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Enabler der Konstruktion So gelingt der einfache Einstieg in die Digitalisierung

Eine kleine; clevere Box verspricht Großes: Der ABB Ability Smart Sensor ist der erste Schritt zur Digitalisierung des elektrischen Antriebsstrangs. Damit verbessert sich nicht nur die Produktivität der gesamten Anlage.

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Daten von Motoren erfassen und zur weiteren Auswertung in die Cloud schicken – mit dem Smart Sensor von ABB gelingt der einfache Einstieg in die Digitalisierung.
Daten von Motoren erfassen und zur weiteren Auswertung in die Cloud schicken – mit dem Smart Sensor von ABB gelingt der einfache Einstieg in die Digitalisierung.
(Bild: ABB)

Auf den ersten Blick wirkt die kleine Box wie ein schickes Zubehörteil für ein cooles elektronisches Gerät aus dem Consumer-Bereich. Das weiße Kästchen mit den abgerundeten Ecken misst etwa 8 cm x 7 cm x 4,5 cm (B x H x T) und wiegt keine 200 g. Mit handelsüblichen Schrauben lässt es sich einfach an Motoren oder Pumpen befestigen. Auf dem Gehäuse, das aus Edelstahl und hochwertigem Kunststoff (PBT) besteht, befindet sich neben dem Logo des Herstellers ABB ein schematisiertes Koordinatensystem mit den Abkürzungen R, A und T R, A und T für Radiale, Axiale und Tangentiale Messrichtungen – das war's.

Doch dieses kleine Kästchen – der ABB Ability Smart Sensor – ist eine Schlüsselkomponente, um die Produktivität und Effizienz ganzer Anlagen zu erhöhen. Zum Beispiel in der Ersatzbrennstoff-Verbrennungsanlage im Industriepark Höchst, einer der größten ihrer Art in Deutschland.

Enabler der Konstruktion: Smarte Komponenten

Simulation, Leichtbau, smarte Komponenten – welche Entwicklungen werden sich durchsetzen? konstruktionspraxis hat mit den „Enablern der Konstruktion“ Unternehmen ausgezeichnet, deren Lösungen Konstruktion und Entwicklung nachhaltig verändern können.

Herausforderung: Ohne Frequenzumrichter, Motoren und Pumpen läuft in der Produktion nichts: kein Förderband, keine Werkzeugmaschine, keine Mühle – die Liste lässt sich beliebig erweitern. Fällt ein Antrieb aus, steht im ungünstigsten Fall die ganze Produktion.

Lösung: Der Smart Sensor von ABB schafft den einfachen und pragmatischen Einstieg in die Digitalisierung des Antriebsstrangs. Der intelligente Sensor sammelt die Daten des Motors unabhängig von der vorhandenen Infrastruktur und ermöglicht ihre Analyse. Direkt am Motor befestigt, lässt sich dessen „Gesundheitszustand“ permanent überwachen.

Was bringt’s: Die Digitalisierung des Antriebsstrangs macht die Produktion transparenter und effizienter und ermöglicht es, Kunden zusätzliche Services anzubieten. Außerdem beschleunigt sie die Entwicklung von Maschinen inklusive reibungsloser Inbetriebnahme.

Daten sammeln und analysieren

Auf dem 4,6 km2 großen Areal des Industrie- und Pharma­standorts sind sehr viele kleine bis mittelgroße Niederspannungs-Elektromotoren im Einsatz. Zentraler Dienstleister für technische Services ist die Infraserv Höchst Prozesstechnik. Zu ihren Aufgaben gehört es, die Motoren der Verbrennungsanlage zuverlässig und effizient zu überwachen. Um über den Zustand der Ausrüstung stets auf dem Laufenden zu sein, hat das Unternehmen mehrere Dutzend Exemplare des Smart Sensors zu Testzwecken an verschiedenen technischen Plätzen installiert.

Dort sammeln die Sensoren Daten wie Vibration oder Temperatur der Komponenten des Antriebsstrangs. Diese werden anschließend über ein ABB-Gateway oder Smartphone in die Cloud hochgeladen, analysiert und für die vorausschauende Wartung der Antriebskomponenten genutzt. „Sensorik bietet die Basis zum Heben von Optimierungspotenzialen in der Instandhaltung“, erklärt Dirk-Harald Bestehorn, Leiter Asset Management/Engineering der Infraserv Höchst Prozesstechnik. Über die Auswertung der Sensordaten – etwa den Verlauf von Vibrationen, Temperatur, Drehzahl oder des aufgenommenen Stroms – lassen sich mit Hilfe von Cloud-Diensten Vorhersagen, wann ein Motor ausfällt, mit hoher Wahrscheinlichkeit treffen. Instandhalter wie Infraserv können dann agieren statt nur zu reagieren und beispielsweise Produktionspausen oder Umrüstvorgänge von Maschinen für einen anstehenden Motorentausch nutzen.

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Doch der Einsatz der smarten Sensoren bietet deutlich mehr Potenzial, als die reine Zustandsüberwachung (condition mon­itoring) und die rechtzeitige Planung von Wartungsarbeiten ohne Maschinenausfälle (predictive maintenance). Auch Dirk-Harald Bestehorn von Infraserv betont: „Die Sensorik ist ein wichtiger Teil unserer Digitalstrategie.“ Die benötigt jeder Maschinenbauer, der seine Produktion transparenter und effizienter machen oder den Kunden zusätzliche Services anbieten möchte.

Wie aber soll ein kleiner Sensor Maschinenbauer in das IIoT-Zeitalter katapultieren? „Gerade kleine und mittelständische Unternehmen fürchten hohe Investitionen und Zeitaufwände“, weiß Tobias Schmidt, Produktmanager Service bei der ABB Automation Products GmbH. „Schließlich wollen sie nicht auf die falsche Technologie oder Strategie setzen.“ Gefragt sind deshalb einfache, günstige und skalierbare Digitalisierungslösungen, die sofort einen Mehrwert bieten.

Antriebe als idealen Einstieg nutzen

Den idealen Einstieg in die Digitalisierung bietet die elek­trische Antriebstechnik, weil sich hier Lösungen umsetzen lassen, die sofort einen Mehrwert bieten, zum Beispiel die Stillstandzeiten deutlich zu reduzieren. Gleichzeitig wird die Lebensdauer der Motoren und Pumpen durch den Betrieb in der idealen Lastkurve verlängert und auch der Energieverbrauch lässt sich senken. Anlagenbetreiber können die Ergebnisse der datenbasierten Zustandsüberwachung in ihre Wartungsplanung effektiv einbinden, wie das Beispiel im Industriepark Höchst zeigt.

Wer die Antriebstechnik digitalisiert, kann darüber hinaus die Entwicklung von Maschinen beschleunigen und die Inbetriebnahme reibungsloser durchführen. Auf der Grundlage einer durchgehenden Datenbasis mit digitalen Zwillingen aller Komponenten wie Motoren oder Frequenzumrichtern zeigt bereits der virtuelle Betrieb, wie sich die Maschine verhält und ob sie sich in die Anlage integrieren lässt. „Das ist natürlich die hohe Ausbaustufe der Digitalisierung“, erklärt Schmidt, „doch alle kleinen Schritte zahlen auf dieses Ziel ein.“

Vom Sensor bis zum digitalen Antrieb

Mit Ability bietet das Unternehmen Digitalisierungslösungen aus einer Hand. Zum Portfolio des ABB Ability Condition Monitoring für den Antriebsstrang zählen die Smart Sensor-Lösungen für Lager, Pumpen, Motoren und Getriebe. Damit die Daten der Komponenten automatisch in die ABB Ability Cloud gelangen, verfügt ABB über die entsprechenden und stets auf Industriestandards basierenden Connectivity-Lösungen – um sowohl Neuinstallationen als auch Retrofits zu vernetzen. Das geht über Ethernet-basierte IoT-Gateways für Umrichter und über Bluetooth-Gateways für Smart Sensoren. ABB wendet dabei Prozesse nach dem neuesten Stand der Technik an, um die Sicherheit der Daten und Anlagen zu gewährleisten. Ohne Aufwand und hohe eigene Entwicklungskosten lassen sich so Antriebe von Maschinen oder ganzen Anlagen über Dashboards in der ABB Ability Cloud oder einer Private Cloud im Unternehmen überwachen. Standardisierte Connectivity-Lösungen und Datenformate schaffen Flexiblität in der Planung und Entwicklung eigener Geschäftsmodelle.

Um den Mehrwert für Maschinenbauer zu erklären, holt der ABB-Experte aus. „Bei dem Begriff ‚Digitaler Antriebsstrang‘ geht es in erster Linie um die Vernetzung aller Antriebskomponenten“, erklärt Schmidt. Werden die Daten über alle Antriebskomponenten hinweg kombiniert, gelingt es, ein tieferes Verständnis für die Antriebslösung zu entwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen, sind die Komponenten des digitalen Antriebsstrangs mit Sensoren ausgestattet und verfügen über Cloud-Konnektivität. Frequenzumrichter können jeden Motor regeln und werden über ein Cloud-Gateway angebunden, während der ABB Ability Smart Sensor Motoren, Stehlagern sowie Pumpen zum drahtlosen Anschluss an die Cloud verhilft.

Datenaggregation und Datenanalyse helfen, sich ein genaues Bild von der Ausrüstung der Maschinen und Anlagen zu machen und den Betrieb sicherer, zuverlässiger und effizienter zu gestalten. Der digitale Antriebsstrang ermöglicht also die vollständige Transparenz über den Zustand und das Leistungspotenzial aller Antriebskomponenten und somit auch der Maschine und Anlage. „Voraussetzung ist allerdings ein System, das auf offenen Standards basiert, wie der ABB Ability Digital Powertrain“, betont Tobias Schmidt.

Verbindung zu den Antrieben schaffen

Worauf kommt es nun ganz pragmatisch bei der Digitalisierung von Antrieben an? „Es geht zuallererst darum, die Daten eines Motors oder einer Pumpe zu sammeln“, erklärt der ABB-Digitalisierungsexperte. „Das Gute ist: Diese Daten sind schon vorhanden, sie müssen nur erfasst werden.“ Denn jedes Gerät produziert Vibrationen und erzeugt einen Temperaturverlauf, egal ob es sich um einen 20 Jahre alten Niederspannungsmotor oder ein aktuelles Modell handelt.

„Bei Neuanschaffungen oder dem Generationswechsel einer Maschine lohnt auf jeden Fall moderne Antriebstechnik“, rät der Experte. In der Praxis muss jedoch die Digitalisierung bei einer Vielzahl von Antrieben verschiedener Hersteller und Generationen sowie bei der vorhandenen Infrastruktur funktionieren. Die ideale Lösung für die Digitalisierung beliebiger Antriebe sind intelligente Sensoren wie der Smart Sensor von ABB. Direkt am Motor befestigt sammelt er die Daten unabhängig von der vorhandenen Infrastruktur und stellt sie einer Analyse zur Verfügung.

Der Smart Sensor lässt sich herstellerunabhängig auf allen gängigen Motortypen und -gehäusen einfach montieren und ist innerhalb von wenigen Minuten voll einsatzbereit. Ohne weitere Eingriffe in das Produktionsnetzwerk gelingt damit der schnelle und unkomplizierte Einstieg in die Zustandsüberwachung. Das funktioniert schon für die Überwachung von nur einem Motor, lässt sich aber beliebig skalieren in ein ganzheitliches Digitalisierungskonzept einbinden.

Den ganzen Antriebsstrang überwachen

Wird bei Neuinstallationen von Antrieben ABB Ability Condition Monitoring für den Antriebsstrang verwendet, so sammeln bereits die Frequenzumrichter Motordaten für die Zustandsüberwachung. Ideal ist dann, wenn die Datenqualität durch den Smart Sensor zusätzlich unterstützt werden kann und eine gemeinsame Cloud-Plattform für die Datenanalyse dient. Außerdem können durch die Kombination von intelligenten Sensoren und moderner Antriebstechnik nicht nur Teilaggregate, sondern komplette Antriebsstränge überwacht werden. Und weil je nach Branche und Anwendung neben Motoren auch Pumpen, Lager und Getriebe im Einsatz sind, bietet ABB den Smart Sensor auch für diese Komponenten an. So lassen sich weitere produktionskritische Elemente überwachen.

Mit ABB Ability lässt sich an beliebiger Stelle einsteigen und sukzessive ohne Sackgasse der komplette Antriebsstrang digitalisieren. Das reicht vom Smart Sensor über Motoren und Frequenzumrichter bis hin zu den Cloud-Services, der Cloud-Infrastruktur sowie Apps, Tools, Analytics und Maintenance Services.

Entwickler und Konstrukteure profitieren ebenfalls von der Digitalisierung der Antriebstechnik. Auch hier kann der einfache Einstieg in den digitalen Maschinenbau über die Antriebslösung erfolgen. Die Digitalisierung bietet das Potenzial, sowohl die eigenen Produkte zu optimieren als auch neue Geschäftsmodelle zu entwickeln. Durch den Digital Twin einer Antriebslösung lässt sich beispielsweise virtuell in einer Simulation mehr Last auf den Motor geben und prüfen, ob man den Durchsatz einer Werkzeugmaschine problemlos erhöhen kann: Wie verhält sich der Motor und Frequenzumrichter, wird die Energieaufnahme zu hoch, liegt der Betrieb nicht mehr im energieeffizienten Arbeitsbereich?

Da ABB von allen Komponenten ihrer Antriebslösungen digitale und standardisierte Abbilder zur Verfügung stellt, können Anwender diese Daten problemlos jetzt oder künftig mit den Digital Twins anderer Lösungen, Maschinen oder ganzen Anlagen verknüpfen. Beispielsweise kann der Digital Twin der Antriebslösung mit dem digitalen Abbild der Materialzufuhreinheit kommunizieren. Der Maschinenhersteller sieht dann, ob die Erhöhung der Antriebsleistung Auswirkungen auf die Zufuhreinheit hat. Entwickler haben somit durch die Digitalisierung der Antriebstechnik schon beim Engineering und der Simulation die Möglichkeit, auf einen problemlosen und optimierten Betrieb der Maschine oder Anlage hinzuarbeiten.

Ob der Smart Sensor zunächst „nur“ Daten sammelt oder aber in einer weiteren digitalen Ausbaustufe schon die Datenqualität erhöht, in jedem Fall verwandelt er Motoren und andere antriebstechnische Komponenten in intelligente, drahtlos verbundene Geräte – unkompliziert und kostengünstig. Wie ein Fitnesstracker, der große Trends transparenter macht und sowohl Maschinenbetreibern als auch Maschinenbauern nicht nur dabei unterstützt, Produktion und Entwicklung zu optimieren, sondern darüber hinaus auch neue Geschäftsmodelle zu entwickeln. (ud)

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