Dr. Steffen Haack

Der wesentliche Erfolgsfaktor besteht darin, die Besonderheiten der Fluidtechnologie in der Software abzubilden.Dr. Steffen Haack, Bosch Rexroth. Bild: Bosch Rexroth

Eine von der Bundesregierung in Auftrag gegebene Studie ließ im November 2015 in Berlin die Alarmglocken läuten. Das Mannheimer ZEW, Zentrum für Europäische Wirtschaftsforschung, hatte herausgefunden, dass Deutschland im Vergleich der zehn führenden Industrieländern um einen Platz auf den sechsten Rang hinter China zurückgefallen ist.

In ihrem aktuellen IKT-Report kommen die Wirtschaftswissenschaftler zu dem Schluss, dass trotz „Politik- und Medienrummel in Deutschland um das Thema Industrie 4.0 nur 18 Prozent der Unternehmen der Begriff Industrie 4.0 überhaupt geläufig“ ist. Lediglich vier Prozent der Unternehmen (befragt wurden immerhin repräsentative 4500) hätten bereits digitalisierte und vernetzte Produktionsprozesse in der Praxis umgesetzt oder planen dies in naher Zukunft.

Vorreiter ist – wenig überraschend – die IT- und Telekommunikationsbranche mit 21 Prozent der Unternehmen, die Industrie-4.0-Projekte am Laufen haben oder gerade planen. Es folgen die Elektroindustrie mit 15 Prozent und auf Platz drei der Maschinenbau mit 14 Prozent. Auf diese drei Branchen konzentrierten sich dann auch die Anbieter von Industrie-4.0-Lösungen.

Verband sieht Hydraulikbranche gerüstet

Die Hydraulik wird durch Industrie 4.0 gewinnen. Davon ist man beim Fachverband Fluidtechnik im Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) fest überzeugt. „Seit Langem realisieren die Hersteller dezentrale Antriebslösungen mit integrierter Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit. Damit ist die Fluidbranche einer der Wegbereiter für Industrie 4.0“, erklärte Professor Peter Post, Forschungsleiter von Festo und Vorsitzender des Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA, anlässlich der letzten Hannover Messe selbstbewusst.

Der Fachverband habe bereits sehr früh Themen rund um Industrie 4.0 aufgegriffen, betont auch Peter-Michael Synek, stellvertretender Geschäftsführer des Fachverbands und des Forschungsfonds Fluidtechnik: „Wir haben sehr erfolgreiche Sonderevents zum Thema Condition Monitoring auf der Hannover Messe durchgeführt, da vorausschauende Wartung und Instandhaltung wichtige Bausteine in der Industrie-4.0-Umgebung sind.“ Darüber hinaus initiiere der Verband Konferenzen, Seminare und Messeauftritte und arbeite an der Normung mit.

Zum Thema

Industrie 4.0 – im Restaurant und in der Forschung

In einem guten Restaurant erwarten die Kunden, dass das Essen zeitgleich und warm in der richtigen Qualität und Menge serviert wird. Nichts anderes sei Industrie 4.0, wie IFAS-Leiter Professor Hubertus Murrenhoff erklärt: „Alle Akteure kennen das Ziel, sind dezentral untereinander vernetzt, haben den Überblick und agieren für den optimalen Ablauf weitgehend autonom.

Was können wir daraus für die fluidtechnischen Antriebe lernen? In einer selbst organisierten Produktion weiß der Aktuator, was auf ihn zukommt, er kommuniziert dezentral auf seiner Ebene und er kann sich auf die jeweilig anstehende Aufgabe einstellen.

Er kennt die zu bewegende Masse, die Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- und Kraftverläufe sowie die geforderten Genauigkeiten. Dafür erhält er eine Menge Daten aus den vernetzten Systemen, um sich auf die zu verrichtende Antriebsaufgabe einstellen und diese zeitoptimal sowie energieeffizient erledigen zu können. Damit dies möglich wird, ist eine Menge an Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten. Genau hierzu legt das IFAS den Mitgliedern des Forschungsfonds Fluidtechnik im Juni 2016 ein Forschungsprojekt zur Abstimmung vor.“

Forschungsthema Industrie 4.0

Das Thema Industrie 4.0 spielt mittlerweile eine zentrale Rolle bei den Projekten des Forschungsfonds Fluidtechnik. Synek zählt Projekte mit Industrie-4.0-Bezug auf:

  • Elektrohydraulische Kompaktantriebe mit umschaltbaren Übersetzungen.
  • Elektrohydraulischer Hybrid im geschlossenen Kreis.
  • Untersuchung von Verstellsystemen hydraulischer Pumpen und Motoren sowie deren Optimierung.
  • Thermischer Haushalt und Lebensdaueraspekte von elektrohydraulischen Kompaktantrieben.
Professor Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff

Gefragt sind integrierte dezentrale Antriebslösungen, die sich intelligent über ihre Konfiguration, Struktur und Adaptionsfähigkeit anpassen können.
Professor Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen. Bild: IFAS

Professor Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, Direktor des Institutes für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) an der RWTH Aachen, sieht ebenfalls die Hydraulik in Zeiten von Industrie 4.0 gut gerüstet: „Die Hydraulik stellt sich mit Erfolg dem Wettbewerb zu elektromechanischen Lösungen, sie nutzt dabei die Entwicklungen frequenzgestellter Servomotoren zu ihrem Vorteil.“ Ein Beispiel seien drehzahlvariable Kompaktantriebe, mit denen sich die Funktionalitäten von Servo- oder Proportionalventilen in den Frequenzumrichter verlagern lassen. „Die Ölsäule ersetzt die Mechanik, beispielsweise in Form der Kugelumlaufspindel.“

Professor Dr.-Ing. Marcus Geimer

Es wird an elektronischen Steuerungen in Baumaschinen geforscht, ebenso ist eine Verbreitung elektronisch angesteuerter, hydraulischer Regelpumpen zu beobachten.
Professor Dr.-Ing. Marcus Geimer, Institut für Fahrzeugsystemtechnik am KIT. Bild: KIT

Ganz einfach seien die Dinge allerdings nicht übertragbar, gibt Murrenhoff zu. „Da die Signalübertragung in der Fluidtechnik mit Schallgeschwindigkeit – im Gegensatz zur Lichtgeschwindigkeit in der Elektrotechnik – erfolgt, muss man genau hinsehen und die Entwicklungen der Digitalhydraulik verfolgen, um zu erkennen, wo ihre Anwendung zum Vorteil des Kunden Sinn macht.“

Sein Karlsruher Kollege Professor Dr.-Ing. Marcus Geimer, Leiter des Instituts für Fahrzeugsystemtechnik und des Lehrstuhls für Mobile Arbeitsmaschinen, beobachtet eine weiter zunehmende Digitalisierung in verschiedenen Branchen. „Beispielsweise wird an elektronischen Steuerungen in Baumaschinen geforscht, ebenso ist eine zunehmende Verbreitung elektronisch angesteuerter hydraulischer Regelpumpen zu beobachten.“ Ziel sei es, effiziente und steuerungstechnisch anspruchsvolle Systeme zu entwickeln.

Sein Institut forscht an einem Flow-Matching-System als Arbeitsantriebssystem in einer Forstmaschine, bei dem die Hydraulikpumpe auf Basis des Bedienerwunschs verstellt und so der Volumenstrom vorgegeben werden kann.

Flow-Matching-System

Das Flow-Matching-System des KIT als Arbeitsantriebssystem in einer Forstmaschine: Die Hydraulikpumpe wird auf Basis des Bedienerwunschs verstellt, die Effizienz des Systems um zehn bis 15 Prozent gesteigert. Bild: KIT, Scherer

Geimer: „Im System kann somit die Load-Sensing-Leitung entfallen, die LS-Druckdifferenz wurde deutlich gesenkt, und die Effizienz des Systems um zehn bis fünfzehn Prozent gesteigert.“ Da das System analog einem Load-Sensing-System mit nachgeschalteten Druckwaagen arbeite, könne die Druckdifferenz an den Wegeventilen durch proportionales Öffnen weiter reduziert werden. „In einem hydraulischen Signalkreis wäre eine solche Lösung nicht oder nur sehr aufwendig realisierbar gewesen.“

Digitalisierte Hydraulik

Mikroelektronik Modem

Die Parametrierung ist heute nicht nur vor Ort, sondern auch über Modems wie von Völkel Mikroelektronik via Mobilfunk vom Büro aus möglich. Bild: Völkel

Ein Unternehmen, das seit Jahren konsequent die Hydraulik digitalisiert, ist Bosch Rexroth in Lohr am Main. Das geschieht natürlich nicht um seiner selbst Willen, wie Vorstandsmitglied Dr. Steffen Haack beschreibt: „Der wesentliche Erfolgsfaktor besteht darin, die Besonderheiten der Fluidtechnologie in der Software abzubilden.“ Rexroth könne dabei seine Anwendungserfahrung als Antriebs- und Steuerungshersteller mit einem umfassenden Software-Know-how für die Automatisierung verbinden. „Die intelligente, vernetzte Hydraulik von heute ist der Elektromechanik in der Flexibilität, der Präzision und Dynamik sowie der Energieeffizienz ebenbürtig.“

Steuerung

Universelle Positionierbaugruppen für die Steuerung hydraulischer Achsen liefert W.E.St. Elektronik mit unterschiedlichsten Schnittstellen wie Profibus oder Ethernet. Darüber werden Sollwerte und Steuersignale zum Modul gesendet sowie Statusinformationen und Istwerte zurückgemeldet.
Bild: W.E.St

Industrie 4.0 stelle zwei Grundanforderungen an jede Antriebstechnologie, erklärt Haack: „Dezentrale Intelligenz und offene Schnittstellen für den Datenaustausch. Wir bieten ein umfassendes Portfolio an Motion Controls für die Hydraulik und nutzen dafür weitgehend die gleichen elektronischen Baugruppen wie für die elektromechanischen Antriebe.“

Der Informationsaustausch mit der Steuerung und weiteren übergeordneten Systemen erfolge über alle gängigen Echtzeit-Ethernet-Protokolle. „Damit ist die intelligente, vernetzbare Hydraulik von Rexroth bereits heute fit für Industrie 4.0.“

Die eigentliche Herausforderung der vierten industriellen Revolution besteht für Dr. Manfred Mager, Mobile Systems Manager bei Parker Hannifin in Kaarst, aber darin, „universell verwendbare Software für die Auswertung der Zustandssignale bereitzustellen“.

Problem dabei sei die Vielfältigkeit der Einsatzfelder hydraulischer Antriebstechnik. Parker Hannifin verfüge über die erforderlichen Smart Products wie Ventiltechnik mit Digital-Onboardelektronik, Drive Controlled Pump-Systemlösungen oder die Steuerungsplattform PAC.

Systeme ließen sich durch einen modularen Ansatz auch relativ einfach um zusätzliche Funktionen erweitern. Als Beispiel führt Dr. Mager die Lizensierung einer erweiterten Fehlerdiagnose an.

Mobilventil K220/L90

Das Mobilventil K220/L90 mit Onboard-Elektronik (OBE) von Parker Hannifin ist ein Smart Product, das sich in unterschiedlichsten Bereichen hydraulischer Antriebstechnik einsetzen lässt. Bild: Parker Hannifin

„Neben der rein softwaretechnischen Lizensierung bietet auch die Hardware-Erweiterung der Systeme durch Funktionsmodule wie zusätzliche Sensoren und Softwaremodule großes Potenzial.“ Parker Hannifin habe im Rahmen eines solchen Geschäftsmodells eine neue Display-Controller-Baureihe Pro-Display für Mobilanwendungen entwickelt, die mit einer App-basierten Software arbeiten.

„Diese Plattform ermöglicht es, wie bei einem Smartphone weitere Softwaremodule hinzuzufügen oder bestehende zu aktualisieren.“ Zwei wesentliche Vorteile sieht Dr.-Ing. Christoph Kempermann, Geschäftsführer von Fluitronics in Krefeld, durch den Einsatz von Elektronik: das Parametrisieren von Regelungen anstelle fixer Charakteristiken hydraulisch-mechanischer Regelungen und das Condition Monitoring zum Erfassen von Zustandsgrößen, Ölqualität, Verschleißzuständen und anderen Faktoren.

Software übernimmt Funktionalitäten

KSB Sonolyzer

Mit der Smartphone-App KSB Sonolyzer können Anwender in 20 Sekunden die Effizienz von ungeregelten Pumpen mit Asynchronmotoren analysieren. Bild: KSB

Für Kempermann ist Industrie 4.0 schon lange bewährte, industrielle Praxis. Er nennt als Beispiel die GPS-unterstützte Feldbestellung und Ernte mit teilautonomen Maschinen in der Land- und Forstwirtschaft, das Vernetzen von Ernteketten oder die Datenerfassung zur Optimierung des Ernteertrages. Ein weiteres Beispiel seien Mining-Maschinen, die dank kontinuierlicher Fernüberwachung die vorausschauende Instandhaltung durch die Maschinenhersteller unterstützen.

Ebenfalls bereits im Einsatz, aber mit weiterem Potenzial, seien Softwarelösungen. Durch Verlagern variabler Steuer- und Regelcharakteristiken in die Software ließen sich standardisierte Leistungsbauteile wie Ventile, Pumpen oder Motoren einsetzen: „Die Funktionscharakteristik eines Systems lässt sich so leicht an unterschiedliche Betriebseinsätze anpassen.“

„Die Diagnostik und die Regelbarkeit sind ohne Elektronik nicht möglich“, pflichtet Ulrich Walter, Geschäftsführer von W.E.St. Elektronik in Niederkrüchten, bei. Sein Unternehmen mache bereits „seit mehr als sechzehn Jahren nichts anderes, als hydraulische Anwendungen zu digitalisieren“, ohne dass dies gleich Industrie 4.0 bedeute.

Ulrich Völkel

Mobile Arbeitsmaschinen sind heute ohne Hydraulik nicht realisierbar. Die hydraulische Anlage in jeder solchen Maschine braucht eine elektronische Steuerung.
Ulrich Völkel, Völkel Mikroelektronik. Bild: Völkel Mikroelektronik

Zumindest mobile Arbeitsmaschinen seien nach wie vor ohne Hydraulik nicht realisierbar. Allerdings erfordert die hydraulische Anlage eine elektronische Steuerung, wie Ulrich Völkel, Inhaber von Völkel Mikroelektronik in Münster, betont. Als Beispiel führt er die Grenzlastregelung von Hydraulikbaggern an. „Die hydraulisch installierte Leistung ist bei ihnen regelmäßig größer als die Leistung des Dieselmotors. Wir bauen hierfür schon seit 1986 elektronische Grenzlastregler.“

Wesentlicher Vorteile der Digitalisierung in der Grenzlastregelung sei die freie Parametrierbarkeit und damit die Anpassung an den jeweiligen Maschinentyp. „Für diesen Zweck stellen wir unseren Kunden das universelle Parametrier-Werkzeug ConDoc zur Verfügung.“

Hydraulikhersteller machen übrigens nicht nur ihre Produkte Industrie-4.0-tauglich, sie setzen Industrie 4.0 auch in der eigenen Fertigung ein, wie Dr. Steffen Haack von Bosch Rexroth beschreibt: „In unserer Gießerei verwenden wir bereits modernste 3-D-Druckverfahren für die werkzeuglose Herstellung von Formen und Gießkernen und verkürzen so den Aufwand und die Lieferzeiten für Prototypen und Kleinserien erheblich.“ Die notwendigen Geometrieänderungen kämen direkt aus dem CAD-System. „Auch hier erleben wir eine Verschmelzung von realen Produktionsprozessen mit der virtuellen Welt der Informationstechnologie.“

Haacks Fazit, und damit steht er für die ganze Branche: „Die vernetzte, intelligente Hydraulik ist fit für Industrie 4.0 und hat bei der Energieeffizienz und dem Inbetriebnahmekomfort mit elektrischen Antrieben weitgehend gleichgezogen.“ bf  

Autor: Michael Pyper, freier Autor für fluid

 

fluid hakt nach

Jürgen Weber

Ein erkennbarer Trend ist die zunehmende Verknüpfung von Hydraulik, Elektronik und Software zu fluid-mechatronischen Gesamtsystemen.
Professor Dr.-Ing. Jürgen Weber, Institut für Fluidtechnik, Dresden. Bild: IFD

Vier Fragen an Professor Dr.-Ing. Jürgen Weber, Leiter des Instituts für Fluidtechnik (IFD) an der TU Dresden:

Hydraulik oder Elektromechanik, wer hat digital die Nase vorn?

Die Hydraulik bietet gegenüber der Mechanik einen wesentlich besseren Zugang für Sensorik und Monitoring-Funktionen. Darüber hinaus rüstet man moderne elektrohydraulische Antriebssysteme aus Gründen der Energieeffizienz und Geräuscharmut zunehmend mit drehzahlvariablen Elektromotoren aus. Diese findet man genauso in elektromechanischen Antrieben. Es ist also nicht von einer schwerer zu realisierenden Digitalisierung in der Hydraulik auszugehen. Allerdings unterscheidet sich aufgrund der spezifischen Eigenschaften hydraulischer Antriebssysteme die Herangehensweise bei der Entwicklung erheblich. Hier spielt die Ausbildung von Fachkräften eine wichtige Rolle.

Welche Herausforderungen stellt die vierte Industrielle Revolution?

Eine Herausforderung liegt sicherlich zunächst in der Abstimmung zwischen Anwendern, Systemlieferanten und Zulieferern. Technischer Lösungen bedarf es in Bezug auf die zu bewältigende Datenmenge. Wir brauchen robuste und preiswerte Sensorik sowie eine leistungsfähige Datenverarbeitung, um beispielsweise Bilder auswerten zu können. Die wohl größte Herausforderung stellt das systemische und domänenübergreifende „Vordenken“ dar. Die Maschinensteuerung kann nur so schlau sein wie ihr Entwickler. Die Maschine muss in wirklich jeder Situation sicher und zuverlässig funktionieren. Eine weitere Herausforderung liegt darin, Standards zu entwickeln und Systeme zu modularisieren.

Welche Funktionen lassen sich sinnvoll in die Software verlegen?

Der gesamte Bereich der Signalverarbeitung, der Betriebsstrategien, der Features wie Monitoring und Sicherheit ist heute sehr elegant auf elektronischem und softwaretechnischem Wege abgebildet. Dies vereinfacht wesentlich die Struktur von Hydraulikanlagen und verbessert deren Flexibilität. Dadurch lassen sich auch Funktionen im Nachhinein ergänzen und anpassen oder neuartige Funktionalitäten erzielen. Ein Beispiel ist hier die Spurführung bei Landmaschinen.

Welche weiteren Trends werden die Hydraulik beeinflussen?

Im Fokus steht nach wie vor der Anwendernutzen, messbar an Kriterien wie Produktivität, Robustheit, Bedienbarkeit, Funktionalität, Energieeffizienz und Investitionsaufwand. Nahezu alle Antriebe werden heute unter energetischen Gesichtspunkten hinterfragt, was vermehrt zu drehzahlvariablen Antrieben, Leistungsverzweigungsgetrieben, innovativen Betriebsstrategien oder bedarfsgerechten Versorgungssystemen geführt hat. Die somit entstehenden fluid-mechatronischen Gesamtsysteme sind geprägt durch die Verknüpfung von Hydraulik, Elektronik und Software.

Weitere Trends sind die tiefgehende simulationsgestützte Analyse fluidtechnischer Komponenten und Systeme und deren zielgerichtete Verbesserung. Auch die konstruktive Systemintegration spielt eine wichtige Rolle. Außerdem drängen neue Materialien und Fertigungsverfahren auf den Markt, beispielsweise der 3D-Siebdruck.

Die Fragen stellte Michael Pyper im Auftrag von fluid

Zum Thema

Predictive Maintenance 4.0 auf der Hannover Messe 2016

Wie ist der Zustand eines Bauteils? Antworten auf diese Frage soll Predictive Maintenance 4.0 ermöglichen. Ziel ist es, Produktionsausfälle zu verringern und auf Basis der erfassten Diagnose- und Betriebsdaten die Kosten für Instandhaltung und Service zu reduzieren. Damit ist Predictive Maintenance 4.0 ein wichtiger Baustein in Industrie-4.0-Umgebungen. Predictive Maintenance 4.0 gilt als Weiterentwicklung der bisherigen klassischen Wartungsstrategien. Der Erfolg des Einsatzes hängt jedoch von der Wahl des richtigen Systems, der Generierung und Aufbereitung der richtigen Daten und der richtigen Mischung aus Branchenexpertise und Datenanalyse ab. Die Fluidtechnik, als eine wichtige Zulieferbranche des Maschinen- und Anlagenbaus, liefert hierzu wichtige Leistungsbausteine.

Im Rahmen einer Sonderschau auf der Hannover Messe 2016 (25. bis 29. April 2016), werden die Deutsche Messe und der VMDA in Halle 17 neueste Entwicklungen, Konzepte und bereits eingesetzte Systemlösungen vorstellen. Geführte Touren und Fachvorträge im Industrial Automation Forum werden das Programm ergänzen.