Pneumatik 4.0: Im Betrieb sicher und effizient

Pneumatik 4.0

Im Betrieb sicher und effizient

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Pneumatische Systeme sind nach wie vor ein wesentlicher Bestandteil der Automatisierung. Die Industrie-4.0-Diskussion fördert aber auch hier ein Plus an Flexibilität – insbesondere im Zusammenspiel mit der elektrischen Automatisierung. Der Anwender profitiert vor allem von verbesserten Diagnoseinformationen, die einen energie- und ressourcenschonenden Betrieb ermöglichen und Stillstände verhindern.

Fragen: Michael Corban, Chefredakteur KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Welche Chancen ergeben sich für die Pneumatik durch die Digitalisierung – konkreter Industrie 4.0?

Wolf Gerecke (Aventics): Für die Pneumatik ergeben sich wie für viele andere Fachgebiete auch viele interessante Chancen. Drei Aspekte sehe ich hier im Vordergrund: Optimierungen im Planungs- und Entwicklungsprozess, Prozessoptimierungen und letztendlich auch neue Geschäftsmodelle. Der digitale Zwilling wird die Simulation und Modifikation der virtuellen Produkte erleichtern und hinsichtlich der Prozessoptimierung ergeben sich hohe Potentiale bei der Anlagenverfügbarkeit und -effizienz.

Hansgeorg Kolvenbach (Camozzi): Die Digitalisierung erfordert elektronisches Expertenwissen in der Komponente. Dies führt auch in der Pneumatik dazu, dass Komponenten komplexere Funktionen ausführen können. Insbesondere der konsequente Ausbau der Proportionaltechnik und damit verbundener Regler vergrößert bestehende und eröffnet neue Anwendungsfelder für die Pneumatik.

Eberhard Klotz (Festo): Größte Chancen ergeben sich mit echten Cyber-physikalischen Systemen wie dem Festo Motion Terminal VTEM, Sinnbild für digitalisierte Pneumatik. Schnelles Zuschalten von Software-Apps revolutioniert die Pneumatik in punkto Flexibilität, Energieeffizienz und Beschleunigung von Produktionsprozessen. Die Apps ermöglichen es, über 50 Einzelkomponenten zu ersetzen und ein perfektes Condition Monitoring aufzusetzen. Wie das Smartphone vor zehn Jahren den Markt durcheinandergewirbelt hat, so wird das Festo Motion Terminal die Automatisierungstechnik auf den Kopf stellen.

Dr. Maik Fiedler (IMI Precision Engineering): Die voranschreitende Digitalisierung in der Fabrikautomatisierung wird Nutzensteigerungen in den Bereichen der Anlagenverfügbarkeit und -effizienz sowie Gesamtkosten vorantreiben. Die Pneumatik wird einen maßgeblichen Teil dazu beitragen.

Christian Ziegler (SMC): Eine ganze Menge – zwei Gedankengänge dazu: 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 Proportional-Ventil – mit neuen Parametern beschreiben kann. Zweitens sehe ich auch bei klassischen analogen Sensoren (z.B. 4-20 mA) eine Möglichkeit der Digitalisierung. Aktuell überlegen wir, 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.

KEM Konstruktion: Setzen Sie selbst künftig deutlich mehr Sensorik (welche?) ein, um den Zustand des Pneumatiksystems in der Anwendung immer genauer erfassen zu können? Ist dafür zwingend mehr Sensorik erforderlich oder lassen sich viele Zustände auch errechnen (Stichwort ‚Sekundärsensorik‘)?

Gerecke (Aventics): Unsere Zielsetzung ist, für den Anwender relevante Informationen mit so wenig Sensorik wie möglich zu generieren. In den Maschinen und Anlagen werden bereits heute viele Sensoren zur Prozesskontrolle und zur Steuerung der Maschine eingesetzt. Die Daten dieser Sensoren wollen wir nutzen, um genauere Informationen über den Zustand der Maschine und insbesondere des Pneumatiksystems zu bekommen. 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.

Kolvenbach (Camozzi): Sensorik ist für den Aufbau von Regelungen unerlässlich. Die Ausführung und Anzahl der Sensoren orientiert sich hierbei an der Anwendung und der damit verbundenen Regelungsaufgabe. Dazu werden passende Sensoren eingesetzt. Zur Zustandserfassung des Systems im Sinne von Industrie 4.0 ist jedoch nicht zwingend zusätzliche Sensorik erforderlich. Vielmehr sollte die lokale Elektronik in der Komponente basierend auf der oben beschriebenen notwendigen Sensorik Expertenwissen des Komponentenherstellers beinhalten, welches durch Berechnungen und Verknüpfungen von Daten Ermittlungen von weiteren Zuständen erlaubt.

Klotz (Festo): Die Industrie-4.0-Idee, mit Cyber-physikalischen Systemen die Lernfähigkeit und Anpassung an sich verändernde Anforderungen oder Umgebungsparameter zu realisieren, benötigt immer ein Mindestmaß an Sensorik. 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 verfügt, kann über Anomalien, Korrelation, Varianz und anderes weitere Schlüsse ziehen – ohne zusätzliche Sensorik.

Fiedler (IMI Precision Engineering): Da wir selbst auch Betreiber von Anlagen sind, werden wir zielgerichtet Nachrüstungen vornehmen, um die Effizienz und Verfügbarkeit zu verbessern.

Ziegler (SMC): Die Frage ist immer: Wie viel Mehrwert bietet weitere Sensorik im Verhältnis zu den damit verbundenen Kosten? Ich glaube, dass es eher intelligentere Sensorik geben wird, die auch dezentral Auswerteaufgaben übernimmt. Das entlastet 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, brauchen Sie wieder einen Sensor…

KEM Konstruktion: Was passiert mit den in größerem Umfang erfassten Daten – werden sie vor Ort ausgewertet (Edge-Computing) oder in die Cloud geschickt? Welche Rolle spielen dabei die Schnittstellen/Kommunikationsprotokolle, inbesondere beispielsweise IO-Link?

Gerecke (Aventics): Unsere feste Überzeugung ist, dass die Datenvorverarbeitung nahe an der Applikation unvermeidbar ist. Diese Vorverarbeitung kann entweder in den Komponenten selbst, in entsprechenden IoT-Gateways oder in den lokalen Steuerungen erfolgen. Für die vorverarbeiteten Daten spielen 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 bietet schon die Möglichkeit, vorverarbeitete Daten intelligenter Sensoren zu kommunizieren. Aufgrund der Punkt-zu-Punkt-Kommunikation wird aber auch hier noch ein Gateway in die IoT-Infrastruktur benötigt.

Kolvenbach (Camozzi): Rohdaten ergeben für den Anwender keinen oder nur geringen Nutzen. Der Anwender erwartet klare Aussagen und Handlungsempfehlungen. Daher sollten die Daten vor Ort – das heißt in der Komponente – analysiert und bearbeitet werden. Für den Anwender verständliche Ergebnisse können dann mittels diverser Schnittstellen (Feldbussysteme, IO-Link, RFID, Bluetooth, WLAN) zur Verfügung gestellt werden.

Klotz (Festo): Um ein umfassendes Bild über die Daten einer Maschine oder Anlage zu erhalten, kommt man um leistungsfähige Tools nicht herum. Ob diese in der Anlage, lokalen Servern, im Rechenzentrum oder einer Cloud liegen, hängt von diversen Faktoren ab: Echtzeitanforderungen, Bandbreite, Verfügbarkeit, Kosten, Risiken und vieles andere. Festo bedient alle Optionen: IO-Link-fähige Feldgeräte als ideale Zubringer strukturierter Daten, Steuerungen und Automatisierungslösungen mit OPC UA, bis hin zu schlüsselfertigen Lösung für eine IoT-Integration samt IoT-Gateway und Dashboards. Damit sind unsere Lösungen durchgängig – von der Mechanik bis zur Cloud.

Fiedler (IMI Precision Engineering): Wir gehen davon aus, dass die Mehrzahl der Anwendungen vor Ort vom jeweiligen Betreiber mit dessen Domain-Know-how ausgewertet werden. Industrial-Ethernet-Protokolle, aber auch IO-Link werden eine zentrale Rolle bei der Erfassung und Konsolidierung von Felddaten spielen.

Ziegler (SMC): Es zeigt sich immer mehr, dass der anfängliche Hype um die Cloud jetzt differenzierter betrachtet wird. Aktuell zeichnet sich ein Hybrid-Modell ab: Man überlegt, was in der Cloud und was lokal sinnvoll ausgewertet werden kann – Sie sprechen es mit Edge-Computing an. Die Frage wird also sein, welche Daten ich wirklich brauche, um den Prozess zu regeln. Diese werden eher lokal verarbeitet, während beispielsweise Daten zur Wartung gut in einer Cloud zu managen sind. Hier wird es aber sicher kein Schwarz-Weiß geben. Es kommt auf die Anwendung an.

KEM Konstruktion: Betriebsdaten lassen sich natürlich vor allem für die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) verwenden – bieten Sie selbst entsprechende Lösungen an und welche Möglichkeiten bieten sich dadurch?

Gerecke (Aventics): Wir bieten den Smart Pneumatics Monitor (SPM) an. Das Industrie-4.0-Gateway SPM wertet, verbunden mit unserer Feldbus-Lösung AES, bereits vorhandene Sensorsignale aus und leitet daraus zuverlässig Zustandsinformationen ab. Um beispielsweise den Verschleiß eines Stoßdämpfers zu überwachen, misst der SPM anhand der Endschaltersignale den zeitlichen Verlauf der Dämpfung. Von Aventics auf Basis der Anwendungserfahrung geschriebene Algorithmen werten diese Daten intern aus und senden die Informationen entweder an definierte Personen – oder über die OPC-UA-Schnittstelle an übergeordnete MES- oder ERP-Systeme. Mit dem SPM werden per Drag&drop die zu beobachtenden Komponenten zusammengefügt und miteinander verknüpft.

Kolvenbach (Camozzi): Wir bieten bereits entsprechende Lösungen an. Unser Antriebsverstärker DRCS zum Beispiel bietet RFID- und Bluetooth-Schnittstellen und stellt Daten zur vorbeugenden Wartung zur Verfügung, die auch per App ausgelesen werden können. Weiterhin senden Druckregler der Serie PCU Rohdaten in eine von Camozzi verwaltete Cloud, in der sie dann in Handlungsempfehlungen für Anwender verarbeitet werden. Dies stellt allerdings nur einen Schritt auf dem Weg zum Edge Computing dar, welches das Ziel sein sollte. Weiterhin hat Camozzi im Bereich C_digital eine Komplettlösung zur kompletten Maschinen-Vernetzung ganzer Textilmaschinenfabriken entwickelt und betreibt diese in mehreren Werken.

Klotz (Festo): Die neuen Festo-Dashboards haben genau diesen Mehrwert für die Daten der mechatronischen Systeme im Blick. Und mit der Automatisierungsplattform CPX/MPA bietet Festo schon seit vielen Jahren Möglichkeiten der vorausschauenden Wartung: mit flexiblen Überwachungsmöglichkeiten für Druck, Durchfluss, Zylinderlaufzeit, Luftverbrauch. Mit Frühwarnungen kann man Stillstandzeiten um 35 Prozent vermindern. Mit dem Festo Motion Terminal VTEM wird vorausschauende Wartung noch einfacher – mit der App ‚Diagnose-Leckage‘ wird antriebsbezogen die mögliche Leckage detektiert und – je nach Schwere der Leckage – eine Meldung zur Wartung gesendet oder der Anlagenteil abgeschaltet.

Fiedler (IMI Precision Engineering): Einige unserer Kunden haben bereits Produkte im Einsatz, welche die Möglichkeit zur Vorhersage von Zuständen bieten und Empfehlungen zu Wartungen aussprechen. Diese werden auch auf der diesjährigen Hannover Messe vorgestellt und zu sehen sein.

Ziegler (SMC): Nehmen wir unser Beispiel des Automatic Leak Detection Systems (ALDS): Grundsätzlich stellt es fest, ob das System eine Leckage aufweist. Wir haben es mit einer Microsoft-Azure-Cloud vernetzt – so können die MRO-Verantwortlichen über eine App direkt erkennen, ob Grenzwerte im Druckluftverbrauch überschritten werden.

KEM Konstruktion: Industrie 4.0 verspricht ein Plus an Flexibilität hinsichtlich der Adaptierbarkeit von Maschinen und Anlagen an neue Produkte/Aufgaben. Können Sie Unterstützung bei der Umsetzung solcher Aspekte bieten?

Gerecke (Aventics): Auch in der Pneumatik werden heute bei gleicher Hardware immer mehr Funktionen über Software abgedeckt. Moderne Kommunikationsmethoden wie IO-Link und integrierte Webserver – aber auch direkt am Gerät vorzunehmende Einstellungen – ermöglichen dann eine Anpassung der Funktionalität an die Anwendungen. Beispiele hierfür aus unserem Portfolio sind Druck-, Durchfluss- und Wegmesssensoren sowie elektropneumatische Druckregelventile oder dezentrale parametrierbare PID-Regler. Durch die im Rahmen unseres IoT-Konzeptes mögliche Dokumentation der Nutzungsdauer und daraus resultierend der Abschätzung der Restlebensdauer einzelner Komponenten wie Zylinder und Ventile unterstützen wir auch eine mögliche Weiterverwendung unserer klassischen Produkte in neuen oder umgebauten Anlagen.

Kolvenbach (Camozzi): Der konsequente Ausbau des Angebotes an proportionalen Regelsystemen für Druck, Volumenstrom und Positionierung ermöglicht es, Maschinen flexibler arbeiten zu lassen. Alle Neuentwicklungen werden standardisierte Interfaces aufweisen, die die Kommunikation mit anderen Ebenen erlauben und somit auf sich ändernde Aufgaben angepasst werden können.

Klotz (Festo): Generell sind viele Festo-Produkte genau deshalb parametrierbar und/oder mechanisch flexibel aufgebaut. Herausragend und revolutionär sind jedoch Ansätze wie das Festo Motion Terminal. Durch das schnelle und einfache Zuschalten von Funktionen über Motion Apps können Maschinen- und Anlagenbauer höchste Individualität in die Anwendungen bringen. Dazu gehören beispielsweise Formatwechsel auf Knopfdruck, die sanfte Endlagenfahrt oder energieeffiziente Bewegungen. Durch die Apps ist auch eine hundertprozentige Dokumentation erledigt – alle Produktionsdaten sind nachvollziehbar und manipulationssicher gespeichert.

Fiedler (IMI Precision Engineering): Unser Bestreben ist es, bestehende Industriestandards einzusetzen und dem Kunden Anlagenerneuerungen und -erweiterungen möglichst einfach zu machen.

Ziegler (SMC): Um flexibel zu sein, müssen sich die Komponenten schnell vernetzen können. Dafür setzen wir auf offene Schnittstellen und Standards. Unsere Ventilinseln erhalten Sie mit allen gängigen Ethernet-Protokollen und Sie können zudem einen IO-Link-Master integrieren. Ich möchte dies allerdings nicht auf die Pneumatik fokussiert wissen: Wir haben zur SPS IPC Drives 2017 auch ein Antriebsregelgerät mit IO-Link-Schnittstelle vorgestellt.

www.aventics.com

www.camozzi.de

www.festo.com

www.imi-precision.com/de

www.smc.de

Weitere Informationen zur Pneumatik 4.0:

hier.pro/ILX6t


„Das Industrie-4.0-Gateway SPM wertet, verbunden mit unserer Feldbus-Lösung AES, bereits vorhandene Sensorsignale aus und leitet daraus zuverlässig Zustandsinformationen ab.“

Wolf Gerecke, Director Strategic Product Management, Aventics GmbH, Laatzen
Bild: Aventics

„Insbesondere der konsequente Ausbau der Proportionaltechnik und damit verbundener Regler vergrößert bestehende und eröffnet neue Anwendungsfelder für die Pneumatik.“

Hansgeorg Kolvenbach, Leiter Camozzi Application Center, Camozzi Automation GmbH, Aachen
Bild: Camozzi

„Wie das Smartphone vor zehn Jahren wird das Festo Motion Terminal die Automatisierungstechnik auf den Kopf stellen.“

Eberhard Klotz, Leiter Industrie 4.0 Kampagne, Festo AG & Co. KG, Esslingen
Bild: Festo

„Industrial-Ethernet-Protokolle, aber auch IO-Link werden eine zentrale Rolle bei der Erfassung und Konsolidierung von Felddaten spielen.“

Dr. Maik Fiedler, Engineering Director Europe & Industrial Automation, IMI Precision Engineering, Fellbach
Bild: IMI Precision Engineering

„Gerade der Brown-Field-Ansatz mit vielen bestehenden Anlagen wird manchmal bei Industrie 4.0 etwas vernachlässigt.“

Christian Ziegler, Manager Marketing & Product Management, SMC Deutschland GmbH, Egelsbach
Bild: SMC
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