Beckhoff & Spitzencluster it´s OWL auf der Hannover Messe Gemeinsame Ergebnisse: Intelligente Datenauswertung erhöht Nachhaltigkeit

Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Ursula Frank* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Vernetzte, sich selbstoptimierende Produktionssysteme sind ein Stellhebel zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit deutscher Industrieunternehmen. Ziele dabei: Stillstandzeiten vermeiden, geringe Energieverbräuche und qualitativ hochwertige Produkte mit minimalem Ressourceneinsatz.

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Integration ingenieurwissenschaftlicher Erkenntnisse in die Automatisierungstechnik
Integration ingenieurwissenschaftlicher Erkenntnisse in die Automatisierungstechnik
(Bild: Beckhoff)

PC-basierte Steuerungstechnik ist in der Lage diese intelligenten Produktionsnetzwerke zu verwirklichen. Der Grundgedanke von Beckhoff: mit einem Industrie-PC und der Automatisierungssoftware Twincat alle Funktionen eines Produktionssystems zu realisieren – angefangen von der Ablaufsteuerung, über die Antriebsregelung und NC-/CNC-Funktionen bis hin zur Robotik und Visualisierung.

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Ein weiterer Schritt in diese Richtung ist Scientific Automation. Dieser Begriff steht für die Integration ingenieurwissenschaftlicher Erkenntnisse (z.B. Messtechnik, Analyse- und Auswertverfahren, Kognition oder Adaption) in die PC-basierte Automatisierungstechnik. Auf diese Weise lassen sich Daten einer Produktionsanlage zentral erfassen, übergreifend analysieren und interpretieren sowie entsprechend notwendige Steuerungsprozesse initiieren – und das alles in Echtzeit.

Steigende Rechenleistung, u.a. bereitgestellt durch Many-Core-Rechner, ermöglicht die Umsetzung derart präziser und komplexer Analysen in Echtzeit, zentral auf einem Rechner und damit ohne Rechenzeitverluste durch das Zusammenführen von Daten mehrerer Rechnersysteme. Genau diese Themen werden im Rahmen des Technologienetzwerks „Intelligente Technische Systeme Ost-Westfalen-Lippe (it’s OWL)“ in dem Leitprojekt Scientific Automation (itsowl-ScAut) und dem Innovationsprojekt Extreme Fast Automation (itsowl-efa) erforscht. Das Technologienetzwerk wurde 2012 vom BMBF als Spitzencluster ausgezeichnet und ist das erste im Rahmen von Industrie 4.0 betreute Großprojekt.

Gemeinsam mit Anlagenherstellern und dem Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn sowie der Fachhochschule Bielefeld erarbeitet Beckhoff in diesen Projekten zum einen Scientific-Automation-Ansätze und zum anderen die technologischen Voraussetzungen sowie Steuerungskonzepte für den effizienten Einsatz ausgeprägt performanter Steuerungstechnik – ausgeführt in Many-Core-Technologie – in vorausschauende, sich selbstoptimierende Produktionssysteme. Die Zusammenarbeit erfolgt mit den Anlagenherstellern Hüttenhölscher Maschinenbau, IMA Klessmann Holzbearbeitungssysteme und Schirmer Maschinen. Die Anlagen von Hüttenhölscher und IMA werden bei dem assoziierten Projektpartner Nobilia-Werke J. Stickling, dem größten Hersteller von Einbauküchen in Deutschland, eingesetzt.

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Scientific Automation – Hochpräzise Analysen direkt in der Steuerung

Hauptanliegen der Anwendungspartner sind reduzierter Ressourcenverbrauch, verbesserte Produktqualität und höhere Produktionseffizienz durch Vermeidung von Maschinenstillständen. Hierzu integriert Beckhoff Methoden und Verfahren aus den Bereichen Erfassen, Sammeln, Analysieren und Auswerten von Daten in die Automatisierungstechnik und erforscht diese mit den Pilotpartnern in deren Produktionsanlagen. Ergebnis sind zum einen neue Ethercat-Klemmen zur hochpräzisen Erfassung und Analyse von Maschinenzustandsdaten, wie Schwingungen, Temperaturen, Drücke oder Energieverbräuche. Zum anderen stellt Beckhoff zur Datenauswertung Algorithmen in Form von Softwarebausteinen in Bibliotheken wie Twincat Condition Monitoring bereit. Weiterhin ermöglicht das Softwarewerkzeug Twincat Analytics das strukturierte Sammeln und Bereitstellen der Daten als Basis für weitere Auswertungen.

Lückenlose Datenaufzeichnung erschließt Optimierungspotenzial

Es erstellt ein komplettes zeitliches Abbild des Prozesses und der Produktionsdaten. Eine Informationsgrundlage nicht nur im Fehlerfall, sondern beispielsweise auch für eine umfassende Zustandsanalyse der Maschine. Hierzu lassen sich die aufgezeichneten Prozess- und Produktionsdaten on- und offline auswerten oder Maschinentakte z.B. auf Minimal-, Maximal- und Durchschnittswerte der Taktzeiten untersuchen. Gesamtlaufzeiten und Zeitdifferenzen von Produktionsvorgängen ergeben sich über Taktzähler oder aus Offline-Trace-Analysen. Weitere Vorteile entstehen für die vorausschauende Wartung: So lässt sich etwa über die Erfassung von Betriebsstundenzählern, Frequenzanalysen oder RMS-Berechnungen ein leistungsfähiges Condition Monitoring realisieren.

Energieverbrauch und Immissionen vorausschauend reduzieren

Schirmer ist spezialisiert auf maßgeschneiderte Hochleistungsanlagen für die Bearbeitung von Profilen aus verschiedensten Werkstoffen für Fenster, Türen und Fassaden. Ein Anliegen ist eine höhere Nachhaltigkeit und damit einhergehend ein reduzierter Energieverbrauch. Innerhalb der Projekte verschafft sich das Unternehmen zunächst einen Überblick über die tatsächlichen Energieverbräuche der Anlagen im realen Produktionsbetrieb bei Kunden. Dazu integriert Beckhoff in die Steuerung der Kundenanlagen eine Leistungsmessklemme und zeichnet über einen Zeitraum von einem Jahr durchgängig die Energieverbräuche in Korrelation mit den Auftragsdaten auf. Neben den Gesamtverbräuchen erhält Schirmer mit Hilfe einer gezielten Datenanalyse aussagekräftige Informationen über auftretende Spitzenströme beim Einschalten und Hochfahren der Module sowie über Module mit signifikant hohen Energieverbräuchen.

Neben Strategien zur Reduzierung von Spitzenströmen führt Schirmer einen vorausschauenden Betrieb von Maschinenmodulen ein. Unter Berücksichtigung der nächstfolgenden Arbeitsvorgänge und des Energieverbrauchs wechseln aktuell nicht benötigte Module in den Energiesparmodus Idle. So werden beispielweise bei dem vorausschauenden Betrieb des Sägemoduls die Servomotoren der Sägen, die temporär wenig oder nicht benötigt werden, auf eine reduzierte Drehzahl geregelt. Entgegen dem üblichen kompletten Abschalten und dem anschließenden Hochfahren unter Volllast führt dies zu einer Energieeinsparung von ca. 17%. Zudem verringern sich die Geräuschbelastung, der Verschleiß sowie die thermischen Einflüsse auf die Bearbeitungstoleranzen signifikant.

Hannover Messe, Beckhoff, Halle 9, Stand D68;

OWL Gemeinschaftstand, Halle 16 A04

* Dr.-Ing. Ursula Frank, Projektleiterin bei Beckhoff Automation

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