Industrie 4.0 und die Rolle der Pneumatik

Sprache für mechatronische Systeme

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Energieeffizienz, höhere Verfügbarkeit, schnellere Inbetriebnahme und bedarfsgerechte Wartung – die Vorteile der Pneumatik 4.0 liegen auf der Hand. Vorteile ergeben sich zudem durch moderne Kommunikationsansätze wie OPC UA, die Planung und Auslegung dieser mechatronischen Systeme grundlegend effizienter und weniger fehlerbehaftet machen. Nachfolgend ein Ausblick auf die Rolle der Pneumatik in der Industrie 4.0.

Dietmar Kieser, stellvertretender Chefredakteur Industrieanzeiger

Im schwäbischen Dußlingen wird die Zukunft gemacht. 20 Komponentenhersteller – von A wie Afag über Festo und Schunk bis zu Z wie Zimmer – verrichteten in der Produktionshalle des Maschinenbau- und Automatisie- rungsspezialisten Zeltwanger ihr Gemeinschaftswerk. Was in der kleinen Gemeinde südlich der Universitätsstadt Tübingen von Mai bis Juni dieses Jahres hinter Sichtschutzwänden Gestalt annahm, gilt der Automatisierungsbranche als Fundament für den Standard von morgen: Die Open Platform Communications Unified Architecture, kurz OPC UA, etabliert sich zusehends als herstellerübergreifender Kommunikationsansatz im Maschinen- und Anlagenbau.

Der offene Standard schickt sich an, der digitalen Vernetzung in der Produktion den Weg zu bereiten. Verschiedenste Maschinen, Systeme und Komponenten werden auf dieser Basis interoperabel kompatibel. Im Fall des OPC-UA-Demonstrators, den eine Arbeitsgruppe der VDMA-Fachabteilung IAS (Integrated Assembly Solutions) erschaffen hat, arbeiten und kommunizieren Rundschalttisch, Achsen, Greifer, Bildverarbeitungssysteme und Roboter samt Cloud-basiertem Condition Monitoring nach den neuen Prinzipien. Eingebettet in eine modulare Bearbeitungszelle vom Typ X-Cell von Zeltwanger, ist eine vollautomatisierte Montageanlage entstanden, die Fidget Spinner montiert. Der Zusammenbau der kleinen Handkreisel auf diese Weise steht beispielhaft für ein Produktionsprinzip, das auch Losgröße eins zu vertretbaren Kosten ermöglichen kann.

Mit OPC UA sprechen Maschinen eine Sprache

Mit der Demoanlage führen namhafte Komponentenanbieter, Systemintegratoren und Softwarespezialisten den Beweis, welches Potenzial in Maschinen steckt, wenn sie mit OPC UA eine Sprache sprechen. Die Blaupause für die Zusammenarbeit der beteiligten Komponenten und Systeme in der smarten Fabrik der Zukunft präsentierte der Branchenverband erstmals auf der Münchener Robotik- und Automatisierungsmesse Automatica Mitte Juni. Anhand zweier Anwendungsfälle, der Steuerung und der Zustandsüberwachung, wollen die insgesamt 30 an der Initiative beteiligten Unternehmen und Einrichtungen die Machbarkeit solcher Technologien im Sinne der Industrie 4.0 beweisen. Denn je mehr digitale Funktionen mit physischen Objekten verschmelzen und diese intensiv vernetzt werden, desto schneller bricht mit dem Internet der Dinge (IoT) in produzierende Unternehmen eine neue Ära an.

Dabei setzt auch die Entwicklung in der Pneumatik auf die Verschmelzung neuer Technologien. Klassische fluidtechnische Standardprodukte werden immer stärker mit Intelligenz angereichert. Dies versetzt sie in die Lage, im Verbund mit einer Vielzahl weiterer Komponenten und Systeme unterschiedlicher Hersteller zu funktionieren. Im Fall des Demonstrators vernetzen sich beispielsweise pneumatische Zylinder wie auch Schwenkgreifer per OPC UA-Server und sind dadurch im Kommunikationssystem der Anlage präsent. Alle verbauten Komponenten können mit herstellerunabhängigen Fähigkeiten, sogenannten Skills, beschrieben werden, etwa Ein- oder Ausfahren oder auf Anschlag positionieren. Über ihre digitale Repräsentanz stellt jede Automatisierungskomponente nicht nur Daten bereit, sondern lässt sich auch steuern. Derart aufgewertet, lässt die Pneumatik ihren einstigen Status einer klassischen Low-Level-Technik immer weiter hinter sich.

Signifikante Kosten- und Zeitersparnis

„Diese gemeinsame Sprache für mechatronische Systeme wird die Planung und die Auslegung der Systeme grundlegend effizienter und weniger fehlerbehaftet machen“, ist sich Friedrich Durand, CTO der Afag GmbH, sicher. Mit „signifikanter Kosten- und Zeitersparnis“ nennt der VDMA mit Blick auf OPC UA einen Nutzen dieses Kommunikationsansatzes. Eine vereinheitlichte Schnittstelle statt vieler proprietärer Interfaces sei qualitativ hochwertiger und reduziere Zeit sowie Kosten für die Entwicklung, Personal und Inbetriebnahme. Auch neue Eigenschaften wie verbesserte Energieeffizienz, höhere Verfügbarkeit und bedarfsgerechte Wartung resultieren aus der Kombination der altbewährten Grundtechnologie Pneumatik mit Elektronik und IT.

Das digitale Maschinenzeitalter misst sich in Byte und nicht in µ. Gleichwohl eröffnet dies Chancen bei der „Optimierung im Planungs- und Entwicklungsprozess, Prozessoptimierungen und auch neue Geschäftsmodelle“, rückt Wolf Gerecke, Director Strategic Product Management beim Pneumatikanbieter Aventics, drei Aspekte in den Vordergrund. „Digitale Informationen zu pneumatischen Komponenten, auch für kundenspezifische Produkte, stehen jetzt schon zur Verfügung und unterstützen die Maschinen- und Anlagenbauer bei der Auslegung und Planung“, meint Gerecke. Dieser Trend wird sich seiner Meinung nach weiter vertiefen bis hin zur Simulation und Modifikation der virtuellen Produkte zur Optimierung der dann bezogenen einbaubereiten Komponente. Digitaler Zwilling ist das Stichwort dafür.

Hinsichtlich der Prozessoptimierung würden sich hohe Potenziale bei der Anlagenverfügbarkeit und -effizienz ergeben, so der Aventics-Stratege weiter. So könnten Abweichungen im Prozess beispielweise über Veränderungen im Bewegungsprofil von Aktoren oder im Zeitverhalten zwischen Ereignissen, wie der Ventilbetätigung bis zum Erreichen eines bestimmten Druckes, erkannt werden. „Im Sinne von Industrie 4.0 erfolgt das nahe am Prozess, idealerweise in den entsprechenden Komponenten selbst. Dadurch werden smarte Pneumatikkomponenten zu integralen Bestandteilen der Internet of Things-Infrastruktur zukünftiger Maschinengenerationen“, skizziert Wolf Gerecke die Entwicklung.

Elektronisches Expertenwissen in der Komponente

Dabei liegt es auf der Hand, dass mit der Digitalisierung elektronisches Expertenwissen in die Komponente einzieht. Für Hansgeorg Kolvenbach von Camozzi führt dies auch in der Pneumatik dazu, „dass Komponenten komplexere Funktionen ausführen können“. Insbesondere der konsequente Ausbau der Proportionaltechnik und damit verbundener Regler, so der Leiter des Applikationscenters bei Camozzi in Albershausen, vergrößere bestehende und eröffne neue Anwendungsfelder für die Pneumatik.

Für Eberhard Klotz, Leiter Industrie 4.0 Kampagne bei Festo, ergeben sich die größten Chancen mit dem Festo Motion Terminal VTEM. Hier fusioniere die Digitalisierung mit der Pneumatik. Klotz: „Schnelles Zuschalten von Software-Apps revolutioniert die Pneumatik in puncto Flexibilität, Energieeffizienz und Beschleunigung von Produktionsprozessen. Das Motion Terminal katapultiert die Pneumatik ins Zeitalter von Industrie 4.0 – mit Apps, die es ermöglichen, über 50 Einzelkomponenten zu ersetzen.“ Wie das Smartphone vor zehn Jahren den Markt der Mobilfunk-Endgeräte durcheinandergewirbelt habe, werde das Festo Motion Terminal die Automatisierungstechnik auf den Kopf stellen, prognostiziert der Industrie-4.0-Experte.

Durch schnelles Zuschalten neuer Funktionen über Apps können Maschinenentwickler so nun einen Basis-Maschinentyp erstellen und je nach Auswahl der Apps diese Maschine mit unterschiedlichen Funktionen und Ausprägungen je nach Kundenwunsch ausstatten. Hinzu kommen Manipulationssicherheit und Know-how-Schutz, „denn von außen ist den Ventilen nicht anzusehen, welche Funktionen sie ausführen“, sagt Klotz.

Vernetzung macht vor Pneumatik nicht halt

Zwei Gedankengänge bringt Christian Ziegler, Digitalexperte und Manager Marketing & Product Management von SMC Deutschland, in die Diskussion um die Chancen der Pneumatik durch Industrie 4.0 ein: „Erstens macht die Vernetzung auch vor der Pneumatik nicht halt. Immer mehr Komponenten werden mit IO-Link-Technologie ausgestattet. So werden die Komponenten flexibler, weil man während der Produktion die Sensorik, etwa das Proportionalventil, mit neuen Parametern beschreiben kann.“ Zweitens sieht er auch bei klassischen analogen Sensoren, etwa im Bereich von 4 bis 20 mA, eine Möglichkeit der Digitalisierung. Aktuell überlege SMC, wie man solche Signale am besten verarbeitet, um sie etwa an eine Cloud-Lösung zu übermitteln. „Gerade der Brown-Field-Ansatz mit vielen bestehenden Anlagen wird manchmal bei Industrie 4.0 etwas vernachlässigt“, sagt Ziegler.

Ob es mehr oder weniger Sensorik braucht, um den Zustand des Pneumatiksystems in der Anwendung genauer erfassen zu können, hängt für den SMC-Mann davon ab, „wie viel Mehrwert weitere Sensorik im Verhältnis zu den damit verbundenen Kosten bietet“. Ziegler glaubt, dass es eher intelligentere Sensorik geben wird, die auch dezentral Auswerteaufgaben übernehmen. Das entlaste übergelagerte Rechenleistung. „Sicher kann man mit Algorithmen gewisse Zustände berechnen. Man darf hierbei aber nicht die Kompressibilität der Luft vergessen. Hier können immer Kräfte auf den Aktor einwirken. Um das komplett auszuschließen und die physikalische Stellung sicher feststellen zu können, brauche es wieder einn Sensor“, meint der Experte.

Aventics verfolgt den Weg, „für den Anwender relevante Informationen mit so wenig Sensorik wie möglich zu generieren“, sagt Wolf Gerecke. In den Maschinen und Anlagen würden bereits heute viele Sensoren zur Prozesskontrolle und zur Steuerung der Maschine eingesetzt. Die Daten dieser Sensoren wolle Aventics nutzen, um genauere Informationen über den Zustand der Maschine und insbesondere des Pneumatiksystems zu bekommen. Gerecke: „In der Verknüpfung der vorhandenen Sensordaten untereinander und insbesondere mit unserem Pneumatik-Know-how lassen sich sehr viele Informationen über den Zustand des Pneumatiksystems ermitteln.“

Nicht immer zusätzliche Senosorik erforderlich

Bei Camozzi orientiert sich die Ausführung und Anzahl der Sensoren an der Anwendung und der damit verbundenen Regelungsaufgabe. Dazu würden passende Sensoren eingesetzt, betont Hansgeorg Kolvenbach. Zur Zustandserfassung des Systems im Sinne von Industrie 4.0 sei jedoch nicht zwingend zusätzliche Sensorik erforderlich. Vielmehr sollte die lokale Elektronik in der Komponente Expertenwissen des Komponentenherstellers beinhalten, das durch Berechnungen und Verknüpfungen von Daten Ermittlungen von weiteren Zuständen erlaube, erläutert Kolvenbach das Vorgehen.

Experten wie der Festo-Manager Eberhard Klotz wissen, dass die Industrie-4.0-Idee, mit Cyber-physischen Systemen die Lernfähigkeit und Anpassung an sich verändernde Anforderungen oder Umgebungsparameter zu realisieren, „immer ein Mindestmaß an Sensorik benötigt“. Daher: „Ja – es wird mehr Sensorik geben für Basisdaten wie Druck, Durchfluss, Temperatur, aber auch tiefergehende Analysen hinsichtlich Vibration, Schall, Laufzeit; unter anderem speziell für die präventive Wartung.“ Wer über das Know-how aus der Applikation beziehungsweise den Geräten verfüge, könne über Anomalien, Korrelation, Varianz und anderes weitere Schlüsse ziehen – ohne zusätzliche Sensorik.

Datenauswertung vor Ort oder in der Cloud?

Was passiert schließlich mit den in größeren Umfang erfassten Daten? Werden sie vor Ort ausgewertet – Stichwort Edge-Computing – oder in die Cloud transferiert? Dass die Datenvorverarbeitung nahe an der Applikation unvermeidbar ist, davon ist Aventics-Mann Gerecke fest überzeugt. Diese Vorverarbeitung könne entweder in den Komponenten selbst, in entsprechenden IoT-Gateways oder in den lokalen Steuerungen erfolgen. Für die vorverarbeiteten Daten spielen seiner Meinung nach „moderne Kommunikationsstandards wie etwa OPC UA eine maßgebliche Rolle, da diese eine hohe Flexibilität insbesondere hinsichtlich semantisch aufgewerteter Daten in der M2M-Kommunikation bieten“. IO-Link biete schon die Möglichkeit, vorverarbeitete Daten intelligenter Sensoren zu kommunizieren. Aufgrund der Punkt-zu-Punkt-Kommunikation werde aber auch hier noch ein Gateway in die IoT-Infrastruktur benötigt, sagt Wolf Gerecke.

Um ein umfassendes Bild über die Daten einer Maschine oder Anlage zu erhalten, geht für Eberhard Klotz an leistungsfähigen Tools kein Weg vorbei. Ob diese in der Anlage, lokalen Servern, im Rechenzentrum oder einer Cloud liegen würden, hänge von diversen Faktoren ab: Echtzeitanforderungen, Bandbreite, Verfügbarkeit, Kosten, Risiken und vielem anderen. „Festo bedient alle Optionen: IO-Link-fähige Feldgeräte als ideale Zubringer strukturierter Daten, Steuerungen und Automatisierungslösungen mit OPC UA, bis hin zur schlüsselfertigen Lösung für eine IoT-Integration samt IoT-Gateway und Dashboards. Damit sind unsere Lösungen durchgängig – von der Mechanik bis zur Cloud“, meint Klotz.

Inzwischen zeige sich immer mehr, „dass der anfängliche Hype um die Cloud jetzt differenzierter betrachtet wird“, sagt Christian Ziegler. Derzeit zeichne sich ein Hybrid-Modell ab: „Man überlegt, was in der Cloud und was lokal sinnvoll ausgewertet werden kann. Die Frage wird also sein, welche Daten wirklich gebraucht werden, um den Prozess zu regeln. Diese werden eher lokal verarbeitet, während etwa Daten zur Wartung gut in einer Cloud zu managen sind“, meint Ziegler. Hier werde es aber sicher kein Schwarz-Weiß geben. Vielmehr komme es auf die Anwendung an.



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