Intelligente Antriebssysteme

Dr. Sadi von Getriebebau Nord zur Digitalisierung

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Intelligente Antriebe sind eine Voraussetzung für die Digitalisierung der Produktion im Rahmen von Industrie 4.0. Warum das so ist, erläutert Dr. Omar Sadi, Technischer Geschäftsführer bei der Getriebebau Nord GmbH & Co. KG in Bargteheide, im Gespräch mit KEM Konstruktion. Ein Vorteil: durch die Verlagerung der Intelligenz ins Antriebssystem wird die zentrale Anlagensteuerung entlastet.

Interview: Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur, KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Nord Drivesystems ist einer der weltweit führenden Komplettanbieter in Sachen Antriebstechnik. Welche Trends sehen Sie derzeit als besonders wichtig an und warum?
Dr. Omar Sadi: Der derzeitige Haupttrend in der Antriebstechnik ist Energieeffizienz. Ich habe mich vor einigen Jahren in Brüssel aktiv mit dieser Thematik beschäftigt. Antriebssysteme gehören in der Industrie zu den Hauptenergieverbrauchern, deshalb hat man sich mit deren Energieeffizienz befasst und als Ergebnis der Diskussionen die verschiedenen Wirkungsgradklassen für Motoren eingeführt: IE1/IE2/IE3 und IE4 (gemäß EN 60034–30–1) und sogar IE5. Später hat man die Betrachtungsweise hinsichtlich der Energieeffizienz auf das gesamte System ausgedehnt. Die Norm EN 50598–2 betrachtet das System. Das heißt, man führte Systemwirkungsgrade für Motor und Frequenzumrichter ein. Mittlerweile liegen die Systemwirkungsgrade bei IES0, IES1 (als Referenzsystem) und IES2 als hocheffizientes Antriebssystem. In dieser Norm EN 50598–2 wurde zudem vorgeschrieben, dass man den Energieverbrauch der Anlagen nicht nur bei Volllast erfasst, sondern auch in Teillast, denn das ist die häufigste Betriebsart. Dadurch erhält der Anlagenbetreiber die Information, welche Verluste hat der Frequenzumrichter in Watt, welche Verluste hat der Motor in Watt und kann daraus seinen Gesamt-Energiebedarf bzw. -verlust ermitteln. Ein weiterer Megatrend sind intelligente Antriebe bestehend aus Getriebe-Motor-Frequenzumrichter. Stichworte sind hier Industrie 4.0, Predictive Maintenance oder Condition Monitoring. Es geht darum die Systeme entsprechend zu vernetzen. Man will damit erreichen, dass sich maßgeschneiderte Kundenlösungen ohne entsprechende Extrakosten und erhöhten Aufwand fertigen lassen und die Herstellungskosten soweit reduzieren, dass man die Größenordnung der Serienfertigung erreicht. Da steckt viel Know-how drin und es setzt voraus, dass die Vernetzung im Rahmen der Industrie 4.0 nutzbar ist.
KEM Konstruktion: Die diesjährige Hannover Messe Industrie stand ganz im Zeichen von Industrie 4.0. Auch Nord Drivesystems hat dort Antriebsfunktionen für die smarte Fabrik vorgestellt. Welche Rolle spielt die Antriebstechnik wenn es um die Digitalisierung der Produktion geht?
Sadi: Die Antriebstechnik ist eine Grundvoraussetzung für die Digitalisierung der Produktion. Die Industrialisierung erfolgte ja bekanntermaßen in den Schritten Erfindung der Dampfmaschine, Erfindung der Elektrizität (Fließband-Produktion) und Automatisierung der Produktion unter anderem mithilfe von Antriebssystemen. Und eine der Kernfragen im Zusammenhang mit der Automatisierung war die Datenübertragung. Ich kann mich erinnern, wie mühsam das damals war, als ich in einem Stahlwerk mittels ISDN-Karte und PC versucht habe, die ganze Anlage zu vernetzen und wie lange es gedauert hat, anschließend die Daten über ein paar hundert Kilometer auf einen anderen PC mit ISDN-Karte zu übertragen. Im Rahmen der Digitalisierung oder der vierten industriellen Revolution eröffnen sich nun enorme Möglichkeiten. Diese Möglichkeiten vereinfachen die Produktion sehr stark. Digitalisierung bedeutet ja, Integration von Sensorik, virtuelle Sensorik, Schnittstellen wie Bussysteme sowie intelligente Software, die optimal auf das Antriebssystem abgestimmt ist. Diese intelligenten Komponenten schicken Zustandsdaten in die sichere Cloud, die von dort mit Filter- und Analyse-Tools ausgewertet werden können. Ein Stichwort in diesem Zusammenhang ist RAMI 4.0. Dabei handelt es sich um ein lösungsneutrales Referenzarchitekturmodell, das die wesentlichen Elemente von Industrie 4.0 in einem Schichtenmodell mit drei Dimensionen zusammenführt. Anhand dieses Gerüsts lässt sich die Industrie-4.0-Technologie systematisch einordnen und weiterentwickeln. Und wir können mit unseren Antriebssystemen – und das ist genau die Grundvoraussetzung für Digitalisierung – in einem Master-Slave-System Gruppen bilden, die intelligent miteinander kommunizieren können und somit kann ich die Anlage modular mit verschiedenen Gruppen aufbauen. In einem nächsten Schritt lässt sich auf diese Weise die gesamte Fabrik vernetzen. Man kann sowohl auf eine zentrale SPS zugreifen, aber auch autark auf die Antriebsgruppen zugreifen. Unsere Antriebssysteme bieten diese Möglichkeit. Und dann kann man in einem weiteren Schritt Fabriken miteinander vernetzen. Man sieht an diesem Beispiel sehr schön, dass Antriebssysteme die Grundelemente der Fabrik- und Anlagenvernetzung sind. Wenn ich in den Antriebssystemen die Intelligenz nicht habe, funktioniert die ganze Kette nicht.
KEM Konstruktion: Zu Ihren Lösungen im Bereich Antriebe 4.0 gehören unter anderem Frequenzumrichter mit integrierter SPS. Welche Vorteile bietet dieses System für die Anwender?
Sadi: Der Vorteil ist, dass ich die Intelligenz in das Antriebssystem verlagere. Das heißt, mit der integrierten SPS als Gehirn des Antriebssystems, entlaste ich die die zentrale Anlagensteuerung. Mit der Antriebs-SPS lassen sich autarke Produktionsgruppen bilden, weil man vor Ort in Echtzeit Auswertungen machen, Signale verarbeiten und optimierte Diagnosemöglichkeiten anbieten kann. Zudem ergibt sich daraus eine einfache Programmierbarkeit über unsere eigene Software Nordcon. Das heißt, Kundenlösungen lassen sich sehr einfach ohne einen tiefen Eingriff in die Software anpassen und realisieren. Letztendlich ist die integrierte SPS eine Grundvoraussetzung für ein Industrie-4.0-fähiges Antriebssystem, bei dem ich die Intelligenz vor Ort habe. Früher wurde das hauptsächlich über die zentrale Steuerung gemacht. Es gab eine zentrale SPS, die Antriebe waren dumm, ebenso die Sensoren. Alle Komponenten haben ihre Signale an die SPS geschickt, dort lief dann die Auswertung und die Zentralsteuerung hat sozusagen die Aufgaben an die Antriebe verteilt. Mit der dezentralen Technik mit integrierter SPS können die Antriebe die Aufgaben selbstständig lösen. Das heißt, sie können die Signale aufnehmen, die Auswertung machen oder Fehler erkennen und dann durch die Kommunikation innerhalb der Gruppe Master-Slave auch Probleme beheben oder wenn ein Hardware-Defekt vorliegt, eine Meldung an die Zentrale machen. Zudem bieten unsere Antriebe bei entsprechendem Anlagenkonzept auch die Möglichkeit, defekte Stationen über einen Bypass zu umgehen, um die Anlage störungsfrei weiter laufen zu lassen. Das erhöht die Anlagenverfügbarkeit und die Stillstandszeiten reduzieren sich.
KEM Konstruktion: Welche weiteren Antriebslösungen für die smarte Fabrik hat Nord Drivesystems im Angebot?
Sadi: Wir haben im Bereich Antriebstechnik verschiedene Getriebesysteme, in die wir entsprechende Intelligenz einbauen. Wir arbeiten derzeit an Möglichkeiten, die Daten des Antriebs abzulesen und mittels WLAN zu identifizieren, wo er sich befindet. Das ist eigentlich ein einfaches System: ich benötige ein Getriebe und einen Motor sowie ein elektronisches Modul. So kann man mit einfachen Mitteln via WLAN den Zustand abfragen, der Techniker muss also nicht mehr mit einer Strommesszange die Spannung vor Ort messen, sondern hat die Daten automatisch verfügbar. Bei den Motoren arbeiten wir an besonders effizienten Motoren und wir betrachten das Ganze als System bestehend aus Getriebe, Motor und Frequenzumrichter. Da ist Kompaktheit ein Thema. Ich habe einen Antrieb integriert im Getriebe oder ich habe einen Motor mit integriertem Frequenzumrichter. Das sind modulare Systeme, die wir aufbauen, immer mit eingebauter Intelligenz für die smarte Fabrik. Das heißt, nicht nur das Getriebe alleine ist in unserem Fokus, sondern wir bieten vollständig, aufeinander abgestimmte intelligente Antriebssysteme. Wir sehen uns als Systemanbieter– bis hin zur Schnittstelle.
KEM Konstruktion: Um die Sensor-/Prozessdaten auswerten zu können, spielt die Kommunikation eine wichtige Rolle. Hier kommt dem Thema Schnittstellen eine große Bedeutung zu. Wie ist Nord Drivesystems hier bei seinen Antriebslösungen aufgestellt?
Sadi: Nord bietet alle marktüblichen Bussystemen, so dass das Antriebssystem in jede Anlagenautomation integriert werden kann. Damit ist die Kommunikation in die übergeordnete Steuerung oder über ein Gateway in die Cloud gewährleistet. Die Antriebsdaten werden in Echtzeit über den Umrichter erfasst und über das Bussystem an die übergeordnete Anlagensteuerung übermittelt. Von dort gelangen die Daten über einen Gateway in die sichere Cloud. Dort dienen sie zur weiteren Auswertung, Analyse und Diagnose. Der Anlagennutzer kann von überall mit jedem mobilen Endgerät auf die Daten zugreifen. Je nach Anwendung oder Kundenanforderung können die Antriebsdaten auch direkt vom Umrichter über das Bussystem und ein Gateway in die Cloud übermittelt werden. Das heißt, mit unseren Antrieben bieten wir die Möglichkeit, eine ganze Anlage zu vernetzen bis hin zur Daten-Cloud. Wichtiges Thema ist hier natürlich die Datensicherheit, da sind wir in der Diskussion hinsichtlich der nötigen Protokolle, um die Datensicherheit zu garantieren. Wichtig ist für uns das Vertrauen unserer Kunden.
KEM Konstruktion: Condition Monitoring und Predictive Maintenance gehören zu den ersten praktischen Industrie-4.0-Einsatzfeldern. Was genau wird hier überwacht bzw. vorausschauend gewartet?
Sadi: Früher hat man den Zustand der Antriebe und Maschinen über die zentrale SPS mit Alarm oder sogar Abschaltung überwacht. Wenn ein Alarm erfolgte, waren die Anlagenbauteile, etwa Lagerung, Verzahnung oder Wicklung, bereits beschädigt, man konnte also nur reagieren. Dank Digitalisierung ist es heute möglich, Trends über den Zustand eines Antriebes aufzuzeichnen und gleichzeitig auszuwerten, etwa Schwingungen und oder die Öltemperatur. Dadurch ist man in der Lage frühzeitig und vor der Beschädigung der Bauteile eine Zustandsverschlechterung zu erkennen und via Internet autark zu melden. Daher setzen wir beispielsweise bei unseren Industriegetrieben Sensoren für Temperatur und für Schwingungen ein. Die Öltemperatur ist ein wichtiger Indikator für Ölwechselintervalle und Verschleiß, Schwingungen und Geräusch sind Indikatoren für Schäden. Dafür ermittelt man bei der Inbetriebnahme mittels einer Frequenzanalyse einen Gut-Zustand. Die Anlage zeichnet das auf und lernt was ein Gut-Zustand ist. Wenn sich nun im Betrieb etwas verändert, erkennt die Sensorik das im Frühstadium und meldet zum Beispiel erhöhte Schwingungen oder Geräusche. Der Anlagenbetreiber wird somit in der Lage versetzt, die Ursache für die gemeldete Zustandsverschlechterung zu beheben. Betreiber oder Servicetechniker können aber nach wie vor auch über Smartphones, Tablets oder SMS wie früher informiert werden. Unsere Antriebe bieten beide Möglichkeiten. Wenn ich eine Detailanalyse mache, und das ist genau der Predictive-Maintenance-Gedanke, kann ich detektieren, welcher Sensor ist defekt – es herrscht etwa eine erhöhte Öltemperatur im Lager A. Der Anlagenbetreiber oder Servicetechniker weiß so genau, was tut sich, was ist Negativ aber noch nicht kaputt und kann sofort an dieser Stelle ansetzen und beispielsweise einen Ölwechsel veranlassen, ohne das eine Beschädigung vorliegt oder entsteht. Das ist wiederum ein wichtiger Bestandteil der Anlagenverfügbarkeit und der Stillstandsvermeidung.
KEM Konstruktion: Die SPS IPC Drives steht vor der Tür. Verraten Sie uns doch, welche Neuheiten Nord Drivesystems in diesem Jahr im Messegepäck hat?
Sadi: Wir haben natürlich für jede Messe etwas Neues. Auf SPS IPC Drives werden wir mit Nordac Link eine neue Feldverteiler-Baureihe vorstellen. Auch hier komplettieren wir unser Portfolio. Bei unseren Frequenzumrichtern haben wir einmal die dezentrale Technik bei der der Frequenzumrichter auf dem Motor sitzt. Wir bieten hier verschiedene Baugrößen, vom Starter SK 135E über den SK 180E bis zum SK 200E. Und dann haben wir die zentrale Technik im Angebot, Frequenzumrichter für Schaltschrankanwendungen, etwa unsere SK 500E-Baureihe. Und nun kommen die neuen Feldverteiler dazu. Deren Vorteil im Vergleich zur dezentralen Technik ist, viele Betreiber in der Anlagen- und Fördertechnik wollen den Frequenzumrichter nicht aufgesetzt, sondern abgesetzt. Mit der SK-200E-Baureihe ist das nur mit erhöhtem Aufwand möglich. Die Feldverteiler-Baureihe bietet hier dagegen viele Möglichkeiten, etwa die einfache Steckbarkeit. Wir bieten die Geräte modular bis 7,5 kW an und somit komplettiert Nord sein Frequenzumrichter-Programm um die Feldverteiler. Weiterhin stellen wir als Neuheit ein Antriebssystem für Sportgeräte vor, dass zusammen mit einem Kunden entwickelt wurde. Das Antriebssystem wird in intelligente Fitnessgeräte integriert, die sich optimal auf den Nutzer einstellen. Industrie 4.0 ist also auch im Bereich Trainings- bzw. Sportgeräte ein Thema. Das Ganze muss natürlich sehr leise sein, ich muss ein Drehmoment erzeugen, gegen das der Sportler arbeitet. Anstelle von Gewichten, verwendet man heute Getriebe, also Drehmoment gegen Drehmoment. Die Anforderungen an das Getriebe sind dabei enorm, zudem muss ich das System Drehzahl steuern, muss das Drehmoment variieren und das Gerät muss leise und ruckelfrei sein. Auch die EMV war bei der Entwicklung ein wichtiges Thema, denn weder die Sportgeräte dürfen die Smartphones der Nutzer stören, noch deren Geräte das Trainingsgerät. Unsere Antriebe können das und wir haben das auch im Rahmen der Entwicklung in einer EMV-Kabine getestet.
KEM Konstruktion: Last but not least wollen wir natürlich auch einiges über Sie wissen. Erzählen Sie uns doch ein wenig über sich. Wie sind Sie zur Antriebstechnik gekommen, seit wann arbeiten Sie für Nord Drivesystems, was treibt Sie an, was ärgert Sie/was bewundern Sie, wie stellen Sie sich die Zukunft von Nord Drivesystems und Ihre eigene vor?
Sadi: Ich bin Maschinenbauer und habe in Karlsruhe studiert und im allgemeinen Maschinenbau promoviert. Ich habe mich im Bereich Antriebstechnik mit Triebwerken, Verdichtern und anderen Antriebstechniken beschäftigt. Nach dem Studium war ich im Anlagenbau tätig, im Bereich Entstaubungstechnik, da war auch wieder Antriebs- und Automatisierungstechnik dabei und so kam ich mehr und mehr zum Thema Antriebstechnik. Diese ist nicht aus dem Maschinenbau wegzudenken. Denn wo Anlagen sind, muss man auch antreiben und steuern, benötigt Sensoren und muss Geräusche, Temperaturen oder Schwingungen messen. Da kommt man schon in diese Themen rein. Insbesondere wenn es um Antriebe mit hohen Drehzahlen geht, so mit 10.000 U/min. Bei Verdichtern, muss man den Schwingweg überwachen. Da ist der Antrieb wichtig, die Steuerung und dann natürlich die Sensorik. Und seit Mitte 2012 arbeite ich bei Nord, was mir sehr viel Spaß macht. Was treibt mich an? Während und nach dem Studium habe ich viel Verbandsarbeit gemacht, immer versucht etwas zu verändern, etwas voranzutreiben. So war ich etwa im Bereich Energieeffizienz in Brüssel aktiv; man lernt sehr viel als junger Ingenieur und da ist für mich wichtig mitzugestalten und nicht nur ein Nutzer von Technologie zu sein. Hier bieten Industrie 4.0 und die Digitalisierung enorme Möglichkeiten. Insbesondere dann, wenn man einmal selbst versucht hat, mit viel Aufwand eine Anlage zu vernetzen mit einer ISDN-Karte und fünf Minuten warten musste bis die Signale kommen. Vor diesem Hintergrund ist die Begeisterung für diese neuen Themen da und auch dafür, unsere Antriebslösungen zu intelligenten, vernetzten Systemen weiterzuentwickeln. Wie weit ist Industrie 4.0 bei Nord angekommen? Wir haben dazu verschiedene Projekte laufen etwa ‚Arbeitsplatz der Zukunft‘ bei dem wir unsere Montageprozesse optimieren. Wir kooperieren hierbei unter anderem mit der Hochschule Hamburg und der Nord-Akademie. Bei dem Projekt geht es um die Digitalisierung etwa der Materialbereitstellung und der Montageprozesse (RFID-Sensorik, Augmented Reality). So muss ein Werker nicht geübt sein, um ein Getriebe zu montieren, sondern wird via Smartphone oder Tablet durch die Montage geführt. Das sind Themen die mich antreiben, sie umzusetzen vom Testbetrieb bis zur Serienfertigung. Da sehe ich die Zukunft und das treibt mich an.
Was ärgert mich? Ich war eine Zeitlang in Brüssel und dort mit Energiethemen beschäftigt. Die Zielsetzung der EN50598, der Öko-Design-Richtlinie und ähnlichem, halte ich für richtig und habe sie auch unterstützt. Doch ich habe das Gefühl, das man in der EU manchmal über das Ziel hinausschießt. Ein Beispiel: Ein System aus Frequenzumrichter und IE4- oder IE5-Motor erreicht Wirkungsgrade von bis zu 94%. In der EN50598-2 wird beschrieben, wie die Verluste des Motors bzw. Frequenzumrichters in acht Messpunkten zu ermitteln (Voll- und Teillastbetrieb). Das bedeutet, dass die Hersteller verpflichtet werden, die Verluste für diese beiden Komponenten (Motor und Frequenzumrichter) in den 8 Messpunkten anzugeben. Um diese Anforderungen nachzukommen, müssen die Hersteller einen enormen Aufwand betreiben. Das heißt, was mich umtreibt sind Aufwand und Nutzen. Diese stehen hierbei aus meiner Sicht in keiner Korrelation und der Dokumentationsaufwand ist riesig, insbesondere für den Mittelstand. Und da habe ich meine Zweifel, ob hier Aufwand und Nutzen stimmen. Was bewundere ich? Ich bewundere die Dynamik von Startup-Unternehmen. Kreative Ingenieure sind aus meiner Sicht zu unterstützen und im Rahmen der Digitalisierung sieht man ja auch die Dynamik bei den Startups und ihren jungen Erfindern. Da gibt es ja auch einige – heute große – Unternehmen, die es vorgemacht haben mit selbstfahrenden Autos oder Smartphones. Alles Themen, die unseren Alltag erleichtern. Solche Ideen, solche Startups bewundere ich.
Wir streben die Technologieführerschaft im Bereich Antriebstechnik an. Zielsetzung ist es, als Mittelständler durch Markt- und Technologieführerschaft Trends zu setzen. Bis 2025 wollen wir unseren Umsatz verdoppeln. Da liegt harte Arbeit vor uns.

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Getriebebau Nord GmbH & Co. KG
Member of the Nord Drivesystems Group
Bargteheide/Hamburg
Tel. +49 4532/289-0

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Seit über 50 Jahren entwickelt, produziert und vertreibt Nord Drivesystems mit heute mehr als 3.200 Mitarbeitern Antriebstechnik und ist einer der international führenden Komplettanbieter der Branche. Neben Standardantrieben liefert das Unternehmen anwendungsspezifische Konzepte und Lösungen auch für besondere Anforderungen, zum Beispiel mit Energiesparantrieben oder explosionsgeschützten Systemen. Nord produziert ein vielfältiges Getriebesortiment für Drehmomente von 10 Nm bis über 250 kNm, liefert Elektromotoren im Leistungsbereich von 0,12 bis 1.000 kW und fertigt mit Frequenzumrichtern auch die erforderliche Leistungselektronik bis 160 kW.

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