Integrated Drive Systems Wie integrierte Antriebstechnik die Wertschöpfung verbessert

Redakteur: Reinhard Kluger

Integrated Drive Systems optimiert die Wertschöpfung über die gesamte Prozesskette für mehr Effizienz, Verfügbarkeit und Produktivität. Dabei findet eine Integration auf 3 Ebenen statt: horizontal entlang des Energieflusses, vertikal innerhalb der Automatisierungspyramide und und als digitales abbild entlang des Produktlebenszyklus.

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Integrated Drive Systems im praktischen Einsatz: Bei einer Förderanlage sind Getriebe, Motor und Umrichter perfekt aufeinander abgestimmt.
Integrated Drive Systems im praktischen Einsatz: Bei einer Förderanlage sind Getriebe, Motor und Umrichter perfekt aufeinander abgestimmt.
(Siemens)

„Antriebstechnik, Sensorik und Automatisierung werden zum Treiber für den Wandel in der Industrie und entscheiden über die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen”, erklärt Ralf-Michael Franke, CEO der Siemens-Division Drive Technologies, wie die Zukunft aussehen wird. Nach Schätzungen des Verbandes Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) machen Informations- und Kommunikationstechnik sowie Automation im Maschinenbau schon heute 30 Prozent der Herstellungskosten von Maschinen und Anlagen aus. Ziel dieser Integration ist es, die Wertschöpfung über die gesamte Prozesskette zu optimieren.

Im Fokus des Nutzens: TIA - Totally Integrated Automation

Siemens bietet ein sich ständig erweitertes Portfolio aus Produkten, Systemen und Dienstleistungen an, das durch Software- und Hardware-basierte Integration entlang der gesamten Wertschöpfungskette optimal zusammenwirkt. Der zentrale Erfolgsfaktor heißt Totally Integrated Automation (TIA), der zum entscheidenden Treiber für die IT-Durchdringung und die enge Integration aller Ebenen der Automatisierungsund

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Antriebstechnik in der Industrie wird. TIA zeigt den Weg, wie digitale Planungs- und Produktionsprozesse in die reale Fertigung überführt werden können. Ein wesentlicher Produktivitätshebel ist dabei die software-basierte Unterstützung der Engineering-Prozesse. Siemens schafft hierzu die Verbindungen von realen Produkten zu ihren virtuellen Modellen in der Produktentwicklung und von den realen Produktionseinrichtungen zu ihren digitalen Pendants im Produktionsprozess.

Wie die dreifache Integration des Antriebsstrangs neue Möglichkeiten eröffnet

„Mit der Integration von Antriebstechnik und Automatisierungslösungen bietet Siemens den Unternehmen neue Möglichkeiten, ihre Flexibilität und Qualität der Produktion zuerhöhen, Kosten einzusparen sowie die Anlagensicherheit und Energieeffizienz zu verbessern“, sagt Ralf-Michael Franke. „Bisher haben wir die Mechatronik mit klassischen Methoden entwickelt und betrieben. Es gab wenig Abstimmung über die Prozesse der Einzeldisziplinen Mechanik, Elektrotechnik und Software hinweg. Die Einzigartigkeit der Integration des Antriebssystems zusammen mit TIA und den Softwaresystemen für Engineering und Betrieb nimmt Siemens nun zum Anlass von einem „Integrated Drive System“ (IDS) zu sprechen.“

Horizontal entlang des Energieflusses

Kernelement des Integrated Drive Systems ist die dreifache Integration des Antriebsstranges – horizontal von Kupplung und Getriebe bis zum Motor und Umrichter entlang des Energieflusses, vertikal innerhalb der Automatisierungspyramide in die Steuerungsarchitektur industrieller Fertigungsprozesse und digital innerhalb des Produktlebenszyklus.

„IDS ist das in seiner Vollständigkeit einzigartige Produktportfolio der Siemens-Division Drive Technologies und bietet für alle Branchen die durchgängige und zuverlässige Integration des Antriebsstrangs in unterschiedlicher Ausprägung“, sagt Franke. So verbessert beispielsweise die horizontale Integration die Maschinenproduktivität, die Qualität der Produktion und die Effizienz der Maschine.

Vertikale Integration erhöht die Produktivität

Die vertikale Integration erhöht die Plant Performance oder Anlagenproduktivität, die Flexibilität und die Transparenz der Produktion sowie der Produktionsprozesse und sorgt mit zusätzlichen Funktionalitäten für Sicherheit, Wartbarkeit und Umweltschutz. „Ziel dieser Integration ist es, die Wertschöpfung über die gesamte Prozesskette zu optimieren“, sagt Franke.

Wie sich die Engineeringphase auf die Produktion auswirkt

Mit dem Integrated Drive System geht Siemens bei der Realisierung von Antriebsaufgaben weit über reine Produkt-Features oder der Suche nach niedrigeren Anschaffungskosten der Antriebskomponenten hinaus. Siemens bietet mit dem Integrated Drive System einen Antriebsstrang, der vom Umrichter bis zur Kupplung komplett optimiert ist und der schon alle Schnittstellen in die Automatisierung berücksichtigt. Dies sichert Produktivität und Verfügbarkeit einer Anlage. Aber auch während der Engineering Phase können verschiedene Konfigurationen für den Einsatz in der Produktion bereits simuliert und optimiert werden.

Rüstzeug für die wachsende Digitalisierung

„Das Integrated Drive System ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu integrierten Produkt- und Produktions-Lebenszyklen“, bilanziert Ralf-Michael Franke. „Mit der Einbindung der Antriebstechnologie in das TIA-Portal vereinfachen sich Engineering, Inbetriebnahme und Diagnose-Aufgaben drastisch. Die Konfiguration in der Planungsphase, die dazugehörige Simulation und die Auslegung des Antriebsstrangs inklusive der nahtlosen Datenhaltung im Rahmen des PLM-Prozesses ermöglichen neue Dimensionen in Effizienz und Zuverlässigkeit. Damit sind die Anwender gut für die wachsende Digitalisierung der Fertigungswelt gerüstet.“

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Warum Integration mehr ist, als nur die Summe der Einzelkomponenten

Auf physikalischer Ebene werden die einzelnen Komponenten des Antriebsstranges funktional, mechanisch und energieeffizient passend für die jeweilige Aufgabenstellung optimal aufeinander abgestimmt. Als Basis hierfür dient das umfassende Siemens-Portfolio bei Getrieben, Kupplungen, Motoren und Umrichtern und deren Kombinationsmöglichkeiten. Schnittstellenprobleme, wie sie aus dem einfachen Zusammensetzen des Antriebsstranges aus Einzelkomponenten entstehen, werden von vornherein vermieden.

Vertikale Integration bietet perfektes Zusammenspiel

Die vertikale Integration – also die Integration des Antriebsstrangs in die Steuerungsarchitekturen der industriellen Fertigungsprozesse - ist eine notwendige Voraussetzung für eine Produktion mit maximaler Wertschöpfung. Beim Integrated Drive System werden die Antriebskomponenten innerhalb der Automatisierungspyramide, z.B. über das TIA-Portal, nahtlos in die Automatisierungsumgebung integriert. Im Betrieb selbst spielen alle Systeme – angefangen vom Antriebssystem und der Feldgeräte über die Automatisierungsebene bis zu den Manufacturing Execution Systems - perfekt zusammen.

Warum Transparenz und Datendurchgängigkeit so wichtig sind

Mit der entstehenden Transparenz und Datendurchgängigkeit werden die Voraussetzungen für eine Produktion mit maximaler Wertschöpfung geschaffen. So können beispielweise Benutzer durch die Integration der Sinamics-G120-Familie in das TIA-Portal und den Simotion-Steuerungen die gleichen effizienten und bedienerfreundlichen Mechanismen des TIA-Engineering-Frameworks zur Projektierung, Konfiguration und Inbetriebnahme nutzen. Dies betrifft sowohl die Zusammenführung von Hardware- und Netzwerkkonfigurationen in einem konsistenten, vollgrafischen Editor als auch die leistungsfähige Diagnose der konfigurierten und vernetzten Komponenten.

Integration ins Engineering-Framework

Ein umfangreiches Bibliothekskonzept sorgt für einheitliche Datenhaltung und Datenkonsistenz und schnelle Projektierung. Integriert sind auch das Profidrive-Antriebsprofil für alle relevanten Anwendungen und Profisafe zur fehlersicheren Kommunikation. Simotics-Motoren lassen sich über „Sinamics Startdrive“ in das Engineering-Framework integrieren.

Wie sich die dritte Ebene auf den Lebenszyklus der Maschine auswirkt

Über die horizontale und vertikale Ebene spannt das IDS-Konzept eine weitere Integrationsebene. Diese dritte Ebene referenziert auf den gesamten Lebenszyklus einer Maschine und Anlage. Alle Komponenten sind datentechnisch in der entsprechenden Industriesoftware für die Planung, Auslegung und Inbetriebnahme wiederzufinden. So kann beispielsweise mit dem Konfigurationstool „Sizer for Siemens Drives“ der gesamte Antriebsstrang genau auf den Arbeitspunkt für alle Bewegungsaufgaben der Maschine ausgelegt werden. Dies garantiert im späteren Betrieb höchster Energieeffizienz und Performance. Mit dem immer engeren Datenaustausch der Systeme untereinander im ganzen Produktlebenszyklusprozess können Informationen konsistent weiterverwendet werden.

Realisationszeit einer Applikation reduziert sich

Insgesamt erreicht man mit dieser Life Cycle Integration kürzere Produktentstehungszeiten, eine schnellere Inbetriebnahme sowie eine hohe Zuverlässigkeit durch die optimale Auslegung der Antriebskomponenten. „Nimmt man die horizontale und vertikale Integration sowie die Integration des gesamten Lebenszyklus zusammen, so reduziert sich ohne Frage die Realisationszeit einer Applikation. Gleichzeitig steigt die potentielle Wirtschaftlichkeit während der Gesamt- Lebenszeit der Applikation“, bekräftigt Sal Spada, Mitglied des Discrete-Automation-Teams bei der ARC Advisory Group. Indem Integrated Drive System einfache Antriebskomponenten durch konsequente Integration zu echten Systemen machen, werden einfache Investitionsgüter zu wichtigen Erfolgsfaktoren. „Ich bin überzeugt, dass sich die Wahrnehmung von Herstellern ändern wird: Antriebssysteme werden in Zukunft als eine direkte Einnahmequelle wahrgenommen und nicht mehr nur als Kostenfaktor für den laufenden Betrieb“, so Spada weiter.

Ein Beispiel für die horizontale Integration

Als Beispiel für die horizontale Integration sei hier der komplexe Antriebsstrang von Vertikalmühlen in der Zementindustrie genannt. Vertikalmühlen zerkleinern Kalkstein, Klinker, Schlacke, Kalk und Gips. Sie mahlen das Rohmaterial von bis zu 30 mm Stärke auf eine sehr feine Körnung. Die Zerkleinerung von mineralischen Rohstoffen ist ein außerordentlich energieintensiver Prozess. Um wirtschaftliche Verfahren zu ermöglichen, muss die verwendete Antriebstechnik an die spezifischen Eigenschaften des Aufbereitungsprozesses angepasst werden. Deshalb ist sehr wichtig, Getriebe, Kupplung, Motor und Umrichter so abzustimmen, dass der optimale Arbeitspunkt erreicht wird, ohne dass die Maschine in ihrer Mechanik überfordert wird. Das Getriebe ist dabei der Dreh- und Angelpunkt. Es überträgt die Leistung, reduziert auf die erforderliche Mühlendrehzahl und lagert die Mahlschüssel.

Über die Sinamics Frequenzumrichter kann die Mahltellergeschwindigkeit bei wechselnden Mahlgütern und unterschiedlichen Korngrößen angepasst werden, was für höchste Laufruhe sorgt. Mit dem Integrated Drive System kann nun vorab der Antriebsstrang, bestehend aus Sinamics Prefect Harmony-Umrichtern, Simotics H-Compact plus-Motoren Flender Rupex RWM 710-Kupplungen und Flender KMPS 396-Getrieben, unter realen Lastbedingungen simuliert und die Schwingungen des Systems analysiert werden. Daraus lassen sich die Optimierungskriterien für die Regelung und den Aufbau des gesamten Antriebsstranges ableiten. Dies steigert den Output um bis zu 15 Prozent, reduziert den Energieverbrauch um 5 Prozent, verkürzt die Wiederanfahrzeit und erhöht die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der ganzen Maschine.

Gleichzeitig lässt sich das Integrated Drive Systems-Konzept auch auf das neue Antriebskonzept MultipleDrive übertragen. Hierbei treiben zwei bis sechs autarke Antriebseinheiten einen gemeinsamen Zahnkranz an. Damit verbindet das Konzept die Vorteile eines drehzahlvariablen Antriebes mit der Modularität eines mehrstufigen Antriebes und ermöglicht so Leistungen bis zu 16,5 Megawatt. Die hohe Regeldynamik mit entsprechender Lastverteilung zwischen den einzelnen Antriebseinheiten sorgt für einen laufruhigen Betrieb und damit für ein besseres Mahlergebnis.

Die einzelnen Antriebssysteme sind jeweils auf einer Lafette angeordnet. Muss eine Antriebseinheit der Wartung unterzogen werden, wird sie einfach aus dem Eingriff genommen. Während ein Servicetechniker die notwendigen Arbeiten ausführt, treiben die anderen Einheiten den Zahnkranz weiter an. Dadurch hat diese Lösung eine hohe Redundanz. Beispiel für die vertikale Integration Wie perfekt sich horizontale und vertikale Integration bei IDS ergänzen, zeigt das Beispiel des tschechischen Glasmaschinenherstellers Sklostroj. S klostroj Turnov CZ, s.r.o. ist seit 60 Jahren spezialisiert auf die Entwicklung und den Bau von Industrieanlagen, mit denen Glashütten in aller Welt produzieren, und ist inzwischen führender Hersteller von Behälterglasmaschinen.

Das Unternehmen suchte eine neue Automatisierungs- und Antriebslösung für seine neue Containerglasmaschine ISS. Dabei sollte die gesamte Mechanik, die in direktem Kontakt mit Glas steht, mit Servotechnik ausgerüstet. Siemens lieferte hierfür das Motion Control System Simotion D445-2, die Umrichter SinaSiemens mics S120 und die Simotics-Servomotoren 1FK7 und 1FK6 und vernetzte alle Komponenten komplett mit Profinet. Eine zentrale Sicherheitssteuerung ist mit einer fehlersicheren ET 200S Safety PLC IM151-8F ausgerüstet und erreicht das Performance- Level D. Sämtliche Sicherheitsfunktionen werden mit Profisafe über Profinet angesteuert.

Die neue Maschine kann – abhängig vom Kundenbedarf und der gewählten Kühlungsart – mit 9 bis 17 Servoachsen pro Sektion ausgestattet sein und durchläuft – abhängig vom jeweiligen Produkt – bis zu 25 Zyklen je Minute pro Sektion. Der Einsatz von Servotechnik an allen wichtigen Stellen garantiert die höchste Wiederholbarkeit der Prozesse sowie eine gleichbleibende Produktqualität. Mit dieser Integration von Antriebssystem und Motion-Control-System sparen die Maschinen von Sklostroj ungefähr 40 Prozent ihrer Energiekosten, haben 15 Prozent höhere Maschinenverfügbarkeit gegenüber der Altanlage und eine Datendurchgängigkeit, die sich beim Bau, bei der Inbetriebnahme und bei der Produktion auszahlt, ist Rolf Tema, Technischer Direktor bei Sklostroj, erfreut. Insgesamt wurde die neue Maschine mit den Servoantrieben sehr kompakt und flexibel.

Beispiel für die Life Cycle Integration

Ein Beispiel für die Integration der verschiedenen Life Cycle Phasen zeigt sich besonders am Entwurf der integrierten Antriebstechnik für Werkzeugmaschinen. Hier hat man extrem hohe Beschleunigungen, Genauigkeiten im Mikrometerbereich und viele Servoachsen, die genau aufeinander abgestimmt sein müssen. So wurden beispielsweise bei den Kunden DMG und Index Maschinen entwickelt, die von vornherein am digitalen Modell mit den System NX, Tecnomatix und einer virtuellen Steuerung optimiert wurden. Dabei wurden die Bewegungsabläufe simuliert und auf Kollisionen und Produktivität getestet. Dies hat den Vorteil, dass das Maschinendesign wesentlich schneller und zielgenauer als im klassischen Maschinenbau entwickelt werden konnte. Die Einsparungen liegen hier zwischen 40 und 80 Prozent.

Da allen Parameter, Daten und Zyklen der physischen Maschine als exaktes digitales Modell schon vorliegen, kann sie auch der Maschinenbetreiber nutzen. Besonders effektiv ist dies beim Produktwechsel oder dem Neueinrichten der Maschine. Erst wenn

im digitalen Prozessabbild alles passt, werden die Einstellungen auf die reale Maschine übertragen. Das Testen, Variieren und Optimieren verlagert sich in die virtuelle Welt.

Auf diese Weise können Richt- und Umrüstzeiten in der Größenordnung von 30 bis 40 Prozent eingespart werden. Gleichzeitig spart dies Maschinenkosten und reduziert die Bearbeitungszeiten. Für dieses Konzept bekam Siemens kürzlich von DMG den Innovationspreis. Günter Bachmann, Vorstandsmitglied der Gildemeister AG, betonte bei der Preisverleihung, dass die besondere Innovationskraft von Siemens die höchst komplexen Prozesse vereinfache und vereinheitliche und damit die Arbeit der Werkzeugmaschinenhersteller erheblich optimiere.

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