis für eine erfolgreiche Maschine-zu-Maschine- und Mensch-zu-Maschine-Kommunikation.

Was intelligente Leistungssteller können

Intelligente Leistungssteller passen Strom und Spannung den jeweiligen Erfordernissen an. Intelligente Regler gleichen in einem geschlossenen Regelkreis die Soll- mit den Ist-Werten ab und sorgen durch permanentes Nachregeln für eine Übereinstimmung dieser Werte. Beide Geräte geben ihre Daten an die zentrale Steuerung und an Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) wie Monitore, Tablets oder ähnliche Endgeräte. Diese HMIs erlauben die Interpretation der Daten durch den Menschen und sein mögliches Eingreifen. Die drahtlose Übertragung der Daten über das Internet gestattet zudem die Fernanalyse und -wartung der Anlagen und Maschinen.

Eine wichtige Rolle hierbei spielen beispielsweise PID-Regler mit Zählerfunktion. Sie erfassen die Anzahl der Schaltzyklen und gleichen sie mit den als Verschleißalarm gesetzten Grenzwerten ab. Bei Übersteigen dieser Werte gibt der Regler entsprechende Meldungen an die Steuerung bzw. das HMI aus. Mit dieser präventiven Diagnosefunktion weist er auf die wahrscheinliche Notwendigkeit des Austausches von Stellgliedern hin, bevor es zum Maschinenausfall kommt, und ermöglicht so die vorbeugende Wartung. Zudem bieten aktuelle Geräte Diagnosefunktionen zur Erkennung von Sensorbruch, Anschlussfehlern, bei Teillast- oder Lastbruch, bei Störungen des Regelkreises und bei Überschreiten der Grenzwerte.

Selbst- und Autooptimierung ist wichtig

Neben der präventiven Instandhaltung ist auch die Selbst- und Autooptimierung der Regler für die Umsetzung von Industrie 4.0 entscheidend. Die Selbstoptimierung dient der Berechnung der optimalen Werte für die Regelparameter während der Anlaufphase eines Prozesses. Sie kann wahlweise automatisch bei jedem Einschalten der Maschine oder manuell per Tastendruck aktiviert werden. In jedem Fall werden während der Selbstoptimierung eine Kennlinie für den Regelprozess erstellt sowie sämtliche Parameter und die Zykluszeit ermittelt und zur Dokumentation abgespeichert. Die Prozedur läuft automatisch ab, wobei die Vorgehensweise in Abhängigkeit vom Istwert der Temperatur optimiert wird. Im Falle eines Relais-, Logik- oder Triac-Regelausgangs wird die optimale Zykluszeit automatisch bestimmt. Moderne Regler signalisieren die Optimierung mithilfe einer LED auf dem Display. Während des eigentlichen Prozesses sorgt die Funktion der Autooptimierung für die permanente Überwachung der Abweichungen vom Regelwert und für einen entsprechenden Ausgleich der Regelparameter.

Eine weitere Funktion der Selbstdiagnostik ist die interne Temperaturüberwachung. Steigende Temperaturen sind ein Anzeichen für Degeneration im Gerät und erfordern den menschlichen Eingriff. Mögliche Ursachen sind u.a. gelockerte Verbindungen oder oxidierte Kontakte. Daher erfassen moderne PID-Regler und Leistungssteller die Temperatur an allen internen Leiterübergängen wie Netz- und Lastklemme sowie an der Leistungsteilsicherung und dem Kühlkörper/Ventilator. Sie geben den ermittelten Zustand über eine Feldbusschnittstelle an das HMI oder die SPS weiter und tragen damit ebenfalls zur präventiven Instandhaltung und unterbrechungsfreien Produktion bei.

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Den gesamten Prozess diagnostizieren

Doch die elektronischen Bauteile müssen nicht nur sich selbst, sondern den ganzen Prozess diagnostizieren können. So bieten beispielsweise moderne Leistungssteller für die Regelung von Heizelementen in industriellen Schmelz-, Gieß- oder Warmhalteöfen die Möglichkeit zur Erfassung des Stromverbrauchs pro Zeiteinheit. Ob pro Stunde, Tag oder Woche, pro Gerät oder pro Stromabnehmer lässt sich individuell festlegen. Ebenfalls vorgeben lassen sich der Grenzwert, bei dessen Erreichen Alarm gegeben werden soll sowie der Normal- oder Optimalverbrauch. Das Gerät steuert die Stromabnehmer dann so, dass der Stromverbrauch optimiert und die Stromkosten minimiert werden. Dabei sind Erfassung und Alarm bei Abweichung für jede Heizzone individuell regelbar. Darüber hinaus können sich bis zu zehn Leistungssteller untereinander abgleichen und so einregeln, dass ein zuvor eingestellter Spitzenstrom nicht überschritten wird. Die Voraussetzung dafür ist ein intelligentes Lastmanagement, das die im Vorfeld berechnete Prozessleistung auf alle beteiligten Steller verteilt.

Doch aktuelle Leistungssteller sind nicht nur dazu in der Lage. Sie erkennen auch einen Teillastbruch und regeln den Prozess adaptiv. Dabei erkennt der Steller, wo welche Heizelemente ausgefallen sind, und löst den Alarm aus. Die adaptive Regelung von Strom, Spannung und Leistung nach zuvor gesetzten Präferenzen hält währenddessen den Prozess bis zum Eingreifen des Operators aufrecht. Festgelegt werden kann beispielsweise, ob die Heizelemente vor Überlastung gesichert werden sollen und daher die Temperatur heruntergefahren werden muss, oder ob nur eine bestimmte Ofenzone weiterbeheizt werden soll oder ob die jeweiligen Metallschmelzen flüssig bzw. die Ofentemperatur gehalten werden sollen und damit die noch funktionierenden Heizelemente den Leistungsausfall kompensieren müssen.

Philosophie der Dezentralisierung

An der Frage, ob „einfache“ Regler oder Steller über die o.g. Funktionen für die Selbst- und Prozessdiagnostik verfügen müssen, scheiden sich die Geister. Anhänger der „Nein-Fraktion“ überlassen diese Funktionen grundsätzlich der zentralen SPS und minimieren die Gerätefunktionen auf das absolute Minimum. Die andere Fraktion – dazu zählt auch Gefran – vertritt die Philosophie der Dezentralisierung: Mehrere, einfach integrierbare Steuerungsinseln aus intelligenten PID-Reglern oder Leistungsstellern übernehmen Teilfunktionen der SPS und geben dieser lediglich die Information „Wert ok“ oder „Wert nicht ok“ weiter. Auf diese Weise verringert sich die Rechenleistung der SPS, sie kann kleiner und einfacher ausgelegt werden. Zudem lassen sich durch die einfach integrierbaren Steuerungszellen die Redundanz und damit die Prozesssicherheit erhöhen.

Zum Aufbau solch kleiner Steuerungsinseln können Gefran-Geräte als Master/Slave konfiguriert werden, indem beispielsweise ein Gerät zum Master wird und die anderen die Slave-Funktion übernehmen. Das spart zusätzliche Feldbus-Schnittstellen und bietet bei redundanter Abbildung in der SPS einen Schutz gegen Ausfall.

Dauerhafte Prozesssicherheit

Ebenfalls einen maßgeblichen Beitrag zur dauerhaften Prozesssicherheit bieten Leistungssteller mit kurzschlussfestem Ausgang. Führen beispielsweise feinste Staubablagerungen oder Feuchtigkeit zu kurzfristigen Stromschwankungen und damit zu Kurzschlüssen, schalten sich die Leistungssteller zum eigenen Schutz und zu dem der gesamten Anlage für Bruchteile von Sekunden aus und fahren anschließend den Produktionsprozess wieder hoch. Damit gewährleisten sie rund um die Uhr die Sicherheit der Regelstrecke und der gesamten Produktion. Die Meldung über Störfälle wird im Sinne einer präventiven Wartung an die übergeordnete Steuerung weiter gegeben.

Auf diese Weise hilft moderne Aktorik nicht nur, Maschinenkomponenten und Menschen zu vernetzten. Sie vereinfacht auch komplexe Steuerungsprozesse und erhöht die Prozess- und Produktionssicherheit.

Nutzen moderner Aktorik für den Endanwender

Am Beispiel der Aufzugbranche und an den unterschiedlichen Antriebskonzepten, die Gefran für Aufzüge anbietet, wird deutlich, was sich hinter Schlagworten verbirgt wie:

  • Schnittstellen
  • Verfügbarkeit
  • Plug & Play
  • Fernwartung
  • Selbstdiagnostik
  • Präventivdiagnostik

Außerdem zeigt dieses Beispiel, dass auch der Endanwender von den Vorzügen intelligenter Aktorik profitiert.

Bei der lösungsorientierten Konzeption des optimal geeigneten Antriebskonzepts für die jeweilige Aufzugsanwendung gilt es für die kostenoptimierte Auslegung der Aufzugsanlage zahlreiche Kriterien zu berücksichtigen: Handelt es sich um eine Neuanlage, oder soll ein Aufzug modernisiert werden? Geht es um einen Aufzug für ein Wohngebäude mit bis zu fünf Stockwerken (low-rise), einen Komplex mit zehn bis zwanzig Etagen (mid-rise) oder um einen Wolkenkratzer (high-rise)? Auch die Art der Gebäudenutzung spielt eine Rolle, da die Gesamtbelastung von Aufzügen in Wohngebäuden eine andere ist als die in Bürogebäuden.

Grundsätzlich gilt: je höher das Gebäude und je größer und stärker frequentiert der Aufzug, desto leistungsstärker muss das Antriebskonzept bzw. der Lift-Umrichter ausgelegt sein. In Wohngebäuden reichen in der Regel einfache universelle Umrichter. In Hochhäusern dagegen werden eine effektivere Regelung, aufwendigere Anbindungen und mehr Schnittstellen benötigt.

Liftumrichter mit modularem Konzept

Mit dem modularen Konzept des Liftumrichters ADL300 für den schützlosen Betrieb von Aufzügen mit Synchron- und Asynchronmotoren bietet Gefran eine flexible Lösung, die sich sowohl für den Einbau in neue als auch zur Modernisierung bestehender Anlagen mit oder ohne Maschinenraum eignet. Damit reduzieren sich Anschaffungs-, Inbetriebnahme- und Instandhaltungskosten. Der ADL300 AFE ist besonders kompakt und leise und nutzt für die serielle Kommunikation mit der Steuerung neben den Protokollen DCP3, DCP4 und CANopen den eigens für die Aufzugsbranche entwickelten DS417-Feldbus. Speziell für den Einsatz in Gebäuden mit hoher Wohndichte oder Hochhäusern kann der Umrichter mit einem Rückspeisesystem ausgerüstet werden, das die Bremsenergie ins Netz zurück speist und sie anderen Abnehmern zur Verfügung stellt.

Immer strengere Normen im Bereich der funktionalen Sicherheit sorgen dafür, dass die Weiterentwicklung und Verbesserung von Aufzugskomponenten vorangetrieben wird. Die Arbeitskreise „Normung“ und „CiA“ (Can in Automotion) des VFA Interlift e.V., dem Verband für Aufzugstechnik widmet sich unter anderem dieser Aufgabe. Ein Ergebnis aus dem Arbeitskreis der „CiA“, zu dem auch Gefran gehört, war die Entwicklung des Feldbus-Systems für Aufzüge. Ziel war die Konzeption eines standardisierten Kommunikationssystems zwischen den einzelnen Aufzugskomponenten und der Steuerung sowie vereinfachte Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten.

Reduzierter Verdrahtungsaufwand

Das Feldbus-System für Aufzüge besitzt jedoch weitere Vorteile: Es reduziert den Verdrahtungsaufwand erheblich, weil nur noch ein zentrales Kabel benötigt wird. Das senkt nicht nur die Bau- und Wartungskosten, sondern zahlt sich auch im täglichen Betrieb aus. Denn anders als bei den bisher üblichen I/O-Link-Schnittstellen können per Feldbus ganze Datenpakete und damit ungleich mehr Informationen an die Steuerung verschickt werden: beispielsweise ob der Ventilator nicht korrekt funktioniert und der Umrichter dadurch überhitzt oder wie hoch die Temperatur des Umrichters gerade ist – alles in Echtzeit.

Zudem können per Feldbus Daten aus dem Umrichter ausgelesen werden, die Aussagen über seine Effizienz und Einsparpotentiale liefern. So kann der Aufzugsbauer dem Eigentümer aufgrund der vorliegenden Statistiken zeigen, welche Einsparungen sich beispielsweise bei der Modernisierung der bestehenden Hochhausaufzugsanlage durch eine vernetzte Lösung mit Energierückspeisung ergäben.

Erstmals Präventivdiagnostik möglich

Durch die Vernetzung aller Aufzugskomponenten mit einander und mit der Steuerung über eine einzige Kommunikationslinie wird erstmals eine Präventivdiagnostik tatsächlich möglich. Auf diese Weise können abgenutzte Elemente ausgetauscht werden, bevor sie Defekte aufweisen und dies zu massiven Schäden führt. Des Weiteren erfordert der Feldbus als Plug&Play-Stecker keine komplizierte Verdrahtung und damit für die Wartung bzw. das Auslesen der Daten keinen Elektronikexperten. Die Vernetzung der Komponenten über einen Feldbus bietet dabei die Möglichkeit, via Internet auf sie zuzugreifen und die Daten über ein Display im Aufzug anzeigen zulassen. Auf diese Weise kann Überlast – sie zeigt sich an einem erhöhten Stromverbrauch aufgrund des zu hohen Passagiergewichts – diagnostiziert und Ermüdungserscheinungen an den Komponenten erkannt werden. Der Fehler wird quittiert und im Steuergerät hinterlegt. Über die Fernwartung lässt sich dann ermitteln, ob ein Austausch der jeweiligen Komponente sofort oder in näherer Zukunft erforderlich ist. Außerdem geben die Daten Aufschluss darüber, ob gegebenenfalls der Motor oder Umrichter für den Einsatz grundsätzlich zu Unterdimensioniert oder vielleicht Überdimensioniert ist etc.

Die Vernetzung der Aufzugskomponenten über Feldbus und die Anbindung an das Internet haben jedoch noch weitere, weniger naheliegenden Vorzüge: Über den Monitor im Aufzug können Sicherheitshinweise bzw. Verhaltensmaßregeln im Störfall bekanntgegeben werden. Warenhäuser können Werbung über das Display schalten und in großen Konzernen können die Monitore zu allgemeinen Information der Mitarbeiter genutzt werden. All dies wird durch moderne Aktorik, diese kleinen, unscheinbaren, aber dennoch essentiellen Komponenten ermöglicht. (jv)

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