Antriebstechnik auf Kurs Industrie 4.0

Expertengespräch

Antriebstechnik auf Kurs Industrie 4.0

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Durch die Standardisierung von Daten und Funktionen, die der ZVEI vorantreibt, wird es für Maschinenbauer möglich, Simulationen mit Antrieben mehrerer Hersteller durchzuführen – und die Ergebnisse miteinander zu vergleichen etwa hinsichtlich Dynamik oder Qualität Bild: industrieblick/Fotolia.com
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Der Elektroantrieb von morgen ist intelligent und vernetzt – und damit das Herzstück der smarten Fabrik. Dies ist das Ergebnis einer Podiumsdiskussion auf der SPS IPC Drives 2017 in Nürnberg, veranstaltet vom ZVEI und moderiert von der Redaktion elektro AUTOMATION. Dabei geht es um weit mehr als um Predictive Maintenance. Auch die Entwicklung und Inbetriebnahme von Antrieben lässt sich durch deren Digitalisierung deutlich beschleunigen.

Sabine Koll, Journalistin in Böblingen, für die elektro AUTOMATION

elektro AUTOMATION: Der Elektromotor von morgen wird vernetzt und intelligent sein. Warum sind Maschinenbauer wie Trumpf daran interessiert, Herr Schober?

Dr. Martin Schober (Trumpf): Industrie 4.0 in der Antriebstechnik ist deshalb sehr interessant für uns, weil wir damit mehr Transparenz in unsere Maschinen bekommen – von der Entwicklung über die Inbetriebnahme bis zum Betrieb beim Kunden. Das ist die Grundlage, mit der wir unsere Produkte auch verbessern können.

Dr. Arne Linder (Kollmorgen): Das Thema Energieeffizienz wird durch den Industrie-4.0-Antrieb eine neue Dimension erfahren. Heute sind Antriebe oftmals überdimensioniert: Der Elektrotechniker dimensioniert sie aus Vorsicht größer als notwendig, daher sind elektrische Maschinen vielfach zwei bis drei Baugrößen zu groß. Durch die Digitalisierung des Antriebs – also den digitalen Zwilling – kann ich in Zukunft den Antrieb wählen, der optimal dazu passt. Dadurch lassen sich künftig zum Beispiel ganz andere Werkzeugmaschinen bauen, weil der Bauraum besser genutzt werden kann.

Martin Hankel (Bosch Rexroth): Das hat noch einen weiteren Effekt – für den Fall, dass der Endkunde sagt: ‚Naja, die Maschine ist sicherlich 10 % überdimensioniert, also fahre ich die einfach mal 10 % schneller.‘ Kommt es dann zu einem Schaden, kann der Maschinenbauer nachvollziehen, dass die Maschine nicht bestimmungsgemäß genutzt wurde.

elektro AUTOMATION: Ist der Antrieb 4.0 denn auch von Vorteil für den Kunden, der die Maschine betreibt?

Dr. Martin Schober (Trumpf): Ja, letztlich werden die Produkte robuster und noch besser, wenn wir als Maschinenbauer mit den Antriebsdaten, die aus dem Feld kommen, arbeiten können. Davon profitiert der Kunde. Außerdem können wir dem Kunden Daten zur Verfügung stellen, mit denen er seine Produktion robuster und effizienter gestalten kann. Dies können zum Beispiel Informationen über den ‚Gesundheitszustand‘ eines Motors sein, anhand derer der Kunde entscheiden kann, ob er eine Maschine weiterhin voll belasten kann.

elektro AUTOMATION: Und was versprechen sich die Antriebshersteller davon?

Norbert Scholz (Baumüller): Für uns sind die Daten aus dem Markt extrem wichtig. Da es mit der Verwaltungsschale eine Art digitalen Zwilling für jede Industrie-4.0-Komponente gibt, können wir Informationen darüber erhalten, wie unsere Antriebe in Maschinen eingesetzt werden – also ob sie zum Beispiel im Grenzbereich laufen. Über solche Informationen verfügen wir mit den heutigen Möglichkeiten schlichtweg nicht.

Dr. Arne Linder (Kollmorgen): Ich sehe den Antrieb als Schlüssel zu Industrie 4.0 beim Maschinenbetreiber. Mit den Daten eines Antriebs kann er Maschinen und Produktionsprozesse optimieren, da dieser ja heute bereits mit der Steuerung kommuniziert. Die Auswertung der Daten kann wahlweise im Antrieb selbst erfolgen oder aber auf Maschinen- oder Fabrikebene.

elektro AUTOMATION: Lassen Sie uns auf konkrete Use Cases zu sprechen kommen. Was kann ich mir unter dem Industrie-4.0-Antrieb tatsächlich in der Praxis vorstellen?

Martin Hankel (Bosch Rexroth): Die Paradeanwendung, die ja immer wieder als erstes genannt wird, ist Predictive Maintanance, also die vorausschauende Wartung von Antrieben in Maschinen, die beim Endkunden laufen. Doch ein Standard für eine Datengrundlage, wie wir ihn im ZVEI angehen, hat noch viel weitreichendere Vorteile für Maschinenhersteller: Dies beginnt schon bei der Entwicklung der Maschine, wenn wir als Antriebshersteller dem Maschinenbauer digitale Daten etwa eines Servomotors in einem einheitlichen Format zugänglich machen können. Dies würde die Time-to-Market für den Maschinenhersteller deutlich verkürzen.

elektro AUTOMATION: Da möchte ich kurz einhaken. Herr Dr. Schober, sehen Sie dies bei Trumpf ebenfalls als Vorteil?

Dr. Martin Schober (Trumpf): Ein digitales Modell eines Antriebs würde uns definitiv eine schnellere Entwicklung ermöglichen. Heute sprechen wir mit dem Antriebshersteller unseres Vertrauens in den Entwicklungsphasen ab, welche Anforderungen wir an die Antriebe haben, welche Dynamik man mit der Maschine erreichen möchte etc. Auf der Grundlage von Informationen zum Beispiel zum Bauraum und zu den Leistungsdaten erfolgt bei uns eine Vorparametrierung der Maschine. Interessant wäre es, diese Daten schon in einer ausgeklügelten Form von vornherein zu haben. Man fängt mit einem passenden CAD-Modell des Antriebs an, dies kann man perfekt in die Konstruktion einfügen, man hat die Leistungsdaten, hat am besten schon ein mechatronisches Modell dieses Antriebs und kann somit mit der eigentlichen Mechanik und den Antrieben dann eine komplett mechatronische Simulation durchführen. Das heißt, man kann Eigenschaften wie beispielsweise Genauigkeit, Dynamik oder Überschwingverhalten schon im Voraus genau überprüfen. Dieses Frontloading im Entwicklungsprozess bietet ein enormes Potenzial zur Hardware-Absicherung.

elektro AUTOMATION: Das alles funktioniert aber auch ohne die Standardisierung von Daten und Funktionen, oder?

Dr. Martin Schober (Trumpf): Das schon. Durch die Harmonisierung und Standardisierung von Daten und Funktionen wäre es für uns aber möglich, Simulationen mit Antrieben mehrerer Hersteller durchzuführen – und die Ergebnisse miteinander zu vergleichen etwa hinsichtlich Dynamik oder Qualität. Wenn wir dann feststellen, dass sich zwei Produkte gleichen, können wir auf das kostengünstigere Produkt zurückgreifen.

elektro AUTOMATION: Die Vergleichbarkeit mittels digitaler Modelle ist toll für Sie als Maschinenbauer. Doch sehen die Antriebshersteller dies auch so positiv?

Dr. Arne Linder (Kollmorgen): Spontan sage ich natürlich erstmal: Nein. Aber es ist natürlich so: Wir müssen uns als Antriebshersteller künftig im Prinzip nicht mehr um das Prototyping und alles, was für die Entwicklung beim Kunden benötigt wird, kümmern. Wir haben Simulationswerkzeuge, mit denen wir dem Maschinenbauer den Motor als digitalen Zwilling zur Verfügung stellen. Mit diesem kann er seine Simulationen fahren – und erst danach bauen wir den Motor für ihn. Auch gerade bei Design Freezes oder Design Updates lassen sich die Aufwände im Endeffekt reduzieren.

Prof. Dr. Gerd Griepentrog (TU Darmstadt): Dass den Antriebsherstellern Aufträge verloren gehen, glaube ich nicht. Es wird eher umgekehrt sein: Wer sich nicht an der Digitalisierung und Standardisierung beteiligt, der wird auf Dauer zu den Verlierern zählen. Letztlich wird dies ein Wettbewerbsvorteil gegenüber Herstellern etwa aus Asien sein.

elektro AUTOMATION: Die Sammlung von Daten erstreckt sich über den gesamten Lebenszyklus einer Maschine. Nach der Entwicklung folgt die Inbetriebnahme einer Maschine. Profitieren wir da auch von der Standardisierung, die der ZVEI vorantreibt?

Prof. Dr. Gerd Griepentrog (TU Darmstadt): Für Maschinenbauer ist eine Menge Kleinarbeit notwendig, um alle die für die Inbetriebnahme einer Maschine oder Anlage richtigen Einstellungen zu finden. Es reichen zum Teil relativ einfache digitale Funktionen, um eine Maschine einfacher in Betrieb zu setzen. Im ZVEI-Arbeitskreis „Industrie 4.0 Elektrische Antriebe“ sehen wir hierzu als eine der übergreifenden Funktionen „Autotuning“ vor. Das heißt, bei der Inbetriebnahme kann der Antrieb seine wesentlichen Parameter selbst finden, so dass zum Beispiel eine erste Bewegung möglich ist. Anschließend kann man das weiter optimieren. Vorstellbar sind in Zukunft Systeme, die selbstständig lernen und im Laufe der Zeit ihre Einstellungen immer weiter verbessern. Aber ich glaube, bis zur Serienreife ist es noch ein weiter Weg, zumal hier Sicherheitsaspekte eine große Rolle spielen.

Dr. Martin Schober (Trumpf): Gerade für den Sondermaschinenbau oder Maschinen, die in kleinen Losgrößen gebaut werden, sind die Vorteile gigantisch, wenn man bei der Inbetriebnahme nicht erst alle Daten „zusammensuchen“ muss, damit man den Motor zum Drehen bringt und damit er mit der Steuerung kommuniziert. Auch für die Prototypenphase bei Entwicklungsprojekten ist der digitale Zwilling des Antriebs von großem Vorteil, da wir uns nicht großartig mit dessen Konfiguration beschäftigen müssen.

Norbert Scholz (Baumüller): Industrie-4.0-Antriebe würden bei der Inbetriebnahme systemseitig vor allem dann ihre Stärken ausspielen, wenn man Antriebe mehrerer Hersteller in eine Maschine oder Anlage integriert. Die Optimierung würde durch eine geführte Inbetriebnahme und Autotuning-Funktionen wesentlich vereinfacht. Auf alle Fälle werden wir in Zukunft weniger programmieren und mehr Softwarefunktionalitäten mit den Komponenten zur Verfügung stellen.

Dr. Martin Schober (Trumpf): Je mehr Antriebshersteller wir einbinden können, desto komplexer und zielgerichteter können wir unsere Maschinen letztlich entwickeln und bauen.

elektro AUTOMATION: Da schließt sich für mich die Frage an: Bei wem liegen dann letztlich die Daten? Beim Antriebshersteller, beim Maschinenbauer oder beim Kunden?

Dr. Martin Schober (Trumpf): Sowohl als auch. Für den Maschinenbetreiber ist es natürlich schon interessant, wenn er seine Daten sammeln kann und vor allem, wenn er sie dementsprechend auswerten kann, um Aussagen über seine Auslastungen etc. zu bekommen. Für uns als Maschinenbauer ist das Thema Condition Monitoring hochinteressant – einen Mehrwert für den Kunden zu generieren und zeitgleich selbst weiter zu lernen. Die Antriebshersteller werden natürlich auch gerne wissen wollen, wie ihre Antriebe in den Maschinen funktionieren.

elektro AUTOMATION: Arbeitet Trumpf an den Themen Condition Monitoring oder Predictive Maintenance?

Dr. Martin Schober (Trumpf): Wir sind dabei, dieses Feld aufzubauen, auch als Geschäftsmodell. Momentan geht es vor allem um die Infrastruktur, damit man die Daten aus dem Feld automatisiert zurückbekommt. Wir sind außerdem dabei, Diagnosefunktionen aufzubauen – und da ist der Antrieb die Kernkomponente schlechthin.

elektro AUTOMATION: Inwiefern wollen Sie Ihre Antriebshersteller in diese Wertschöpfungskette einbinden?

Dr. Martin Schober (Trumpf): Das kann ich Ihnen nicht beantworten, dafür bin ich nicht der richtige Ansprechpartner bei uns im Unternehmen. Ich gehe davon aus, dass man schon genau miteinander absprechen muss, welche Daten man wie durchleitet an den Antriebshersteller. Ich persönlich denke, dass bei den Antriebsherstellern eine ganz andere Wissensbasis vorhanden ist, um Diagnosen zu Antrieben zu stellen. Zum Beispiel können wir als Maschinenbauer lange auf Kennwertkurven blicken ohne etwas zu erkennen, während bei den Antriebsherstellern schon die Alarmglocken läuten.

Martin Hankel (Bosch Rexroth): Wir haben da einen großen Vorteil Wir haben bei zahlreichen Maschinen unserer Muttergesellschaft Bosch Zugriff auf die Daten unserer Elektromotoren, die darin verbaut sind. Wir können diese auf ihren Nutzen hin analysieren, sie auswerten und Rückschlüsse ziehen. Wir nutzen das auch um über neue Services und Geschäftsmodelle nachzudenken und über Ansätze, wie wir dem Betreiber helfen können, seine Anlage letztlich schneller oder auch kostengünstiger zu betreiben.

elektro AUTOMATION: Zehn Jahre weiter gedacht – wo steht der Antrieb 4.0?

Dr. Martin Schober (Trumpf): Ich gehe davon aus, dass wir bis dahin eine durchgängige Transparenz über wesentliche Antriebsdaten entlang der gesamten Wertschöpfungskette erzielt haben – vom Antrieb über unsere eigene Steuerung bis hin zum Kunden.

Prof. Dr. Gerd Griepentrog (TU Darmstadt): In zehn Jahren werden wir Antriebe haben, die sich selbst in Betrieb nehmen, die sich selbst auch optimieren können. Allerdings mahne ich an, das Thema Sicherheit nicht außen vor zu lassen. Das wird eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen, und die Zeit sollten wir uns auch nehmen, um die Akzeptanz nicht zu gefährden.

Martin Hankel (Bosch Rexroth): In zehn Jahren werden wir dank Künstlicher Intelligenz so weit sein, dass wir kaum noch programmieren müssen und dass der Antrieb selbst lernt. Ich hoffe außerdem, dass wir die Funktionen, die wir heute im ZVEI standardisieren, auch auf andere Produktgruppen übertragen können. Denn wir wollen alle Daten – ganz gleich ob von einem elektrischen oder einem hydraulischen Antrieb – austauschen können. Wenn wir diese Funktionen vereinheitlichen, sind wir einen großen Schritt weiter.

Dr. Arne Linder (Kollmorgen): Funktionen wie Autotuning und Inbetriebnahme werden 2028 längst herstellerübergreifend funktionieren. Ich denke, 2028 wird der Motor selbst ein intelligenter Sensor sein, über den wir den Motor selbst oder auch das Gesamtsystem diagnostizieren können.

Norbert Scholz (Baumüller): Ja das sehe ich auch so, Antriebe erhalten zunehmend Intelligenz. Durch die steigende Rechenleistung werden Algorithmen, die man sich heute noch schwerlich vorstellen kann, möglich. Ich gehe davon aus, dass intelligente Diagnosemöglichkeiten geschaffen werden, die aus Stromverläufen oder anderen typischen Abbildern und deren Veränderungen viel genauer entscheiden können, wie der Gesundheitszustand des Antriebs ist und ob gegebenenfalls Komponenten getauscht werden müssen.

www.baumueller.de

www.boschrexroth.com

www.etit.tu-darmstadt.de

www.kollmorgen.de

www.trumpf.com


„Ich glaube, dass wir in zehn Jahren Antriebe haben werden, die sich selbst in Betrieb nehmen und die sich selbst auch optimieren können.“

Prof. Dr. Gerd Griepentrog, Fachgebiet Leistungselektronik und Antriebsregelung, TU Darmstadt
Bild: TU Darmstadt

„Nicht alle Daten, die ein Antrieb liefert, sind verwertbar. Deswegen sind wir auch sehr interessiert an einer Standardisierung, um überhaupt zu wissen, welche Daten verfügbar sind.“

Martin Hankel, Projektleiter Industrie 4.0, Bosch Rexroth
Bild: Bosch Rexroth

„Das Thema Energieeffizienz wird durch den Industrie-4.0-Antrieb eine neue Dimension erfahren. Die heute oft übliche Überdimensionierung von Antrieben hat ein Ende.“

Dr. Arne Linder, Product Manager Drives, Kollmorgen
Bild: Kollmorgen

„Industrie-4.0-Antriebe würden bei der Inbetriebnahme systemseitig vor allem dann ihre Stärken ausspielen, wenn man Antriebe mehrerer Hersteller in eine Maschine oder Anlage integriert.“

Norbert Scholz, Geschäftsführer Systemtechnik und Verantwortlich für Industrie 4.0, Baumüller
Bild: Baumüller

„Durch die Harmonisierung und Standardisierung von Daten und Funktionen wird es für uns möglich, Simulationen mit Antrieben mehrerer Hersteller durchzuführen – und die Ergebnisse miteinander zu vergleichen etwa hinsichtlich Dynamik oder Qualität. “

Dr. Martin Schober, Projektleiter automatisierte Achsdiagnose, Trumpf
Bild: Trumpf
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