Motion Terminal VTEM, Bild: Festo

Das Motion Terminal VTEM ist eines der ersten Produkte der Industrie-4.0-Ära von Festo für die Pneumatik. - Bild: Festo

Nebenbei wird sie auch noch deutlich energieeffizienter und benutzerfreundlicher.

Was erwarten die Anwender von der Industriehydraulik der Zukunft? Bosch Rexroth befragte in einer Marktstudie zur Digitalisierung Technik-Entscheider unterschiedlicher Branchen und Regionen. Dr. Steffen Haack, Leiter der Geschäftseinheit Industrial Hydraulics, fasst zusammen: „Sie setzen auf eine durchgängige Digitalisierung ihrer Arbeitsabläufe und wünschen sich einbaufertige Module, die sich einfach und schnell in Betrieb nehmen lassen. Betreiber erwarten vor allem minimale Ausfallzeiten und haben konkrete Anforderungen zu Condition Moni­toring, Predictive Maintenance und dem Ersatzteil­management.“

Wechsel vom Trend zum Stand der Technik

Den Trend bestätigt Axel Schwerdtfeger, Chief Technical Officer (CTO) bei Hawe Hydraulik. Die Industrie sei auf einem guten Weg, das Thema Digitalisierung vollziehe gerade den Wechsel vom Trend zum Stand der Technik. „Das Erfassen, Errechnen und Aufbereiten von Systemdaten sowie das Ermöglichen einer einfachen Installa­tion, Inbetriebnahme und störungsfreiem Betrieb wird dadurch vereinfacht oder sogar erst möglich.“ So brachte Hawe beispielsweise neue Kompaktpumpenaggregate heraus, die über eine integrierte Sensorik verfügen. Via Edge Computing lassen sich aggregierte Zustandsinformationen gewinnen und die Daten an übergeordnete Maschinensteuerungen oder Cloud-Lösungen weitergeben.

Auf dem Weg in die Wolke

Linearantrieb Helax, Bild: Bucher Hydraulics
Hydraulischer Linearantrieb Helax von Bucher Hydraulics: Er löst die starre Kopplung elektromechanischer Antriebe auf, Motor und Pumpe lassen sich praktisch beliebig positionieren und über Druckschläuche mit dem Zylinder verbinden. - Bild: Bucher Hydraulics

Noch bleiben die Daten zuhause. Zwar übernähmen, so Haack, internationale Produktionsnetzwerke eine Vorreiterrolle, aber „derzeit sehen wir in der Fläche einen eindeutigen Trend zur Verarbeitung der Daten in Private Clouds on Premises oder on Edge.“ Informationen werden dabei an vor Ort installierte Rechner übergeben. Das reiche für die Optimierung der Prozesse, verringere aber gleichzeitig die Sicherheitsrisiken. Wie auch immer die Daten fließen, die Fluidtechnik müsse sich absolut nahtlos in die Automatisierungsinfrastruktur eingliedern, ist Georg Winkes überzeugt. Er leitet die Entwicklung bei W.E.St. Elektronik. Winkes: „Dies ist nur zu erreichen durch die konsequente Einbindung hydrau­lischer Regler in Feldbussysteme und die Digitalisierung von Schnittstellen im Allgemeinen, beispielsweise über IO–Link. W.E.St.-Geschäftsführer Thomas Helpenstein ergänzt, dass die Flut an bereitgestellten Daten allerdings auch analysiert und verwertet werden müsse. Erst dann könnten sie helfen, die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen, Abläufe bei der Konstruktion der nächsten Maschine zu optimieren oder Zusammenhänge von Ereignissen wie Ausfälle an Sensoren und Aktoren zu erkennen. Das Ziel dabei: „Verkürzte Stillstandszeiten und dementsprechend höhere Produktivität“.

Sensor oder nicht – das ist die Frage

Einbauraum HLU LE-X, Bild: Hawe
Spart Einbauraum und Gewicht: Hochintegrierte Lösungen von Hawe Hydraulik wie die neue Hydraulic Locking Unit für Personenrückhaltesysteme vom Typ HLU LE-X ermöglichen kleinere und leichtere Maschinen mit mehr Nutzlast. - Bild: Hawe

Stichwort Sensorik: jeder zusätzliche Sensor kostet Geld und stellt ein weiteres Ausfallrisiko dar. Doch sie sind gar nicht immer nötig. Viele Informationen lassen sich aus den ohnehin erfassten Größen mit entsprechender Software ableiten. Dierk Peitsmeyer, Leiter Product Portfolio bei Bucher Hydraulics, erklärt: „Mit wenigen Sensoren und den vorhandenen Daten aus dem Antriebsregler beziehungsweise Umrichter kann der Zustand des Subsystems mittels Software gut analysiert werden.“ Das setze allerdings entsprechendes Expertenwissen voraus, das sich in der Software abbilden muss. Konkrete Beispiele nennt Georg Winkes: So berechne ein Achsregler ohnehin den kumulierten Verfahrweg einer Achse. „Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die restliche Standzeit der Dichtungen ziehen.“ Ein Pumpenregler ermittele die Häufigkeit, mit der verschiedene Drücke und Volumenströme gefahren werden. Das lasse sich „nutzen für eine Analyse der Systemauslegung und eine Optimierung der Betriebsweise.“ Und Regler erkennen Instabilitäten im Regelkreis, die dann Alarm schlagen können.

VDMA treibt smarte Fluidtechnik voran

Auch Fluidtechnikprodukte müssen digitalisiert und vernetzt werden. Anwender erwarten ein Höchstmaß an Interoperabilität, sprich einfaches Plug-and-play. Ermöglichen soll das nach Plänen des VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau ein harmonisierter Schnittstellenstandard auf Basis der OPC-UA-Technologie. Die Informationsmodellierung definiert Produktmerkmale und Produktionsvariablen, um Produkte digital abzubilden. Sie kann über OPC-UA-Companion-Specifications oder über Merkmalslisten erfolgen. Der fluidtechnische digitale Zwilling wird über genormte Merkmale in der Verwaltungsschale erzeugt. Bis zu sechs Arbeitsgruppen bei ISO, ECLASS und direkt im VDMA treiben diese Entwicklung voran. Gemeinsam mit dem ZVEI hat der VDMA kürzlich außerdem die Industrial Digital Twin Association (IDTA) gegründet, um den digitalen Zwilling zu implementieren und Interoperabilität über Geschäftsbereiche hinweg zu realisieren. Hinzu kommt ab 1. März 2021 die Arbeitsgemeinschaft Wireless Communications for Machines (WCM). Sie soll die drahtlosen Kommunikationstechnologien in Komponenten, Maschinen und Produktionssystemen verbessern.

Antriebssystem EAS, Bild: Moog
Elektrohydrostatische Antriebssysteme sind kompakte Alternativen zu herkömm­lichen hydraulischen oder elektromechanischen Antriebssystemen: Das EAS von Moog ist ein hochmodulares Antriebssystem mit elektrohydrostatischer Pumpeneinheit, Servoregler, Steuerblöcke und optionalem Zylinder. - Bild: Moog

Auf eine Mischung aus ohnehin vorhandenen Größen und Sensorik setzt auch Moog Industrial. Dr. Dirk Becher ist dort Engineering Manager. Er führt als Beispiel die neuen elekrohydrostatischen Antriebssysteme (EAS) seines Hauses an: „In einem EAS sind Sensoren für die Drehzahl der Pumpe, das Fördervolumen, die Betriebsdrücke, die Temperatur und damit Viskosität der Hydraulikflüssigkeit, die Position und Geschwindigkeit des hydraulischen Zylinders bereits integriert. Dazu kommen Informationen auf der elektrischen Seite aus dem Drive, die Rückschlüsse auf das Drehmoment des Motors zulassen.“ Zusammen ermögliche das ein Condition Monitoring der Pumpeneinheit und von Teilen der gesamten Achse. „Allein über Software-Funktionalität können wir so einen Mehrwert für den Kunden erzeugen.“

Doppelpumpenelement Typ DMPE, Bild: Hawe
Kleiner geht es kaum noch: das neue Doppelpumpenelement Typ DMPE von Hawe, ein hydraulischer Zweistufenantrieb in der Größe 34 x 30 x 32 Zentimetern. - Bild: Hawe

Auf die Möglichkeit, bestehende Anlagen für mehr Informationen mit Sensorpaketen nachzurüsten, weist Stefan Zauner hin. Der Produktmanager bei Tox Pressotechnik sieht massive Vorteile für den Anwender: „Die Funktion und Position aller Komponenten werden durch den Einsatz verschiedener Sensoren komplett überwacht und in Echtzeit an übergeordnete Systeme weitergeleitet. Zum einen kann er so seine Prozesse einfacher optimieren, zum anderen auftretende Probleme in seinen Anlagen frühzeitig erkennen und unmittelbar darauf reagieren.“

Sichere Zukunft für die Hydraulik

Tox-Kraftpaket, Bild: Tox
Das Tox-Kraftpaket lässt sich mit verschiedenen Sensoren ausrüsten: So ist die Komponente vernetzbar und kann dem Anwender alle benötigten Daten in Echtzeit übermitteln. - Bild: Tox

Hydraulikzylinder werden, da sind sich die befragten Experten einig, aufgrund der Kräfte und Robustheit nicht zu ersetzen sein. Allerdings: „Die Regelung, Steuerung und Überwachung muss energieeffizienter, effektiver und einfacher für den Anwender werden“, mahnt Dierk Peitsmeyer. Mit dezentraler Intelligenz ausgestattet, spiele die Antriebstechnologie – hydraulisch oder elektromechanisch – für die Bedienung keine Rolle mehr. „Beide sind mit den gleichen physikalischen Größen Beschleunigung, Geschwindigkeit, Weg und Kraft ansteuerbar oder führen die Trajektorie selbsttätig aus.“ Eine dezentrale Hydraulik benötige auch keine aufwendige Hydraulikinfrastruktur mehr. Sie biete zudem eine vergleichbar hohe Energieeffizienz wie elektromechanische Antriebstechnik. Schon zündet die Fluidtechnik die nächste Entwicklungsstufe: künstliche Intelligenz (KI). Konkrete Schritte in diese Richtung unternimmt bereits Festo. Dr. Michael Hoffmeister ist Experte für das Digital Engineering des Pneumatikspezialisten. So bilden KI-Methoden die Grundlage für „AX Maintenance“. „Anwender verringern ungeplante Stillstände in ihrer Produktion durch Nutzung intelligenter Algorithmen, die vorhersagen, wann Ausfälle an Komponenten und Maschinen zu erwarten sind“, so Hoffmeister. Hierfür würden die Normalzustände einer Anwendung oder einer Komponente mit Hilfe von KI-Algorithmen eingelernt. Abweichungen ließen sich dadurch frühzeitig erkennen und mit Empfehlungen für Korrekturmaßnahmen weiterleiten.

Hydraulik hat weiterhin Zukunft

Überzeugt von der Zukunftsfähigkeit der Hydraulik ist Prof. Marcus Geimer (s. Bild) vom Institut für Fahrzeugsystemtechnik des Karlsruher Institut für Technologie: „Die Hydraulik hat nach wie vor ihre Stärken in der hohen Energiedichte, der stufenlosen Verstellbarkeit und der einfachen Steuer- und Regelbarkeit. Ein Kran auf einem Forwarder, der Arm eines Baggers oder die kompakten Linearantriebe eines Kommunalfahrzeugs kann ich mir nicht ohne hydraulische Antriebe vorstellen. Auch sogenannte elektrische Kompakt-Linear­achsen nutzen ja die hydraulische Antriebstechnik. Sicherlich wird sich die Antriebstechnik ändern, beispielsweise durch hoch integrierte elektrische und hydraulische Antriebe. Auch die Steuerungsmöglichkeiten mit Methoden der künstlichen Intelligenz wie dem maschinellen Lernen können in hydraulischen Antrieben nutzbringend eingesetzt werden. Einen besonderen Vorteil dieser Methoden sehe ich im Predictive Maintenance, indem beispielsweise Komponenten erst dann ausgetauscht werden, wenn es notwendig ist oder schädigungsrelevante Belastungen detektiert und/oder vermieden werden.“

Ungeplante Stillstände intelligent verringern

Leistungsverstärker, Bild: W.E.St.
Leistungsverstärker zur Ansteuerung von Stetigventilen mit einem Magneten von W.E.St.: Das Gerät ist für die digitale Kommunikation über eine IO-Link-Schnittstelle ausgelegt. - Bild: W.E.St.

Hoffmeister beschreibt ein Beispiel aus der Praxis: „Ein pneumatisches Spannsystem kostet einen Automobilhersteller gerade einmal 100 Euro, ein unvorhergesehener Stillstand in der Produktion jedoch mehrere 100.000 Euro. Die Einbindung eines Frühwarnsystems für Verschleiß und Verlangsamung von Zykluszeiten war für den Automobilhersteller die Lösung.“ Dieses lernende System bilde jetzt die Basis für die vorausschauende Instandhaltung aller Spannsysteme.

Interview mit Prof. Jürgen Weber, Fluidmechatronische Systemtechnik, TU Dresden

Prof. Jürgen Weber, Fluidmechatronische Systemtechnik, TU Dresden

„Plug-and-produce ohne Fluid-Know-how“

Herr Professor Weber, fluidische Antriebe werden effizienter und intelligenter. Welche Trends zeichnen sich generell ab?

Übergeordnete Trends in der Stationär- und Mobilhydraulik sowie der Pneumatik haben sehr stark mit dem Gewinnen, Auswerten und Verarbeiten von Daten zu tun. Größere Steigerungen von Energie- und Produktionseffizienz sind weniger bei den Komponenten als vielmehr in der
domänenübergreifenden Optimierung bei Entwicklung, Inbetriebnahme und Betrieb zu erreichen. Das können neue Systemarchitekturen sein oder komplexe regelungstechnische Vorgänge, die Integration von Fluid-Know-how in die Komponenten, die ihren eigenen Verschleiß erkennen. Passende Sensoren, die echtzeitfähig drahtlos kommunizieren, sind Bestandteil dieser Entwicklungen.

Welchen Chancen bieten neue Sensoriken, oder lassen sich Informationen auch aus bekannten Größen ableiten?

Natürlich lassen sich immer mehr Sensoren einsetzen, aber die Frage lautet, was der maximale Benefit für die geringstmöglichen Zusatzkosten ist. Viele Zusatzinformationen schlummern in den Bauteiltemperaturen oder der Vibration des Gehäuses, sind jedoch nicht ohne Weiteres extrahierbar. Aufwendige Softwaremodelle wie numerische Spaltsimulationen oder BEM-Struktur-Interaktionsmodelle können dabei helfen. Die Herausforderung ist, diese Simulationsergebnisse in einen greifbaren echtzeitfähigen digitalen Zwilling zu abstrahieren und mit möglichst wenig Sensorik Aussagen zur Effizienz, Verschleißgrad und Restlebensdauer liefern zu können.

Welche Möglichkeiten bieten Hybridlösungen, also die Kombination aus Fluidik und Elektromechanik?

Kompakte integrierte Achsen, die große Kräfte und schnelle Fahrgeschwindigkeiten mit geringer Leistungsaufnahme bieten, kombinieren systematische Vorteile der Fluidtechnik mit den Vorteilen der drehzahlvariablen Antriebe. Diese Achsen lassen sich ohne Fluid-Know-how im Sinne von Plug-and-produce integrieren.

Wie kann fluidische Antriebstechnik auch in Zukunft ihre Stärken ausspielen?

Sind große Kräfte gefordert, ist die Fluidtechnik alternativlos. Aber bei kleineren Kräften sind fluid­technische Antriebe oft die richtige Wahl, weil die Antriebe immer kompakter werden müssen. Ein aktuelles Forschungsprojekt hat die automatisierte Inbetriebnahme fluidtechnischer Systeme zum Ziel, um den Einbau fluidtechnischer Lösungen noch einfacher zu machen. Untersucht wird auch die Auswertung großer Datenmengen mit Algorithmen des maschinellen Lernens zur Schadensprognose.

Das Interview führte Michael Pyper, freier Journalist, für ke NEXT


 

Bild: Bosch Rexroth/Wolfram Scheible

„Die Verlagerung von Funktionen aus der Hydromechanik in die Software eröffnen sowohl für den Maschinenbauer als auch für den Anwender erheb­liche Vorteile. Maschinenhersteller können durch die Digitalisierung ihrer Arbeitsabläufe ihre Time-to-Market erheblich verkürzen und schneller kundenspezifische Lösungen realisieren.“

Dr. Steffen Haack, Bosch Rexroth

Bild: Tox

„Digitalisierung und Industrie 4.0 ermöglichen viele neuen Services – angefangen bei umfassenden Diagnosemöglichkeiten über Reparaturen mit Fernunterstützung per VR-Brille bis zu Remote-Schulungen direkt am Produkt.“

Stefan Zauner, Tox Pressotechnik

Bild: Festo

„Je früher sich Maschinen- und Anlagenbauer sowie Betreiber für digitale Produkte entscheiden, desto größeren Nutzen haben sie. So können beispielsweise Maschinen- und Anlagenbauer mit dem Handling Guide Online oder anderen Produktkonfiguratoren ihre Time-to-Market – bezogen auf die eingebauten Handhabungssysteme – um rund 70 Prozent verkürzen.“

Dr. Michael Hoffmeister, Festo

 

Bild: W.E.St.

„Ein Ansatz für neue Geschäftsmodelle ist, eine Beratungsdienstleistung anzubieten, um basierend auf den Betriebsdaten einer Anlage Optimierungsmöglichkeiten aufzuzeigen. Oftmals bringen schon kleine Änderungen großen Nutzen, sodass eine unabhängige Expertise zum Thema Energieeffizienz dem Kunden erhebliche Einsparungen ermöglichen kann.“

Georg Winkes, W.E.St. Elektronik

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