Digitale Transformation Symbolbild

Digitale Transformation bedeutet unter anderem, dass in der Antriebstechnik mehr und mehr smarte Lösungen angeboten werden. (Bild: SEW Eurodrive)

Ein Antrieb, auch Kraftmaschine genannt, dient in erster Linie dazu, Kraft zu übertragen – muss er zusätzlich nun auch noch schlau sein? Der Maschinenbauer Beumer meint ‚Ja‘. Dr. Steffen Varwig ist Projekt-Manager Research & Development bei der Beumer Group, einem Unternehmen, das Intralogistiklösungen und Verpackungsmaschinen baut. Für seine Lösungen braucht er jede Menge Antriebe: „Aus Sicht eines Datenanalysten: je mehr Intelligenz desto besser, wobei wir uns in erster Linie viele und häufige Daten der Antriebe wünschen“, sagt Varwig. Zu den Daten, die Beumer benötigt, gehören operative Informationen, „Wann läuft der Antrieb, mit welchem Drehmoment und ähn­liche Informationen nutzen wir, aber auch sensorisch erfasste Bedingungen, wie Vibrationen, Temperaturen, Luftfeuchte und mehr“, so Varwig.

Teilmodelle für Engineering-Daten

Noch werden diese Daten im Regelfall erst an eine übergeordnete Stelle übertragen, bevor eine Weiterverarbeitung mithilfe von OPC UA stattfindet: „Die Steuerungen und Umrichter bilden die Schnittstelle zwischen der proprietären Welt der Hersteller und der übergeordneten Ebene, auf der über OPC-UA mit der ECLASS-Semantik kommuniziert wird. Der Umrichter liest aus der Geräteeinheit die Betriebsstunden, Temperatur-, Strom und viele andere Daten und übersetzt sie. In den Compendian Specifications der OPC für Powertrain sind bei den Motoren etwa 100 Merkmale festgelegt“, erläutert Gregor Dietz, Marktmanager Motoren, SEW. Dietz ist außerdem als Vorsitzender und Obmann zweier Verbands-Arbeitskreise für die Beteiligung an politischen Aktivitäten auf nationaler, aber auch internationaler Ebene zuständig, eine Art Lobbyist der Antriebshersteller.

Der Maschinenbauer Varwig könnte sich vorstellen, von intelligenten Funktionen des Antriebes selbst zu profitieren: „Man könnte darüber nachdenken, die Intelligenz schon an Bord der Antriebe zu bringen, sodass Probleme vom Antrieb selbst frühzeitig erkannt werden“, überlegt der Maschinenbauer. Bisher bleibt es ihm überlassen, die richtigen Schlüsse aus den Daten zu ziehen. Um auf übergeordneter Ebene mit den Daten etwas anfangen zu können, mussten sich die Hersteller erst einmal auf einheitliche Datenmodelle und Begrifflichkeiten einigen. Allein das war ein großer Schritt. Entstanden ist ein digitales Abbild – oder Zwilling – des Antriebs, inklusive Life-Aufnahmen des Betriebseinsatzes im Feld.

Der digitale Zwilling beinhaltet verschiedene Teilmodelle, ähnlich einem Regal mit verschiedenen Büchern. Für Konstrukteure gibt es ein Teilmodell zu den Engineering-Daten, ein anderes Teilmodell enthält OPCUA-relevante Daten, ein weiteres Sensor-Daten. An den Spezifikationen für den elektrischen Antriebstrang arbeiten VDMA und OPC gemeinsam. Als Semantik wird ECLASS genutzt.

Daten für Konstrukteurinnen und Konstrukteure

Datenpunkte fliegen um Maschinenkomponenten herum
Kohlendioxid-Ausstoß wird teuer. Mit den neuesten Elektromotoren und digitalen Services können ­Prozesse optimiert werden, verspricht Siemens. (Bild: Siemens)

ECLASS entstand bereits im Jahr 2000. Bernhard Sattler, Geschäftsführer Fachbereich Elektrische Antriebe im ZVEI-Fachverband Automation erinnert sich an die Anfänge. „Anlass war nicht Industrie 4.0, sondern das Aufkommen von Internet-Marktplätzen. Die Hersteller wollten ihre Produkte in einer einheitlichen Sprache beschreiben, um sie einfacher verkaufen zu können.“ Diese einheitliche Sprache, ECLASS, war ursprünglich auf die Bedürfnisse der Beschaffung ausgelegt. „Später kamen aus der chemischen Industrie die ersten I4.0-Anfragen und die Semantik wurde um Engineering Daten erweitert. Dazu musste erst einmal festgestellt werden, welche Daten benötigt der Konstrukteur, der Maschinenbauer, der Betreiber, der Recycler?“, berichtet Sattler.

Heute gibt es für Konstrukteure einen Datensatz Advance und einen Basic. Diese Datensätze beinhalten Merkmale oder Attribute, wie es bei der OPCUA heißt, die für den Konstrukteur relevant sind, einheitlich und maschinenlesbar. Dazu gehören Schaltpläne, Betriebsklassen, Strom, Seriennummer, Frequenzen, Baugröße. Der Konstrukteur kann sich diese Daten ohne Umstände in sein CAD laden und damit arbeiten. Andere Datensätze beinhalten den Anschaffungszeitpunkt des Antriebs, aber auch Life-Betriebsinformationen zu Drehzahl oder Drehmoment – diese Art der Daten sind für den Betreiber einer Anlage interessant.

Viele Hersteller von Antrieben stellen mittlerweile diese Daten zur Verfügung, so auch Siemens. „Wir stellen unseren Kunden während der Konstruktionsphase und Inbetriebnahme statische Produktdaten wie CAD-Daten oder Simulationsmodelle (FMU) in verschiedenen Formaten und mit verschiedenen Tools zum Download zur Verfügung, darunter auch ECLASS-Daten im Basic-Format“, sagt Stefan Betz, Portfoliomanager für Antriebsdatenanalyse bei Siemens. Die Daten-Übergabe in der Konstruktions- und Inbetriebnahmephase ist Stand der Technik und wie Betz sagt „ausgereizt“.

Auch SEW-Eurodrive beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung der Datenmodelle. „Man versucht die Vielzahl der Daten – es sind bis zu 1 000 Parameter – auf die, für den jeweiligen Nutzer wichtigen einzugrenzen. Der Ausrüster benötigt vielleicht 50 Parameter, um die Maschine optimal zu gestalten, der Betreiber nur noch 30, um zum Beispiel über den Temperaturverlauf, die Öl-Alterung oder die Vibration den Zustand von Lagern besser beurteilen zu können. Je nach Adressaten unterscheiden sich die Daten“, so Dietz.

Von Herstellerunabhängigkeit profitieren

Nutznießer der Daten sind zunächst die Anwender. Die Vereinheitlichung der Daten aller eingesetzten Antriebe und deren Verwaltung erleichtert zum Beispiel die Ersatzteilbeschaffung und die Organisation von Werkstatt­terminen. Statt vieler verschiedener Protokolle bleibt im Idealfall nur noch eines. Die Interoperabilität minimiert den Pflegeaufwand des Betreibers gewaltig.

Das Argument der Herstellerunabhängigkeit in der übergeordneten Kommunikation ist laut Dietz sowohl für den Betreiber als auch den Ausrüster wichtig: „Er kann Antriebe von verschiedenen Herstellern, wie etwa von Siemens, SEW-Eurodrive oder Lenze einsetzen und braucht nicht für jeden eine eigene Steuerung. Er ist quasi nicht mehr der Gefangene eines Unternehmens.“

Der VDMA wird in Kürze die nächste Version der Verwaltungsschale veröffentlichen. Die Industrie hat sich auf ECLASS als Datenstandard verständigt, ein Abgleich mit der internationalen Normung ist im Gange. „Im Prinzip ist bereits alles vorhanden, nur die Interoperabilität ist noch nicht in der Tiefe vollständig komplettiert“, so Sattler.

Die Antriebshersteller selbst sind vor allem an den Daten aus dem laufenden Betrieb interessiert. „Da beginnt die eigentlich interessante Phase für uns: Der Antrieb läuft kontinuierlich und produziert Betriebsdaten. Hier liegt die Zukunft“, meint der Siemens-Manager Betz.

Auch Dietz von SEW würden gerne wissen, wie der Motor eingesetzt wird, ob zum Beispiel die durchgeführte Projektierung richtig ist, ob die gewählte Antriebseinheit optimal ist. „Uns geht es dabei um Energieeinsparungen: Wenn wir die Antriebe immer mit 10 oder 20 Prozent Reserve projektieren, steigt der Energieverbrauch – sicherlich in vielen Fällen unnötig“, so Dietz. Eine zeitliches Anlagenmanagement wäre mithilfe dieser Daten möglich. „Es kann über den Gesamtlebenszyklus womöglich wesentlich kostengünstiger sein, die Anlage etwas langsamer dafür länger zu fahren“, sagt Dietz, so wären nicht nur der Antriebshersteller, sondern ebenfalls Betreiber und OEM-Nutznießer der Daten.

Siemens plant, seinen Kunden demnächst eine im Antrieb integrierte Funktion namens User Management and Access Control zur Verfügung zu stellen. „Der Kunde kann im Antrieb bestimmte Rollen und Zugriffsrechte definieren, sodass entweder der OEM oder der Endanwender auf einen bestimmten Datensatz zugreifen kann. Wie diese Rechte konfiguriert werden, ist eine Frage zwischen dem OEM und dem Endanwender und hängt davon ab, wieviel der eine den anderen wissen lassen will“, sagt Heinemann, Plattformarchitekt Sinamics, Siemens. Und das wird häufig kontrovers diskutiert.

„Wem gehören die Daten?“, fragt Heinemann. „Der Betreiber will nicht unbedingt, dass wir Zugriff haben auf seine Daten. Wie er die Maschine fährt oder wie hoch er mit der Last geht, möchte er für sich behalten – es könnte ja sonst im Gewährleistungsfall zu einem Konflikt kommen“, meint Dietz dazu. Außerdem gibt es Konstruktionsgeheimnisse sowohl bei den Antriebsherstellern als auch beim Anlagenbauer und dessen Kunden, gibt Heinemann zu bedenken.

Noch fehlen Erfahrungswerte

Wie eng sich die Zusammenarbeit zwischen den Beteiligten gestalten wird, ist noch völlig offen. Das Thema ist neu und es fehlen noch an vielen Stellen Erfahrungswerte. „Klar ist sicherlich, dass alle, die kritische Maschinen betreiben, ein Interesse an dem Thema haben. Eine Minute Stillstand in der Automobilindustrie kostet so was um 10 000 Euro, der Ausfall einer Pumpe in der Molkerei kann dazu führen, dass die Käserei stillsteht. Das sind kritische Situationen, die die Betreiber vermeiden wollen“, so Dietz.

Mithilfe der vorliegenden Daten ginge das, auch dank der fortschreitenden Digitalisierung in der Industrie. „IT und Industrie 4.0 bieten viel mehr Möglichkeiten, Nutzen aus den Betriebsdaten zu ziehen“, sagt Betz. Doch dazu müssten sich der Antriebshersteller, dessen Konstrukteure, der Maschinenbauer und Endkunde an einen Tisch setzen. Betz erklärt dies anhand eines Beispiels: „Ein Anlagenbetreiber hatte Probleme mit dem Riemenantrieb eines Conveyors.“ Der Riemen verlor immer wieder Spannung. Erst wandte der Betreiber sich an den Maschinenbauer. Der ist dann an Siemens herangetreten und fragte, ob es möglich sei eine Datenanalyse auf Antriebsebene durchzuführen.

„Wir sind dann mit dem Maschinenbauer zum Endkunden gegangen und haben uns dort angesehen, welche Daten wir benötigen würden“, berichtet Betz. Der Betreiber hat jedoch zum Antriebslieferanten kein vertragliches Verhältnis. Also musste intern erst einmal geklärt werden, wie diese Situation zu handhaben sei. „Es hat sehr lange gedauert, bis wir letztendlich Zugriff auf die Daten bekamen“, sagt Betz.

Siemens konnte mithilfe von KI im laufenden Betrieb die Daten analysieren und voraussagen, welcher Riemen als nächstes ausfallen würde. Der Kunde konnte die Riemen rechtzeitig nachziehen. Das Problem war gelöst. Gibt es allerdings kein besonderes Vertrauensverhältnis wie in diesem Falle, müssen vertragliche Regelungen her. „Das ist kein einfaches Thema und wird noch einige Zeit dauern, bis allgemein übliche Spielregeln und vertrag­liche Standards für derartige Geschäftsbeziehungen etabliert sind“, meint Betz.

Unkompliziert: Asset-Management

Einen relativ unkomplizierten Anfang bildet das Asset-Management. „Low-frequency-Daten für ein Asset-Management können über vorhandene Kommunikationsstrukturen ausgelesen und in der Cloud analysiert werden“, sagt Heinemann. Dafür reicht es, den Feldbus um ein Gateway zu erweitern und die Daten in die IT-Welt zu transformieren. Laut einer Umfrage, die Siemens durchgeführt hat, würde ein Asset-Management für 90 % der Siemens-Kunden an erster Stelle stehen. Sogenannte High-Frequency-Daten kontinuierlich auszuwerten, im Takt der Regelung, z. B. in einem 10-kHz-Raster, ist wesentlich aufwendiger. Hierfür sind in der Regel eine zusätzliche Ethernet-Verbindung und Edge-Komponenten für eine Vorverarbeitung notwendig, zusätzlich zu der Cloud oder KI-Infrastruktur. „Das lohnt sich für besonders anspruchsvolle oder sensitive Antriebsanwendungen, also in vielleicht 10 Prozent der Fälle“, meint Heinemann. Für die beiden Siemens-Manager gibt es drei Beweggründe, Antriebe an das IOT anzuschließen: „Prozessverbesserungen, Nachhaltigkeit und Erhöhung der Zuverlässigkeit des Betriebs, beispielsweise durch Predictive-Maintenance-Applikationen.“

Mehr Offenheit in der Konstruktion

Wer in der Konstruktion tätig ist, muss sich umstellen. „Das Berufsbild Konstrukteur ändert sich, so wie es sich veränderte, als zur Mechanik die Elektronik kam. Jetzt kommt die Digitalisierung on-Top“, sagt Sattler vom ZVEI. Heinemann unterstreicht die positive Seite: „Für den Konstrukteur tut sich ein neues Betätigungsfeld auf, das sehr viel kreative Möglichkeiten beinhaltet.“ Dazu sollte eine größere Offenheit vorhanden sein, gegenüber den Möglichkeiten, die Daten bieten. „Außerdem Fantasie, was sich alles damit anfangen lässt“, ergänzt Heinemann.

Doch die gesamtheitliche Betrachtung wird ihm auch einiges abverlangen. „Der Konstrukteur muss sich verstärkt mit dem Thema digitale Daten beschäftigen und dabei hinterfragen, welche Daten für den Kunden und dessen Wertschöpfung wichtig sind, welche Ser­vices der Kunde plant oder welche Daten er für ein Monitoring benötigt. Er muss aber auch wissen, welche Daten er besser zurückhalten sollte“, so Sattler. Siemens ist dabei, eine Industrial-Edge-Plattform an den Markt zu bringen, auf der sich der Konstrukteur austoben kann. Und hoffentlich brauchbare Lösungen entwickelt. „Nur wenn aus den Daten sinnvolle Lösungen entstehen, fliegt das Ganze“, sagt Sattler. aru

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