Trends und Entwicklungen in der Fluidtechnik
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Trends und Entwicklungen in der Fluidtechnik

Expertenstatements zu aktuellen Fluidtechnik-Entwicklungen
IIoT-Funktionalität und Energieeffizienz als Trends in der Fluidtechnik

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Im aktuellen Engineering von Fluidtechnik 4.0 geht es stark um digitale Funktionen und eine erweiterte physikalische Welt von Pneumatik und Hydraulik – gerade im Sinne vernetzter Komponenten und Systeme sowie digitaler Durchgängigkeit. Darüber hinaus sind fluidtechnische Entwicklungen sowohl software- als auch hardwareseitig weiter auf Energieeffizienz getrimmt.

» Nico Schröder, Korrespondent KEM Konstruktion, Augsburg

Perspektiven zu Fluidtechnik 4.0

KEM Konstruktion: Wie gestalten Sie den Trend zu IIoT-Funktionalitäten und digitaler Durchgängigkeit mit?

Michael Britzger (Emerson): Die Digitalisierung ist kein Selbstzweck, sondern hilft Anwendern bei der Lösung ihrer wichtigsten Herausforderungen. Darum stellen wir IIoT-Funktionen auf Basis einer flexiblen Architektur mit skalierbaren Elektroniken für die Pneumatik sowie einen IIoT-Software-Stack bereit. Das Ganze umfasst Apps für Aufgaben von der Datenaufnahme über die Analyse bis hin zur Visualisierung. Sie fügen sich mit minimalem Aufwand sowohl in neue als auch bereits installierte Maschinen und Anlagen ein. Diese Architektur ist steuerungsagnostisch und erfordert keine Eingriffe in die SPS. Die Apps von Emerson basieren vollständig auf offenen Softwaretools – angefangen beim LinuxBetriebssystem und der Docker-Technologie über die Datensammlung mit Node-Red und Python bis zu den offenen IIoT-Kommunikationsstandards OPC UA und MQTT. Damit sind sie interoperabel mit anderen Systemen auf der Feldebene sowie mit IT-Systemen on Edge. Anwender erhalten datenbasierte Erkenntnisse, die sie unmittelbar für eine höhere Overall Equipment Effectiveness (OEE) einsetzen können. Sie verbessern Prozesse durch schnellere Bewegungen, erhöhen die Verfügbarkeit durch Möglichkeiten des Condition Monitorings und steigern die Energieeffizienz.

Guido Hettwer (Bosch Rexroth): Mit Connected Hydraulics verknüpfen wir aktuell die physikalischen Alleinstellungsmerkmale der Industriehydraulik mit den Möglichkeiten der Vernetzung. Softwarefunktionen und Assistenten unterstützen Anwender über den gesamten Lebenszyklus hinweg – vom Engineering und der Inbetriebnahme bis zum Condition Monitoring. Dabei eröffnen wir Maschinenherstellern und Endanwendern das gesamte Spektrum der digitalen Kommunikation bereits auf Komponentenebene. Hydraulikventile fügen sich per IO-Link oder gängigen Echtzeit-Ethernet-Protokollen und OPC UA in verschiedene Architekturen ein. Anwender können die Betriebsdaten jederzeit digital auslesen oder Parameter im laufenden Betrieb ändern. Diese Durchgängigkeit in der digitalen Anbindung steigert die Produktivität, weil Anwender über die Auswertung der Prozessdaten Bewegungsabläufe kontinuierlich verbessern können. Gleichzeitig steigt die Verfügbarkeit, da Sensoren durchgängig Betriebszustände erfassen und Verschleiß erkannt wird, bevor er zu einem Stillstand führt. Moderne Hydraulik stellt alle relevanten Daten digital bereit und Anwender haben die freie Wahl, ob sie diese Informationen in der Komponente, über die Digital Service Assistant App, in der Maschinensteuerung oder aggregiert on Edge oder in der Cloud auswerten.

Hansgeorg Kolvenbach (Camozzi Automation): Digitaltechnik und Datenkommunikation sind für uns entscheidende Stichworte, um die Bedürfnisse der Kunden zu erfüllen. Die Digitaltechnik umfasst hierbei alle Bereiche – angefangen vom Hardware-design über die Produktkonfiguration bis hin zur Betriebsüberwachung während des gesamten Lebenszyklus. In Echtzeit erfasste und übertragene Betriebsdaten können über Cloudanwendungen analysiert und mit konfigurierbaren Kommunikationssystemen in nützliche Informationen umgewandelt werden. Einige Beispiele sind die Web-Fernüberwachung von Verbrauch und Leistung, Diagnoseparameter und vorbeugende Wartung. Eine eigene Division namens Camozzi Digital, mit mittlerweile über 30 Mitarbeitern, beschäftigt sich ausschließlich mit der Entwicklung von Cyber Physical Systems (CPS). Der multitechnologische Ansatz – die Kombination der drei Technologien Pneumatik, Elektromechanik und Proportionaltechnik – zusammen mit dem Angebot IIoT-bereiter Produkte für die Entwicklung von CPS, ermöglicht mittels vorbeugender Wartung eine Steigerung der Produktivität. Somit ergeben sich für unsere Kunden echte Wettbewerbsvorteile. Dies umfasst die Implementierung von Hard- und Software – angefangen bei Knoten (Nodes) wie Ventilinseln, proportional-pneumatischen Reglern und elektromechanischen Antrieben, über Gateways, welche die Datenmengen der Knoten über unterschiedliche Schnittstellen wie Wifi, Feldbusse oder NFC sammeln und aufbereiten, bis hin zur Erstellung angepasster Monitoroberflächen (Dashboards) für die Qualitätssicherung, Fertigungssteuerung oder Instandhaltung. Alle fluidtechnischen beziehungsweise elektromechanischen Komponenten, die Elektronik beinhalten, werden im Sinne dieser Durchgängigkeit ausgerüstet.

Ulrich Lampen (SMC): Wir begleiten IIoT-Entwicklungen in unterschiedlichen Industrien und entwickeln Lösungen zur durchgängigen Vernetzung von Anlagen mit Sensor-to-the-Cloud-Anwendungen. Zudem arbeiten wir kontinuierlich daran, die Datenverarbeitung und Steuerung digitalisierter Anlagen mit unseren Smart Field Analytics zu optimieren. Unsere Technologien sind so ausgelegt, dass sie weltweit mittels industrieüblicher Schnittstellen und Protokolle einfach und flexibel in die bestehenden Leitsysteme integriert werden können. Unsere Produkte werden kontinuierlich intelligenter, leichter und energieeffizienter.

Markttrends zu Fluidtechnik 4.0

KEM Konstruktion: Mit welchen Komponenten oder Systemen setzen Sie dazu Schwerpunkte am Markt?

Nils Beckmann (Emerson): Wir bieten ein breites Spektrum pneumatischer Komponenten und erweitern inkrementell die Software für die Erfassung und Analyse von Daten. Dazu arbeiten wir sowohl intensiv mit Kunden als auch mit dynamischen Start-ups zusammen. So können wir sehr schnell die Fortschritte von Machine Learning und Data Analytics praxistauglich umsetzen. Mit unseren Kunden definieren wir die wirklich aussagekräftigen Daten und passen die Analyse entsprechend der spezifischen Anforderungen an. Das ist auch bei bestehenden Anlagen einfach und wirtschaftlich möglich. So haben wir beispielsweise Eiscreme-Maschinen in einem Retrofit-Projekt mit elektropneumatischen Komponenten und dem IIoT-Software-Stack nachgerüstet. Der Anwender kann nun die Maschinen- und Zylinder-Zykluszeiten schnell analysieren und Fehlerursachen herausfinden. Er nutzt die Daten für die vorausschauende Wartung der Zylinder, um Stillstandszeiten zu minimieren und überwacht die Pneumatik auf Leckage. Die Umrüstung auf die IIoT-fähige Pneumatik hat sich innerhalb von drei Monaten amortisiert.

Hettwer (Bosch Rexroth): Es geht aktuell mehr denn je darum, die Komplexität im Engineering zu reduzieren und die Time-to-market für Maschinen und Anlagen zu verkürzen. Connected Hydraulics leistet mit einbaufertigen Plug-and-produce-Modulen einen entscheidenden Beitrag dazu. Die Module vereinfachen die Konstruktion und verringern den Inbetriebnahmeaufwand. Unsere hochintegrierte, intelligente Kompaktachse Cytro Force beispielsweise kombiniert alle notwendigen hydraulischen und elektrischen Komponenten. Sie hat einen eigenen dezentralen Fluidkreislauf. Die Inbetriebnahme erfolgt rein über Software wie bei einem elektrischen Antrieb. Auch die modular aufgebauten Hydraulik-Aggregate Cytro Box minimieren den Engineeringaufwand, sparen Platz und Energie. Die integrierte IoT-Lösung Cytro Connect erfasst die Betriebsdaten dezentral und unabhängig von der Maschinensteuerung. Instandhalter können die Informationen per Smartphone in einem Freemium-Modell kostenfrei abrufen. In weiteren kostenpflichtigen Ausbaustufen wertet Cytro Connect die Daten detailliert aus und gibt konkrete Handlungsanweisungen.

Kolvenbach (Camozzi Automation): Die ersten in Serie produzierten IIoT-bereiten Produkte sind die Ventilinsel Serie D und die Proportionaldruckregler Serie PRE. Die Ventilinsel ist kompakt und eignet sich bei begrenztem Einbauraum, ohne die Durchflussmenge zu beeinträchtigen. Sie ist mit der Coilvision-Technologie ausgestattet, die den Betriebszustand der Magnetventile überwacht und deren Verschleiß prognostiziert. Dadurch wird es möglich, die Anzahl der Zyklen oder die mögliche Überhitzung der Spule zu erkennen. Die erfassten Daten, Alarme und der Gesundheitszustand werden per Kabel an eine SPS oder über WLAN an ein IIoT-Gateway zur anschließenden Weiterleitung in die Cloud gesendet. Dieselbe Technologie wird beim Proportionaldruckregler eingesetzt. In diesem Fall ist die Coilvision-Technologie integriert, die es ermöglicht, die Fehlfunktion einiger kritischer Teile des Bauteils vorherzusehen. Ein weiteres Produkt ist der proportional-pneumatische Open Frame Controller – ein flexibler und modularer Systembaukasten zur Regelung von Druck, Volumenstrom sowie Position und mit digitaler Anbindung. Schließlich komplettiert der Antriebsverstärker Serie DRCS, der mit seiner kompakten Bauform die Ansteuerung aller Camozzi-Schrittmotoren ermöglicht, den multi-technologischen Ansatz. Über CANopen-Protokolle werden Bewegungsabläufe sowie ein Monitoring des Betriebszustandes realisiert. Die Daten können über NFC-Technologie ausgelesen werden.

Lampen (SMC): Mit dem drahtlosen Feldbusknoten EX600-W können ganz unterschiedliche Aktoren – wie etwa alle gängigen Ventilserien von SMC, Sensoren, aber auch pneumatische Aktuatoren – angesteuert und abgefragt werden. Die Kommunikation an übergeordnete Leitsysteme sowie innerhalb von Master-Slave-Architekturen übernimmt EX600-W mittels industrieüblicher Protokolle Profinet und EtherNet/IP – und das kabellos. Hierbei wird großer Wert auf sichere und stabile Datenkommunikation gelegt. Darüber hinaus haben wir mit mehreren Industriepartnern unsere Edge-Computing-Lösung Smart Field Analytics entwickelt: Daten der Aktoren und Sensoren werden in Echtzeit auf einem Industrie-PC vor Ort übertragen und dort vorverarbeitet, bevor sie in die Cloud geladen werden. Die Steuerung der Maschine übernimmt eine handelsübliche Steuerung. Ausgewertet werden die Daten allerdings von einer IoT-Software in der Cloud, die speziell dafür konzipiert ist. Sie arbeitet mit allen aktuellen Informationen zu Position, Geschwindigkeit und Kraftaufnahme sowie Druck und Durchfluss der Pneumatik. Gleichzeitig sammelt die Software weitere Messdaten wie etwa die Umgebungstemperatur. Diese Daten bilden die Basis für smarte Services, beispielsweise vorbeugende Wartungsaktivitäten.

Energieeffizienz bleibt ein wichtiges Thema

KEM Konstruktion: Wo setzen Sie an, um Energieeffizienz soft- und hardwareseitig voranzutreiben?

Britzger (Emerson): In der Praxis entweichen in Fabriken typischerweise bis zu 30 Prozent der erzeugten Druckluft durch Leckagen. Mit den Durchflusssensoren der AF2-Serie von Aventics bieten wir eine geeignete IIoT-Lösung. Der Sensor erfasst neben Durchfluss und Druck auch weitere Parameter wie das Luftvolumen und erzeugt zeitgleich statistische Analysen der wichtigsten Parameter. Das hilft dem Anwender, schnell zu reagieren und Energieverluste zu verringern oder Anomalien zu erkennen. Mit diesem Gerät können Anwender sehr einfach die Energieeffizienz und Nachhaltigkeit verbessern.

Beckmann (Emerson): Die AF2-Sereie zeigt auch die Interoperabilität auf allen Ebenen. Ein OLED-Display zeigt lokal alle relevanten Betriebs- und Diagnosedaten an. Über IO-Link sendet die Elektronik die Informationen an die Maschinensteuerung und mit der Ethernet-Schnittstelle transferiert das Gerät die Ergebnisse an übergeordnete Steuerungen und beliebige IT-Systeme. Die Anbindung erfordert keinen Programmieraufwand, da die IIoT-Protokolle OPC UA und MQTT bereits integriert sind. Die Überwachung ist einfach skalierbar, von einfachen Pneumatik-Anwendungen bis hin zum werkübergreifenden Energy Monitoring System. Übrigens eignet sich AF2 neben Druckluft für weitere Medien wie Wasserstoff, Stickstoff, Wasser oder Dampf. Damit ist die Serie universell in verschiedenen Branchen wie Lebensmittel und Verpackung, der allgemeinen Automation und der Prozesstechnik einsetzbar.

Hettwer (Bosch Rexroth): Seit vielen Jahren steigern wir die Energieeffizienz der Hydraulik, um einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Ein Meilenstein sind die drehzahlvariablen Pumpenantriebe Sytronix. Im Vergleich zu Konstantantrieben senken sie den Energieverbrauch um bis zu 80 Prozent und sparen täglich erhebliche Mengen CO2-Emissionen ein. Zwei Beispiele aus der Praxis: Eine mit Sytronix modernisierte Kunststoffpresse spart 87.000 kWh Energie pro Jahr und vermeidet dadurch im deutschen Strommix 43,3 Tonnen CO2-Äquivalente. Noch höhere Ersparnisse ergeben sich bei komplexeren Anlagen. Bei einem Hubbalkenofen entlastet unser drehzahlvariables Konzept das Klima jährlich um 421 Tonnen CO2-Äquivalente. Innovationen auf Komponentenebene erschließen zusätzliche Energieeinsparungen. So verringern beispielweise im 3D-Druck gefertigte gebogene Kanalgeometrien in Steuerblöcken die Drosselverluste. Die Hydraulik-Aggregate Cytro Box reduzieren die notwendige Ölmenge mittels Sytronix und strömungsoptimierten Hydraulikkomponenten um 75 Prozent.

Kolvenbach (Camozzi Automation): Auf der Hardware-Ebene werden die Abmessungen optimiert, um kleinere und damit leichtere Produkte zu realisieren. Dies ermöglicht es, die Trägheit bewegter Teile zu verringern und damit den Gesamtenergieverbrauch des Systems zu reduzieren. Die verwendeten Bauteile sind in Bezug auf das Verhältnis Leistung/Energieeffizienz und die Möglichkeit des Recyclings am Ende der Lebensdauer des Produkts optimiert. Viele Produkte verfügen über integrierte Software-Elemente für den Betrieb. In solchen Fällen werden Strategien zur Steigerung der Energieeffizienz eingesetzt. Beispielsweise können PWM-Steuerungen die Leistung der Elektropiloten nicht beeinflussen, aber den Gesamtenergieverbrauch reduzieren. Es werden auch Systeme verwendet, die nach dem Erreichen des gewünschten Betriebszustandes die Energie auf die notwendige Haltespannung reduzieren. Der multitechnologische Ansatz beinhaltet die enge Kooperation zwischen Camozzi-Ingenieuren mit unseren Kunden, um für die jeweilige Aufgabenstellung die passende Technologie – Elektromechanik, Pneumatik oder Proportional-Pneumatik – auszuwählen, um die energieeffizienteste Zusammenstellung von mechatronischen Systemen zu finden.

Lampen (SMC): Wir haben beispielsweise die CP96-Familie pneumatischer Aktuatoren entwickelt, die ihren Arbeitshub mit der Energie des vorherigen Rückhubes unterstützen können. Das spart in bestimmten Anwendungen über 30 Prozent der pneumatischen Energie. Und natürlich lassen sich die CP96-Zylinder in die übergeordnete Steuerung integrieren und ihre Leistungsdaten überwachen. Für die nachhaltige Verbesserung der Energieeffizienz ist aber nicht nur Hardware wichtig – auch die Software ist elementar: Smart Field Analytics sammelt die Leistungsdaten und Messergebnisse der integrierten Durchfluss- und Drucksensoren und ermöglicht so beispielsweise die Erkennung von Leckagen oder Druckverlusten. Für Maschinenbauer und Automatisierer wie SMC eröffnen sich damit neue Geschäftsmodelle. Beispielsweise erstellen wir bereits regelmäßige Reportings und Energiespar-Audits mit konkreten Empfehlungen zur Optimierung des Druckluftverbrauchs und damit der Energieeffizienz.

Aktuelle Marktinformationen des VDMA zur Fluidtechnikbranche unter:
hier.pro/oMAJW

Kontakte:

Aventics GmbH
Ulmer Straße 4
30880 Laatzen
Tel.: +49 511 2136 0
E-Mail.: aventics@emerson.com
www.emerson.com

Bosch Rexroth AG
Zum Eisengießer 1
97816 Lohr am Main, Deutschland
Tel.: +49 9352–18 0
Fax: +49 (711) 811–5171000
E-Mail: info@boschrexroth.de
www.boschrexroth.de

Camozzi Automation GmbH
Porschestraße 1
73095 Albershausen
Tel.: +49 7161 91010–0
Fax: +49 7161 91010–99
E-Mail: sales@camozzi.de
www.camozzi.com

SMC Deutschland GmbH
Boschring 13–15
63329 Egelsbach
Tel.: +49 (0) 61 03 / 402 – 0
Fax: +49 (0) 61 03 / 402 – 139
E-Mail: info@smc.de
www.smc.eu


Im Überblick

Fluidtechnik 4.0 wird im Sinne digitaler Konnektivität und weitestgehend durchgängiger Kommunikation weiterentwickelt – die Produktivität steigt.

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