Crossrail-Projekt, Bild: Eaton

Know-how praktisch umgesetzt: Beim Crossrail-Projekt in London bohrte der von ATP automatisierte Bohrautomat 250.000 Löcher in den Tunnel. Eingesetzt wurden Smartwire-DT mit hydraulischen und elektrischen Eaton-Komponenten. Bild: Eaton

Jede Reise beginnt mit dem ersten Schritt. Wer plant seine Maschine zu digitalisieren, der sollte sich zu allererst fragen: „Welche wirtschaftlichen Ziele möchte ich erreichen?“ „Welche Herausforderungen oder Probleme habe ich aktuell, die ich verbessern oder eliminieren möchte?“ und „Welche zusätzlichen Geschäftsmodelle möchte ich in Zukunft angehen?“

Maschinenmodell, Bild: Eaton
Steuerung von Durchflussmengen: Gemeinsam mit ATP Hydraulik wurde ein Maschinenmodell entwickelt, das aus drei parallel arbeitenden elektro-hydraulischen Aggregaten besteht. Es demonstriert, wie die Art und Weise der Integration den Energieverbrauch beeinflusst. Bild: Eaton

Denn am Anfang jeder Digitalisierungsmaßnahme steht eine detaillierte Wirtschaftlichkeitsberechnung, bei welcher der Aufwand und der erwartete Ertrag gegenübergestellt werden. Der erwartete Gewinn setzt sich zumeist aus unterschiedlichen Parametern zusammen wie verbesserter Energieeffizienz, Reduzierung von Stillstandzeiten und reduzierten Wartungskosten.

Zum Beispiel: In einem aktuellen Projekt für eine Zuckerrohr-Erntemaschine sollen die Verluste beim Erntevorgang und Stillstandszeiten der Maschine reduziert werden. In der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung vor Beginn der Maßnahme, wurde ein Verbesserungspotential von 308 US-Dollar im täglichen Betrieb ermittelt. Die Kosten für die Digitalisierungsmaßnahme belaufen sich auf 48 US-Dollar pro Tag. Bei 220 Arbeitstagen pro Jahr ergibt sich für den Kunden eine Reduzierung der Kosten von rund 57.000 US-Dollar pro Jahr, pro Maschine.

Potenziale identifizieren

Whitepaper, Bild: Eaton
In dem Whitepaper „Hydraulikaggregate energieeffizienter planen und betreiben“ erläutert Marco Bison, Manager Mechatronic Technologies, Hintergründe und Lösungsansätze zur Senkung des Energieverbrauchs (kostenloser Download). Bild: Eaton

So wie in diesem Beispiel aus der Mobilhydraulik gibt es auch in industriellen Hydraulikanwendungen häufig noch Potenziale, um die Produktivität der Maschine zu erhöhen. Naheliegend ist häufig das Reduzieren von Ausfallzeiten und von Kosten für Wartungsarbeiten.

Eine Methode, um diesen ersten Schritt zu machen, ist die Abkehr von starren Wartungszyklen. Wer vorausschauend seine Maschinen und Anlagen wartet, der kann den Zeitpunkt dieser Maßnahme selbst bestimmen. Er kann notwendige Ersatzteile rechtzeitig bestellen und die Arbeiten dann durchführen, wenn die Maschine ohnehin stillsteht, also während längerer Rüstzeiten oder außerhalb des Regelbetriebes, zum Beispiel am Wochenende.

Um die optimalen Wartungszeitpunkte vorherzubestimmen, ist es notwendig, den Zustand der einzelnen Prozesse genau zu erfassen. Motorströme, Öldrücke, Ölqualität oder auch Wärmeentwicklung, Vibrationen und Geräuschpegel spiegeln den Zustand von Teilprozessen sehr gut wider.

Um den optimalen Zeitpunkt für eventuelle Wartungsarbeiten zu ermitteln, kann in den meisten Fällen auf Erfahrungswerte zurückgegriffen werden. Sollte das nicht der Fall sein, können die Zustandsdaten erfasst und die Anwendung bis zum Systemausfall laufen gelassen werden. So kann zum Beispiel der Strom-Grenzwert in einem bestimmten Lastfall ermittelt werden. Ist der Strom-Grenzwert, zu dem spätestens eine Wartung durchgeführt werden muss, für eine Anwendung ermittelt, lässt sich durch das kontinuierliche Messen des Stroms der optimale Zeitpunkt für die Wartung in einem angegebenen Lastfall definieren.

Ein weiterer Schritt zur funktionalen Verbesserung der Maschine ist die Optimierung der Pumpen. So reduzieren beispielsweise intelligente Power Units von Eaton mit variabler Drehzahl nicht nur den Energieverbrauch, sondern auch die Geräuschentwicklung der Maschine. Die Einheiten aus drehzahlgeregelten Antrieben und Hydraulikpumpen lassen sich exakt auf die Anwendung abstimmen.

Messwerte festlegen

Sind die Potenziale definiert, gilt es, die wesentlichen Messwerte für alle Anwendungen innerhalb der Maschine festzulegen. Danach bestimmt man, wie diese Messwerte zu erfassen sind: durch separat zu installierende Sensoren oder durch Systemkomponenten wie Ventile und Frequenzumrichter, bei denen die Sensorik bereits integriert ist.

Die Kommunikation innerhalb der Maschine erfolgt typischerweise über einen seriellen (zum Beispiel Can) oder Ethernet-basierten Feldbus. Um die anfallenden Daten zu sichern und auszuwerten, empfiehlt es sich, eine Schnittstelle zu einem Cloudspeicher oder lokalen Speicher vorzusehen.

Weitere Infos

Andreas King, hier bei seinem Vortrag auf dem Hydraulikgipfel, ist auch einer der beiden Referenten des Webinars (Anmeldung). Bild: Eaton

Webinar zur Digitalisierung

Auf dem im Mai diesen Jahres veranstalteten „Würzburger Hydraulikgipfel“ der Zeitschrift fluid verdeutlichten die Eaton-Experten Andreas Kling, Business Development Manager, und Stefan Selke, Segment Marketing Manager für den Bereich Maschinenbau, den Teilnehmern, welchen Nutzen die Digitalisierung für elektro-hydraulische Lösungen bringen kann und wie man diesen einfach realisiert. In einem Webinar, das am Dienstag, 16.10.2018 und Freitag, 19.10.2018 stattfinden wird, haben Interessenten die Möglichkeit, diesen Vortrag noch einmal live zu verfolgen.

Vernetzung in der Industrie-Hydraulik

Damit Elektrik und Hydraulik in Industrie-Anwendungen harmonieren, hat Eaton die Technologie-Plattform “Pro-FX” konzipiert. Auf der Hydraulikseite sind viele Ventile und Pumpen bereits mit integrierter Sensorik und kommunikationsfähig ausgeführt. Gleiches gilt für Motorstarter, die Drehzahlstarter DE, Frequenzumrichter der PowerXL-Serie sowie Touchpanel und Codesys-Steuerungen. Diese Komponenten können über Feldbussysteme miteinander kommunizieren.

Bei Ventilen und Sensoren, die noch einzeln verdrahtet werden, lässt sich der Aufwand für die Installation und Inbetriebnahme durch das Verdrahtungssystem „Smartwire“ reduzieren. Auch auf dieser Technologie-Plattform vereint der Hersteller elektrische und hydraulische Komponenten zu einem übergreifenden System.

IIoT-ready, Bild: Eaton
IIoT-ready: Diese Maschine ist für das Industrial Internet of Things ausgerüstet. Bild: Eaton

Eingebunden werden können Wegeventile aber auch Proportionalventile – wie das „Axispro“ – zum exakten Steuern des Volumenstromes zu den Aktoren. Diese Ventile verfügen zum einen über integrierte Sensoren zur Rückmeldung der exakten Position. Zum anderen können über die Softwarekonfiguration dezentrale Steuerungsroutinen und die Onboard-Diagnosefunktionen aktiviert werden. So lassen sich kurze Reaktionszeiten bei zugleich hoher Genauigkeit und Flexibilität beim Konfigurieren der Anwendung realisieren.

Maßgeschneiderte Steuerungslösungen können sowohl in neue als auch in vorhandene Systeme integriert werden. Das erleichtert das Nachrüsten von Maschinen und gerade in Retrofitprojekten kann neue Sensoriken per Smartwire-DT meist einfacher angebunden werden als mit konventioneller Verdrahtung. Mit „Axispro“ können Maschinenhersteller zudem mit nur einem Ventil über unterschiedliche Anwendungssoftware verschiedene Prozesse konfigurieren.

Die Leistungsfähigkeit dieser Lösung hat das Unternehmen auf dem diesjährigen Hydraulik-Gipfel anhand einer Demo-Maschine präsentiert, welche zwei hydraulische Achsen und eine übergeordnete Positionierung über einen geschlossenen Regelkreis synchronisiert. Dabei wird eine Billardkugel auf einem vom Gewicht her heterogenen Balken aus Aluminium und Stahl positioniert – eine einfache Übung für das Ventil.

Mobilhydraulik im Industrial Internet of Things

Auch in der Mobilhydraulik können Anwendungen heute bereits sehr einfach „IIoT-ready“ gemacht werden, also für das Industrial Internet of Things (IIoT) ausgerüstet werden. Das Mobilsteuerventil CMA von Eaton bietet eine konfigurierbare, unabhängige Last-Dosierung sowie integrierte Druck-, Positions- und Temperatursensorik. Über die Kommunikationsschnittstelle auf Basis von Can ist es voll in die Pro-FX-Architektur eingebunden und lässt sich mit den in Codesys programmierten Controllern und Displays in hoher Schutzart kombinieren.

Auch die Pumpenantriebe in mobilen Anwendungen lassen sich bedarfsgerecht und damit energieeffizient steuern, denn der Hersteller bietet frequenzgeregelte Antriebslösungen auch in höheren Schutzarten, bis zu IP66, die bei einer Montage außerhalb eines Schaltschrankes gegen Strahlwasser geschützt sind.

Optimierung von Maschinen

Anwender, die ihre Maschinen überwachen und deren Produktivität kontinuierlich steigern wollen, können bei dem Anbieter auf abgestufte Servicepakete zurückgreifen. Im ersten Schritt werden Maschinen und Anlagen „IoT-ready“ gemacht, also mit der notwendigen Sensorik und Kommunikation ausgerüstet.

Im zweiten Schritt kann in den Codesys basierten Steuerungen eine Vorverarbeitung der Daten und Aufbereitung für die Speicherung in Cloud oder Edge-Systemen erfolgen. Diese Steuerungen kontrollieren und sichern auch den Datenverkehr. Wird eine vollständige Ende-zu-Ende Lösung gesucht, bietet das Unternehmen eine komplett durchgängige Infrastruktur, einschließlich des sogenannten Predictive Maintenance Portals, in dem die Daten gespeichert, visualisiert und analysiert werden.

Lokal berechnen, dezentral speichern

Power Unit, Bild: Eaton
Power Unit: Drehzahlvariable Antriebe reduzieren den Energieverbrauch. Bild: Eaton

Cloud oder Edge, in der Wolke oder lokal vor Ort? Bei der Frage, wo man Daten speichern und auswerten sollte, scheiden sich die Geister. Doch die Empfehlung lautet: Sowohl als auch! So viel wie möglich sollte lokal berechnet werden, um nur die notwendigsten Daten in die Cloud zu schieben.

Das heißt: Vergleicht man eine Strommessung mit dem Normalwert, gegebenenfalls bei unterschiedlichen Lastfällen, so sollte dies besser lokal erfolgen. Denn solange der gemessene Wert im Bereich des Normalwertes liegt, braucht man diesen nicht kontinuierlich an die Cloud zu senden und spart so Kosten. Weicht der gemessene Wert ab, braucht man nur die Differenz zu übertragen. Diese Werte kann man zum Speichern über einen längeren Zeitraum an die Cloud übertragen, um dort langfristige Trends zu analysieren und Alarmfunktionen auszuführen. Auch für denjenigen, der die Daten von verschiedenen Standorten und Maschinen miteinander vergleichen will, bietet sich die Cloud-Lösung an.

Smartwire-DT,  Bild: Eaton
Smartwire-DT: Die intelligente Verbindungstechnik integriert auch Hydraulikventile. Bild: Eaton

Das externe Speichermedium wird auch dann sinnvoll eingesetzt, wenn Daten außerhalb des Firmen-IT-Netzes Dritten zur Verfügung gestellt werden sollen. So bleibt das lokale Netzwerk des Kunden vor Zugegriffen geschützt. Das Teilen der Daten mit Dritten hat für den Maschinenbetreiber diverse Vorteile: Serviceanbieter vor Ort können die Situation bei einer Störung nicht nur besser beurteilen, sie können auch bei einer Wartungsmaßnahme notwendige Ersatzteil direkt mitbringen. Der Anlagenhersteller kann die Daten analysieren und die Betriebsbereitschaft der Maschinen durch Empfehlungen für vorausschauende Wartungsaktivitäten verbessern. Das erleichtert die Kommunikation, denn man muss sich den Zugriff auf erforderliche Datensätze nicht erst langwierig freigeben lassen.

Als weitere Anwendung ist es sogar möglich, mit extern gespeicherten Daten lokale Dienstleister per Smart-Device zu steuern, zum Beispiel über eine Augmented-Reality-Datenbrille, wie die Hololens von Microsoft. Damit bekommt das lokale Service-Personal nicht nur visuelle Hinweise auf Fehlerzustände oder darauf, wo welche Komponenten verbaut sind, sondern es lässt sich eine Audio-Visuelle Verbindung aufbauen, sodass man das gleiche Bild sieht wie der Servicemitarbeiter und auch mit diesem sprechen kann. Einzelne Arbeitsschritte lassen sich direkt abstimmen.

Der Nutzen ist spürbar: Durch den verstärkten Einsatz lokaler Dienstleister sinken die Reisekosten, Einsatzzeiten verkürzen sich und die Maschine kann schneller wieder anlaufen.

Digitaler Zwilling

Einsatz bei Motoren und Pumpen

Der digitale Zwilling ist längst nicht mehr nur Theorie. Er ist das virtuelle, ebenbürtige Abbild der physikalisch vorhandenen Maschine. Übertragen auf Elektromotoren oder Pumpen heißt das, die einzelnen Komponenten liegen als digitale Daten vor und sind virtuell zusammengesetzt, zu einer kompletten Maschine oder Anlage. Dieser digitale Zwilling lebt und altert mit der realen Maschine: Er kennt die Umgebungsbedingungen, weiß, wie lange die Verschleißteile bereits gelaufen sind und kennt die gemessenen Zustände sowie deren Historie. Bei Anomalien schickt er Warnungen und zeigt an, wo das Problem liegt und eine Wartung notwendig wird. Der Einsatz digitaler Zwillinge führt zu höherer Effizienz und reduziertem Wartungsaufwand von Hydraulik und Elektrotechnik, einfacherem Retrofit und besseren Betriebsprozessen.

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