A A A
| Sitemap | Kontakt | Impressum | Datenschutz
ETZ Logo VDE Verlag Logo

Der Industrie-4.0-Antrieb

(Bild: Fotolia_everythingpossible)

(Bild: Fotolia_everythingpossible)

Gunther Krei von der <a href=http://www.yaskawa.eu.com/de>Yaskawa Europe GmbH</a> ist sowohl im ZVEI-Arbeitskreis Industrie 4.0 als auch in verschiedenen Normengremien tätig

Gunther Krei von der Yaskawa Europe GmbH ist sowohl im ZVEI-Arbeitskreis Industrie 4.0 als auch in verschiedenen Normengremien tätig

Artur Bondza von der <a href=http://www.pepperl-fuchs.com>Pepperl + Fuchs GmbH</a> beschäftigt sich intensiv mit dem Thema Digitalisierung und Industrie 4.0 und ist im eCl@ss e. V. und dem ZVEI tätig

Artur Bondza von der Pepperl + Fuchs GmbH beschäftigt sich intensiv mit dem Thema Digitalisierung und Industrie 4.0 und ist im eCl@ss e. V. und dem ZVEI tätig

Martin Hankel, Abteilungsleiter Digital Business bei der <a href=http://www.boschrexroth.com>Bosch Rexroth AG</a>, ist besonders mit der Thematik Standardisierung und der Referenzarchitektur RAMI 4.0 in verschiedenen Gremien tätig. Er ist Sprecher des ZVEI Arbeitskreises Industrie 4.0 Antriebstechnik

Martin Hankel, Abteilungsleiter Digital Business bei der Bosch Rexroth AG, ist besonders mit der Thematik Standardisierung und der Referenzarchitektur RAMI 4.0 in verschiedenen Gremien tätig. Er ist Sprecher des ZVEI Arbeitskreises Industrie 4.0 Antriebstechnik

Norbert Scholz, Geschäftsführer Systemtechnik bei der <a href=http://www.baumueller.de>Baumüller Nürnberg GmbH</a>, ist in verschiedenen ZVEI-Arbeitskreisen und VDMA-Gremien tätig

Norbert Scholz, Geschäftsführer Systemtechnik bei der Baumüller Nürnberg GmbH, ist in verschiedenen ZVEI-Arbeitskreisen und VDMA-Gremien tätig

Die Kernkomponente Antrieb durchläuft ganz unterschiedliche Wertschöpfungsprozesse: von der Planung und Herstellung über die Integration in Maschinen bis hin zur Inbetriebnahme und schließlich der Nutzung im Produktionsprozess. Elektrische Antriebe machen im Verbund mit Sensoren und IT-Lösungen ein Umdenken von Aktoren möglich. Somit stellen sie Initiatoren von Industrie 4.0 (I4.0) dar. Die Antriebstechnik sieht sich daher in der aktiven Rolle, die Gestaltung des künftigen Industrieprodukts Antrieb 4.0 voranzutreiben.

Verschiedene Antriebstechnikhersteller – darunter Baumüller, Bosch Rexroth, Danfoss, Getriebebau Nord, Kollmorgen, Lenze, SEW, Siemens – und die Maschinenbauer Homag, KHS und Trumpf treiben unter Federführung des ZVEI und unter Mitwirkung der TU Darmstadt die Realisierung des „Antriebs 4.0“, also des elektrischen Antriebs als Industrie-4.0-Komponente, voran. Entscheidend dabei ist die einheitliche, herstellerunabhängige Datenbereitstellung. In einem ersten ZVEI-Papier heißt es dazu: „Zur Schaffung einer einheitlichen Datenstruktur mit I4.0-Semantik wurde das auf internationalen Standards aufbauende Klassifizierungssystem „eCl@ss“ ausgewählt, in dem viele Merkmale verschiedener Bereiche der Antriebstechnik bereits definiert sind. Die entstehenden standardisierten Daten bilden auch die Basis für den Aufbau von Informationsmodellen wie für OPC UA. Im Rahmen eines ZVEI-Forums anlässlich der Hannover Messe sind die Antriebsexperten mit den Ergebnissen ihrer Arbeit erstmals an die Öffentlichkeit gegangen.
Warum spielt ein Antrieb für Industrie 4.0 eine wichtige Rolle? Brauchen wir ihn in der digitalen Welt von Industrie 4.0 überhaupt noch in dieser Form? „Die Maschine soll sehr schnell in Betrieb genommen werden – eine hohe Transparenz aller Vorgänge ist gefordert. Daher muss der Antrieb Industrie-4.0-tauglich sein, um über die Verwaltungsschale auf einfache, einheitliche Art und Weise in das Anlagenkonzept eingebunden werden zu können“, betont N. Scholz. Der Antrieb selbst ist für ihn eines der wichtigsten Elemente. Die Datentransparenz war „den Herstellern von Antrieben und Maschinenausrüstern schon immer wichtig, um die hochkomplexen Funktionen und Regelungsstrukturen darstellen zu können.“
G. Krei hebt ebenfalls die Bedeutung des Antriebs hervor: „Ein Antrieb wird immer gebraucht. In der Vergangenheit hat man den Motor als Befehlsempfänger betrachtet, als den, der gearbeitet hat. Heute ist der Motor sehr viel mehr: Der Motor wird jetzt auch zum Sensor, liefert Daten, die Rückschlüsse zulassen zum Beispiel auf die Qualität der Produktion oder notwendige Wartung des Antriebs.
Ressourcenschonung: Durch geeignetes Erfassen und Auswerten der Daten wird es möglich, Anlagenbereiche so aufeinander abzustimmen, dass sie im effizienzoptimierten Arbeitspunkt betrieben werden.“ Er schließt an: „Viele Daten entstehen in den unterschiedlichen Wertschöpfungs- und Nutzungsebenen. Diese Daten sinnvoll zu verwalten und zum richtigen Zeitpunkt dem Nutzer in geeigneter Form zur Verfügung zu stellen – das steckt hinter Industrie 4.0.“
In der Bürotechnik wurden vor vielen Jahren Ablagestrukturen geschaffen, die die Organisation erleichtern. „In der Antriebstechnik wird erst jetzt an einer effizienten Nutzung der Daten gearbeitet“, setzt G. Krei fort. „Noch nie vorher seien anfallende Daten so strukturiert geclustert und weiterverarbeitet worden. Wir benötigen den Antrieb 4.0, um zu einer effizienten Nutzung im Rahmen moderner Produktionsprozesse zu kommen.“
Der Nutzen der Antriebsdaten
„Wichtiger als das reine Sammeln von Daten sind die Geschäfts- und Servicemodelle, die sich daraus entwickeln – beispielsweise Predictive Maintenance“, betont N. Scholz. Ein zweites wichtiges Thema ist für ihn die Energieeffizienz: „Das betrifft nicht nur die Herstellung eines möglichst energieeffizienten Motors, sondern auch und insbesondere den effizienten Betrieb. Die Bewertung und die Analyse der Effizienz im Betrieb werden erst mit den gesammelten Daten möglich.“
Für die Hersteller von Antrieben ist darüber hinaus die Rückinformation aus den Anlagen wichtig, um zukünftige Produkte noch effizienter gestalten zu können „Daten werden in verschiedensten Stufen der Wertschöpfungskette genutzt“, schließt N. Scholz an.
„Schon bei der Auslegung der Anlage werden Informationen benötigt, die in einer bestimmten Form vorliegen müssen“, weiß G. Krei. „Bisher liegen diese Daten in unterschiedlicher Form vor und werden manuell zusammengeführt. Besser ist es doch, sie in strukturierter und standardisierter
Form zu bekommen. Auch bei Anwendungen wie Predictive Maintenance erleichtern Daten in strukturierter Form das Leben. Und das gilt für alle Prozessebenen.“
A. Bondza merkt an: „Interessant wird es, wenn aus den Daten Informationen werden. Dazu brauche ich einen Kontext und eine Semantik. Ohne diesen Überbau sind die Daten nutzlos und bieten keinerlei Mehrwert.“ N. Scholz ergänzt: „Wir können nur die Daten analysieren, die wir auch erzeugen. Hersteller werden nur ungern Produktdaten aus der Entwicklung vollkommen transparent machen.“ Seiner Meinung nach sind daher die Ist-Daten aus dem Betrieb wesentlich wichtiger.
Laut M. Hankel muss der Betreiber von Anlagen in den Mittelpunkt gestellt werden: „Der Anlagenbetreiber will kostengünstiger produzieren. Hier wollen wir ihm Hilfestellung bei der Senkung der Stückkosten geben.“ Das zweite Thema ist die Entwicklung neuer Use Cases aus mathematischen Modellen, oder die Fragestellung: Was können wir aus den Daten lernen, um neue Use Cases zu finden? „In einem unserer Werke haben wir Daten von einer Produktionslinie erhalten. Die Linie selbst wurde vor drei Jahren aufgestellt und von den Mitarbeitern und Prozessberatern durch verschiedene Methodiken immer weiter optimiert. Dann haben wir vorhandene Daten des letzten halben Jahres mathematisch untersuchen lassen. Dank dieser mathematischen Optimierung haben wir an dieser Linie eine weitere zehnprozentige Optimierung der Verfügbarkeit im Betrieb erreicht“, schilderte er ein Beispiel aus dem eigenen Unternehmen. „Generell gilt es daher, zunächst die Prozesse zu optimieren und dann mittels mathematischer, auf den gewonnenen Daten basierender Modelle, weiteres Optimierungspotenzial zu erschließen.“
Standards schaffen Zukunftssicherheit
Damit der Antrieb als Teilnehmer im RAMI-4.0-Architektur-Modell verwendet werden kann, muss der Antrieb eine Sprache nutzen, die alle anderen Teilnehmer – Aktoren und Sensoren – verstehen“, so A. Bondza. „Grundlage hierfür bildet eine maschinenlesbare Semantik.“ M. Hankel ergänzt dazu: „Der Antrieb muss sich eindeutig identifizieren und ein Kommunikationsprotokoll, eine Datenübertragung mitbringen, die andere Teilnehmer auch verstehen, zum Beispiel im Produktionsprozess OPC UA.“ Darüber hinaus wird eine einheitliche, standardisierte Semantik notwendig, welche die ZVEI-Arbeitsgruppe derzeit erarbeitet. Für M. Hankel sind diese Anforderungen „das Minimum, um einen Antrieb Industrie-4.0-tauglich zu machen“. Weitere Anforderungen, wie Security, kommen hinzu.
Die Daten müssen über die gesamte Nutzungsdauer, angefangen mit der Entwicklung über dem Herstellungsprozess bis zur Entsorgung, gepflegt werden. „Dafür werden gute, weltweite gültige Standards mit langer Laufzeit benötigt“, schließt G. Krei an. M. Hankel nennt in diesem Zusammenhang den Standard „eCl@ss“, der Nachvollziehbarkeit für jedes Attribut bis zur Entstehung zurück gewährleistet. Für N. Scholz ist die Standardisierung ein wesentlicher Punkt, der zur Transparenz beiträg: „Mittels einheitlicher Schnittstelle kann herstellerspezifisches Know-how geschützt, gleichzeitig aber als Ergebnis der Industrie-4.0-Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden. So bleiben individuelle Produktmerkmale erhalten.“ Unterschiedliche Antriebe können miteinander kommunizieren und die Maschine oder Anlage kann ganzheitlich betrachtet werden.
„Wir müssen einerseits für gute Standards sorgen“, fügt M. Hankel hinzu. „Entscheidend ist aber auch, wie wir mit den Daten umgehen. In der Langzeitanwendung müssen die Daten gesammelt werden und nachvollziehbar sein. „Die Beschreibung der kompletten Implementierung in einer Anlage steht noch aus – hiermit können dann die Hersteller einen USP für ihre Produkte schaffen“, schließt er an. „Sprache besteht aus verschiedenen Komponenten“, ergänzt A. Bondza. „,eCl@ss‘ stellt im Prinzip das Vokabular oder das Wörterbuch. Zur Sprache gehört aber auch ein Regelwerk im Sinne von Ontologie, die ihrerseits als Regelwerk entwickelt werden muss und die einzelnen Wörter in sinnvolle Zusammenhänge bringt.“
Antriebe unterschiedlicher Hersteller, die zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Daten liefern sollen, müssen dennoch 100-prozentig identifiziert werden können. Die Grundinformationen sind laut M. Hankel festgelegt: „Neben einer Hersteller- und einer Seriennummer gehören zumindest eine Materialnummer und eine Typbeschreibung dazu.“
Die Hoheit über die Daten
Wer verfügt über die Datenhoheit – Antriebshersteller, Maschinenbauer oder Betreiber? „Die Daten gehören zunächst einmal dem, der sie erzeugt“, ist M. Hankel überzeugt. „Zum Beispiel verfügt der Hersteller über die Entwicklungsdaten. Über die eindeutige Identifikation können die verschiedenen Daten ausgetauscht werden.“ Laut M. Hankel ist mittlerweile eine höhere Bereitschaft zur Offenheit im Umgang mit prozessrelevanten Daten festzustellen. Generell gilt für ihn: „Je höher die unmittelbaren Kosten für einen Produktionsausfall sind, je eher ist man bereit, Daten auch nach außen – natürlich an die richtige Stelle und keinesfalls vollkommen frei – zu geben.“ N. Scholz ergänzt: „Daten, die erzeugt werden, kann der Produkthersteller unter den gesetzlichen Rahmenbedingungen transparent machen. Für Entwicklungsinformationen gilt das nur beschränkt, bei Anwendungsdaten ist es wieder anders. Welche Daten an den Endkunden weitergegeben werden, entscheidet der Maschinenbauer.“ Vor allem die Ist-Daten müssen transparent sein. Diese werden auch für die Analyse benötigt.
Zum Thema Aufbewahrung stellt N. Scholz heraus: „Daten haben immer auch unterschiedliche Lebenszyklen.“ Leistungsaufnahme oder Stromverbrauch werden unmittelbar bei ihrer Entstehung benötigt, andere aber auch im Service. Welche Daten über welchen Zeitraum gespeichert werden müssen, sei nur „schwer bis unmöglich vorauszusagen“, betont hingegen A. Bondza. „Es ist einfach wichtig, ein Fundament von Daten zu haben, auf die man zurückgreifen kann.“ Angesicht der recht geringen Preise für Datenspeicher sei es eher kontraproduktiv, an der Datenmenge zu sparen. Und G. Krei stellt heraus: „Es ist sinnvoll, über den gesamten Lebenszyklus die entstehenden Daten zu sammeln und über ,geeignete Strukturen‘ die Daten dort zur Verfügung zu stellen, wo sie wirklich benötigt werden.“ Diese „geeigneten Strukturen“ sind wichtig, um optimale Information bei gleichzeitiger Vermeidung von Datenüberflutung zu erreichen.
Ausblick
Im Zusammenarbeit mit der TU Darmstadt entsteht derzeit eine erste prototypische Realisierung, die über eine standardisierte Schnittstelle in der Verwaltungsschale von Antrieben unterschiedlicher Hersteller auf erste I4.0-Funktionen zugreift und diese in den Antrieben ausführt. „Wir wollen zeigen, wie standardisierte Kommunikation funktioniert und herstellerunabhängige Informationen über verschiedene Kommunikationswege und -protokolle verarbeitet werden können“, erklärt dazu N. Scholz. „Ein Antrieb vom Lieferanten A, B oder C kann einfach in das System integriert werden.“ Genutzt werden kann zum Beispiel eine Oszilloskopfunktion zur Untersuchung auf Genauigkeit. M. Hankel stellt heraus, dass auch weitere interessierte Unternehmen zur Mitarbeit eingeladen sind.
Mit weiterem Blick in die Zukunft ist M. Hankel überzeugt, dass „Komponenten in der Maschine, selbstständig miteinander agieren, einen Prozess implementieren und erledigen können.“ Für N. Scholz wird Autotuning und Inbetriebnahme-Software zur vereinfachten Integration eines Antriebs in ein Gesamtkonzept ein wichtiger Part für die Zukunft. Industrie 4.0 fängt für ihn bei der einfachen Implementierung eines Antriebs gemeinsam mit Produkten anderer Lieferanten an. Für G. Krei wird zukünftig über die verschiedenen Ebenen der Kommunikation hinaus interagiert. Die Fabrik der Zukunft wird dadurch flexibler, schneller und offener. Abläufe von der Inbetriebnahme bis zum Service werden erleichtert und die Effizienz der Gesamtanlage gesteigert. (hz)