Neue Ventilelektronik, Bild: Aventics

Die Ventilelektronik neuester Generation von Aventics erlaubt die dezentrale Steuerung und Diagnose. Bild: Aventics

Für die Hersteller pneumatischer Komponenten sind die Anforderungen des Marktes sehr breit aufgestellt. Im Fokus stehen nach wie vor Energieeffizienz, Sicherheit, Hochverfügbarkeit und Modularität. Neben den Anforderungen an die Produkteigenschaften sind zunehmend aber auch das After-Sales-Geschäft und der Kundenservice ein Thema.

Zustandsüberwachung oder Condition Monitoring und wartungsfreundliche Komponenten sowie einfache Installation, Modularisierung und vorbeugende Instandhaltung sollen einen störungsfreien und zuverlässigen Betrieb garantieren. Inwiefern dabei der vielzitierte Industrie-4.0-Gedanke ein Motor oder eher eine evolutionäre Folge der aktuellen technischen Entwicklungen ist, beurteilen Unternehmen unterschiedlich.

Ross-Proportionalventile

Die Ross-Proportionalventile lassen sich
durch verschiedene Bussysteme miteinander verknüpfen. Das Unternehmen ist dabei, seine Ventile mittels verfeinerter Elektronik und Sensorik weiterzuentwickeln, mit dem Ziel eine anspruchsvolle Gerätekommunikation zu ermöglichen.
Bild: Ross Europa

SMC Pneumatik beschreibt den ersten wichtigen Trend, nämlich die Modularität. In der Fertigung muss heute so viel Flexibilität bestehen, dass kleine Stückzahlen und kurze Produktlebenszyklen darstellbar sind. Vor allem Montage- und Handlingeinrichtungen müssen in Zukunft noch häufiger als bisher umgebaut und auf neue Produkte angepasst werden.

Modularisierung und Erhöhung der Funktionsdichte bei Ventilinseln

Hohe Modularität und Parametrierbarkeit sind daher wichtige Herausforderungen. Haydar Kartal, Sales Engineer bei SMC stellt klar: „Es soll möglichst leicht sein, verschiedene Baubreiten, unterschiedliche Druckzonen und verschiedene Anschlusspositionen auf einer Insel abzubilden. Sollten sich die Anforderungen an die Ventilinsel ändern, so soll der Anwender durch den modularen Aufbau in der Lage sein, eine andere Kombination oder Funktion herzustellen.

Dies ermöglicht ihm weitere Freiheitsgrade in der Konstruktion. Zudem reduziert die Integration verschiedener Funktionen auf einem Bauteil die Variantenanzahl für den Hersteller.“ Haydar Kartal sieht darin weitere Folgeeffekte: „So können beispielsweise die Lagerkosten gesenkt und die Ersatzteilbeschaffung vereinfacht werden, wenn ein Bauteil mehrere Funktionen abdeckt.“ Das Unternehmen bietet, um diese Funktionsdichte zu erreichen, die Baureihe new SY an.

4.0-Anwendungen

SMC lebt das Thema Industrie 4.0 auch intern und arbeitet bereits in verschiedenen Abteilungen mit 4.0-Anwendungen. Hier werden anhand der digitalen Zeichnung der digitale Druckschalter ISE35, Ventile der Serie SQ Und Filterregler der Serie Aw montiert. Bild: SMC

Die Firma Metal Work, die vor allem in Italien zu einem der führenden Unternehmen im Pneumatikbereich zählt und nahezu alle Produkte in der eigenen Fertigung hergestellt, setzt ebenfalls auf Bauteile, die Modularität erlauben. Dazu ordnet das Unternehmen Ventile mit unterschiedlichem Durchfluss in der gleichen Insel an. So können bis zu drei verschiedene Baugrößen installiert und jederzeit ein Ventil durch ein solches mit anderer Leistung ersetzt werden. Ein solcher Umbau dauert, dem Hersteller zufolge, nur wenige Minuten, denn dazu sind nur die beiden Stiftschrauben, die die Ventile miteinander verbinden, zu lösen.

Alle H-dm-Ventile können in den Ventilinseln gemeinsam mit jeder beliebigen Eingangsplatte kombiniert und jedes Ventil mit einer Multipol-, AS-Interface-, Profibus-DP- oder Canopen-Eingangsplatte verwendet werden. Da die elektrischen Signale zwischen den Ventilen über goldbeschichtete Kontakte zum zentralen Anschluss geführt sind, entstehen die Verbindungen bei der Montage dann automatisch.

Das System wurde so konzipiert, dass alle pneumatischen Anschlüsse, elektrischen Verbindungen und ASI-Anschlüsse integriert sind und eine sehr kompakte und stabile Einheit bilden. Ventile und Zubehör sind Standardelemente, es sind lediglich die erforderlichen Eingangsplatten einzusetzen, um eine Multipolinsel in eine ASI-Ventilinsel zu verwandeln.

Kleiner und leichter

Da pneumatische Ventile in großem Umfang bei Handlingaufgaben eingesetzt werden, ist deren Masse für die Gesamtauslegung der Anlage und die Dynamik sehr oft entscheidend. Kleinere Massen kommen mit kleineren Hauptantrieben zurecht, das bedeutet in der Folge geringere Erstinvestitionen und bessere Energiebilanzen.

Die extrem leichten und kompakten Ventilsysteme der AV-Serie von Aventics bestehen konsequent aus Hochleistungskunststoffen. Der Korpus ist in einer Wabenstruktur konstruiert, was das Gewicht gegenüber vergleichbaren Systemen um mehr als die Hälfte verringert. Kombiniert mit der kleinen Baugröße können die Ventile deshalb zum Beispiel in Handlingssystemen direkt am Aktuator montiert werden, was Zuleitungswege und Druckluft spart. Ganze Funktionsgruppen können dadurch ohne Schaltschrank komplett vormontiert werden.

Diesen Weg verfolgt auch SMC mit besonders kompakten und leichten Ventilen. Gerade wenn der zur Montage verfügbare Bauraum begrenzt ist und Ventile auf bewegten Achsen zum Einsatz kommen, bieten die Leichtgewichte enorme Vorteile, ohne auf Performance, also Durchflusskapazität verzichten zu müssen. Darüber hinaus wirkt sich der geringere Bedarf an Fertigungsmaterial auch positiv auf die Umwelt und Herstellungskosten aus. Aber auch die Reduktion von Gewicht kann in vielen Fällen Energie einsparen und somit für eine verbesserte Energieeffizienz sorgen.

Sensorik und Vernetzung ermöglichen vorausschauende Wartung

Eine der vorrangigen Herausforderungen ist es nach wie vor, die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen und damit die Stückkosten zu senken. Angestrebt werden daher vor allem Systeme, die die Kosten für Wartung und Service niedrig halten. Parker Hannifin, einer der führenden Komponenten- und Systemlieferanten in dem Bereich, sieht in der elektronischen Vernetzung der einzelnen Komponenten, die eine vorbeugende Instandhaltung ermöglicht, einen wichtigen aktuellen Trend. Gerade im Bereich Condition Monitoring übernehmen zunehmend intelligente Komponenten die Kommunikation mit den Maschinen und Anlagen, sodass ein störungsfreier Ablauf garantiert ist.

MDM2-Ventil

Ross Europa bietet mit dem MDM2-Ventil für fehlersichere Energietrennung ein Safety-Produkte an, das auch in Form einer Drucklufteinspeisung als modulare Baugruppe, mit L-O-X-Adapter zum Absperren und Entlüften erhältlich ist. Bild: Ross Europa

Dr. Axel Fröschle, Engineering Manager, Parker Hannifin Pneumatic Division Europe, fasst es so zusammen: „Bei uns Komponentenherstellern wird sicher das Thema Condition Monitoring wichtig werden, das den Kunden ermöglicht, vorbeugende Wartungen in bisher kaum möglicher Qualität zu planen und damit ungewollte Stillstandzeiten zu minimieren, die sehr viel Geld kosten.“ Dieser Aufgabe nimmt sich Parker an, indem das Unternehmen bereits bei der Entwicklung Pneumatikkomponenten mit dezentraler Elektronik kombiniert. „Die Parker-Komponenten werden mit Intelligenz ausgestattet, um während des Produktionsprozesses in Echtzeit den Ablauf zu optimieren.

Einen entscheidenden Beitrag zu Industrie-4.0-tauglichen Anlagen leistet beispielsweise der PAC – Parker Programmable Automation Controller. Die multifunktionale Steuerungsplattform wird zum zentralen Steuerungs-Knotenpunkt für alle relevanten Prozessdaten der Komponenten einer Maschine in Echtzeit. Schon bei der Produktion können den Komponenten produktrelevante Daten zugeordnet werden, die später sowohl für uns als auch für den Kunden von Nutzen sein können“, erklärt Fröschle.

Nicht immer muss es aber gleich die große Lösung sein. Interessante Ideen gebe es auch in dem Ansatz, Komponenten zumindest etwas Intelligenz mitzugeben, sodass diese zumindest einen eindeutigen Namen führen, somit zuordenbar sind und für den Kunden ein Bündel von Informationen bereithalten, die bislang mit deutlich mehr Aufwand verwaltet werden mussten, so der Parker-Manager. Viele Lösungen des Unternehmens seien bereits mit intelligenten Schnittstellen ausgerüstet, sodass sie als smart products mit übergeordneten Rechnern kommunizieren können.

Auch SMC setzt auf die Einbindung in vernetzte Fertigungsumgebungen, um eine vorausschauende Wartung möglich zu machen. Sie bietet mit ihrer seriellen Übertragungseinheit EX eine modulare Lösung an, mit der sich eine Ventilinsel an einen Feldbus anbinden lässt. Über digitale und analoge Ein- und Ausgangsmodule können auch Eingangsgeräte wie Druck- und Durchflusssensoren ebenso wie Signalgeber oder Ausgangsgeräte, wie zum Beispiel Relais oder Anzeigekomponenten, angeschlossen werden.

Die Serie EX600 ist ausgestattet mit einer umfangreichen Selbstdiagnosefunktion für die komplette Einheit, sowohl auf Modulebene als auch für Einzelsignale. Damit können etwa Kurzschluss oder Drahtbruch eines Eingangs- oder Ausgangsgerätes erfasst werden. Der Fehler wird dann über die Betriebsanzeige und über das Netzwerk lokalisiert. Eine Besonderheit vor dem Hintergrund vorbeugender Wartung stellt auch die Erfassung des Betriebszustandes der Ventile dar, die Aufschluss über zu erwartende Wartungszyklen gibt. Bezüglich der Feldbusprotokolle ist die Serie EX offen, das heißt, es werden sämtliche gängigen Feldbusprotokolle abgedeckt. In Europa sind das Profinet und Profibus und Ethercat. Auf dem amerikanischen Markt ist Devicenet und Ethernet IP verbreitet, und asiatische Anwender setzen vor allem auf CC-Link für Mitsubishi Steuerungen.

Risikobetrachtung und Sicherheit sind Dauerbrenner

Sowohl bei Parker als auch bei Ross Europa stehen die Dauerthemen Risikobetrachtungen und Sicherheit ganz oben auf der Prioritätenliste. Parker legt seit jeher bei der Entwicklung seiner Komponenten großen Wert auf Sicherheit und Komfort für den Anwender. Ross kann sogar als Pionier der Sicherheitstechnik bezeichnet werden, der bereits im Jahre 1954 mit einem Pressenventil in redundanter Ausführung für Furore sorgte. In regelmäßiger Folge brachte Ross eine Reihe von Safety-Produkten auf den Markt. Das jüngste Highlight ist das MDM2-Ventil für fehlersichere Energietrennung, das das Unternehmen auch in Form einer Drucklufteinspeisung als modulare Baugruppe, mit L-O-X-Adapter zum Absperren und Entlüften anbietet.

Kundenspezifische Lösungen haben Priorität

Serie EX600

Die Serie EX600 von SMC ist ausgestattet mit einer umfangreichen Selbstdiagnosefunktion für die komplette Einheit, sowohl auf Modulebene als auch für Einzelsignale. Damit können etwa Kurzschluss oder Drahtbruch eines Eingangs- oder Ausgangsgerätes erfasst werden. Bild: SMC

Weg vom alleinigen Fokus auf Standartprodukte, hin zu bewusst kundenspezifischen Produkten bewegt sich Kendrion Kuhnke, und bietet kundenspezifische Lösungen vor allem in der Miniaturpneumatik an. Sven Desens, Leiter Produktmanagement Fluidtechnik bei Kendrion Kuhnke Automation, dem Geschäftsbereich Industrial Control Systems des Unternehmens, erläutert diese Ausrichtung: „Die zunehmende Automatisierung manueller Tätigkeiten in Diagnostikverfahren wie zum Beispiel der Labor- oder der Umweltdiagnostik aber auch in vielen anderen Märkten bietet immer neue Chancen für Produkte aus der Fluidtechnik.“

Als wichtiges Thema nennt er die anwendungsnahe Betrachtung und Integration realisierbarer Funktionen, denn nur so lassen sich aus Sicht von Sven Desens Lösungen für eine weitergehende Miniaturisierung finden. „Trotzdem arbeiten wir gleichzeitig daran, unseren Baukasten an Standardkomponenten für neue Kundenforderungen anzupassen. Mit unserem neuen druckausgeglichenen, mediengetrennten Magnetventil machen wir dabei einen riesigen Schritt nach vorne in Anwendungsgebiete mit diffizilen Medien“, fährt Sven Desens fort.

Standard-Magnetventile

Die technischen Daten wie Funktion oder Durchfluss der Standard-Magnetventile von Kendrion Kuhnke können auf Anfrage nahezu beliebig angepasst werden. Bild: Kendrion Kuhnke

Zusammen mit modernen Anschlussplatten-Systemen wie dem Kuhnke-Airboard, einer mediendurchströmten Leiterplatte, bietet sich großes Potenzial für die Integration von Mess- und Regelaufgaben auf engstem Raum. „Schließlich ist es nicht erst seit Industrie 4.0 wichtig, Plattform-Lösungen vorzuhalten, die eine leichte Vernetzbarkeit von Komponenten bis hin zu intelligenten, digital vernetzten Systemen ermöglichen.

Mit dem Kuhnke-Airboard können wir flexibel auf kommende Anforderungen der Industrie 4.0 reagieren. Durch die Verzahnung von Fluidtechnik und Elektronik können Funktionen wie das Sensieren, Messen und Schalten von Fluiden aber auch die Datenverarbeitung an Ort und Stelle oder die Datenübertragung via Bussystem in Plug-and-Play-Lösungen modularisiert werden“, so Desens.

Industrie 4. 0 wird nicht ganz so heiß gegessen, wie es gekocht wird

Auch wenn das Schlagwort Industrie 4.0 in aller Munde ist, bei den meisten Firmen wird das Thema im Einzelnen dann doch mit mehr Bodenhaftung versehen, als es die Erwartungen vielversprechender Schlagzeilen vermuten lassen. Wilfried Stroh, Manager Product Marketing bei Ross Europa, sieht es so: „Die anhaltende Diskussion um Industrie 4.0 darf nicht zu übereilten Schlüssen (ver-)führen. Wir bei Ross Europa sehen uns nicht als Speerspitze der total vernetzten Produktionswelt, sondern verfolgen beharrlich den Weg nachhaltiger Dynamik mit dem Ziel, uns im Wettbewerb zu behaupten und unserem Kunden jetzt einen kontinuierlich wachsenden Mehrwert zu bieten. Genau das verlangt er auch von uns.“

Er fährt fort: „Es erscheint wenig sinnvoll, den dritten Schritt vor dem zweiten zu tun. Bevor die Fabrik der Zukunft überhaupt die erhofften Segnungen bringen kann, müssen sehr weitgehende strukturelle Vorarbeiten geleistet werden. Gerade für einen Mittelständler sind derartige Investitionen in Mensch und Maschine schwer zu schultern.“

Als Beispiele nennt er die firmeneigene IT-Infrastruktur, die auf Zukunftskurs zu bringen sei, Fragen zur Datensicherheit und zum Know-how-Schutz, die im Vorfeld eindeutig zu beantworten seien, Produktpotenziale, die intelligent ausgereizt werden müssen und Fertigungsprozesse, die der permanenten Modernisierung bedürfen. „Industrie 4.0 ist zweifelsohne eine große Herausforderung, der wir uns konzentriert, aber behutsam, widmen“, erklärt Wilfried Stroh.

„Zur Zeit müssen allerdings erst die Hausaufgaben erledigt werden, entsprechend steht bei Ross Europa die Umsetzung von Konzepten zur Realisierung einer volldigitalen, smarten Fertigungskultur erst am Anfang. Dennoch: Der Trend zu intelligenten Ventilen und vernetzten Lösungen setzt sich unübersehbar und unvermindert fort. Ross-Proportionalventile lassen sich durch verschiedene Bussysteme miteinander verknüpfen. Wir sind dabei, unsere Ventile mittels verfeinerter Elektronik und Sensorik weiterzuentwickeln, mit dem Ziel eine anspruchsvolle Gerätekommunikation zu ermöglichen. Damit strecken wir die Fühler in Richtung weiter verbesserter Produktintelligenz – natürlich auch nach der Verwirklichung erster Schritte eines digitalen Netzwerks à la Industrie 4.0 – aus. Schon seit vielen Jahren praktiziert Ross Europa übrigens eine interne Prozessverknüpfung zwischen Konstruktion und Fertigung, sodass beispielsweise Vollzugriff auf Fertigungszeichnungen erfolgen kann.“

Aventics hat ebenfalls eine souveräne, aber unaufgeregte Auffassung zu den Themen Industrie 4.0 und Vernetzung. „Industrie 4.0 ist aus Automationssicht keine Revolution, sondern eine seit Jahren andauernde Evolution hin zu vernetzbaren Komponenten, Modulen und Maschinen“, erklärt Dieter Michalkowski, Global Account Manager bei Aventics. Im Zuge dieser Entwicklung erschließt die Ventilelektronik AES durch dezentrale E/A-Module Potenziale für eine weitergehende Vernetzung und macht so den Weg frei hin zur Industrie 4.0.

Die speziell auf den Einsatz in vernetzten Umgebungen ausgelegte AES-Elektronik unterstützt alle gängigen Feldbusse und Ethernet-Protokolle und ermöglicht so einen nahtlosen Informationsfluss. Diagnose- und Statusfunktionen für die Pneumatik sind dort bereits integriert. Die Elektronik erfasst die Betriebszustände der einzelnen Ventile und wertet sie dezentral aus. Diese Datensätze werden an die übergeordneten Systeme gesendet und zeigen den tatsächlichen Verschleiß einzelner Ventile an, bevor es zu einem Ausfall kommt.

Die Instandhaltung kann dadurch zustandsabhängig den Austausch planen und in einer ohnehin vorgesehen Produktionspause vornehmen, was die Maschinenverfügbarkeit deutlich erhöht. Durch die Ethernet-Anbindung kann die Abfrage von jedem beliebigen Standort aus erfolgen. Dabei genügen für den Anschluss aller mit der Ventilelektronik verbundenen Pneumatikventile, Sensoren oder Aktoren an die übergeordnete Steuerung lediglich zwei Kabel für Leistung und Kommunikation.

Anschlussplatten-System Airboard

Das Anschlussplatten-System Airboard von Kendrion Kuhnke, eine mediendurchströmte Leiterplatte, bietet viel Potenzial für die Integration von Mess- und Regelaufgaben auf engstem Raum. Bild: Kendrion Kuhnke

Für SMC stellt sich in Hinblick auf das Thema Industrie 4.0 die zentrale Frage, welchen Grad an Anpassungsfähigkeit die angebotenen Produkte benötigen, damit sich in Industrie 4.0 beschriebene Szenarien abbilden lassen und wie eine solche Anpassungsfähigkeit koordiniert werden kann. Eine grundlegende Voraussetzung sei jedenfalls die informations- und steuerungstechnische Vernetzung von allen Komponenten und Instanzen, die an der Wertschöpfung beteiligt sind.

Um die Datenmengen und Anforderungen, die sich dabei ergeben, bedienen zu können, werden leistungsfähige und offene Schnittstellen benötigt. „Unser Bestreben ist es, diese in unsere Komponenten zu integrieren“, so Haydar Kartal von SMC. Das Unternehmen verfolgt aktuell eine Doppelstrategie aus externen und internen Anwendungen. Extern bedeutet dabei, dass das Unternehmen seinen Kunden Produkte und Lösungen für Industrie-4.0-Anwendungen bietet.

Zudem verfügt das Unternehmen über die Möglichkeit, in seinem Industrial Application Center Automatisierungslösungen gemeinsam mit seinen Kunden zu entwickeln, um dadurch Industrie 4.0 als entscheidende Komponente für Automatisierungsprozesse in der Zukunft darzustellen. Aber auch intern lebt SMC nach eigenen Angaben das Thema Industrie 4.0 und arbeitet bereits in verschiedenen Abteilungen mit 4.0-Anwendungen wie dem Paperless Shop Floor, Energy Saving, Lean Engineering, horizontale Vernetzung und Ergonomie. jl