14.01.2019

Vernetzte Antriebstechnik – dezentral und zentral

Vernetzte Antriebstechnik

Die fleißigen Bienen machen es uns doch vor: Jede für sich führt autonom kleine Aufgaben aus, durch geschickte und schlanke Kommunikation gelingt es ihnen, sich zu organisieren und sogar Störungen im Gesamtablauf zu kompensieren. Ist diese dezentrale Intelligenz das Vorbild für die vernetzte Antriebstechnik oder eher das zentrale Nervensystem von uns Lebewesen, in dem alle Informationen an einem Punkt zusammenlaufen, verarbeitet werden und Aktionen auslösen? Wir versuchen, diese Frage aus der Sicht eines Antriebstechnik-Herstellers zu beleuchten.

Für den Antrieb scheint es auf den ersten Blick eine klare Sache zu sein: Ein Servoantrieb führt ja nur Befehle aus. Er dreht mit vorgegebenen Drehzahlen, hält vorgegebene Drehmomente ein und positioniert nach Vorgabe. Die übergeordnete Steuerung als zentrales Nervensystem kümmert sich um alles. Störgrößen werden von der zentralen Steuerung erkannt und kompensiert.

Viele aktuelle, vernetzte Systeme, z. B. Produktionsanlagen, funktionieren nach diesem Prinzip des zentralen Systems. Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Programmierung erfolgt über ein zentrales System und die Fehlersuche findet ebenfalls zentral an einer Stelle statt. Auch wenn eine übergeordnete Instanz, z. B. ein ERP-System, Daten aus der aktuellen Produktion benötigt oder Informationen übermitteln muss, dann gibt es eine zentrale Stelle, mit welcher Informationen ausgetauscht werden.

Übertragen auf das zentrale Nervensystem eines Lebewesens, z. B. einer Maus bedeutet das: die Organe werden zentral gesteuert, Muskeln für die Bewegung aktiviert, die Umwelt über Sensoren wie Augen, Ohren und Haut überwacht. Das Gehirn kümmert sich um untergeordnete Dinge wie das Atmen und den Herzschlag, aber auch um komplexe Dinge wie die Flucht vor einem Feind.

Ein Bienenstock würde nach diesem Prinzip nicht funktionieren. Hunderte einzelner Entscheidungen, z. B. „soll ich zur roten oder zur gelben Blumenwiese fliegen?“ oder „schaffen wir 20 Bienen es, diese Hornisse zu vertreiben“ müssten von einem abgelegenen zentralen Gehirn getroffen werden. Dafür wären aber die Informationswege zu lang und die Aufgabe zu komplex, um sie mit den einfachen Kommunikationsmitteln der Bienen zu übertragen.

Ist damit schon das Kriterium gefunden, welches darüber entscheidet, ob ein dezentrales oder ein zentrales System das bessere ist: Somit würde gelten: Stationäre Systeme – Zentral; Bewegliche Systeme – Dezentral?

Hier lohnt es sich, ein bisschen tiefer einzutauchen. Hätten die einzelnen Bienen eine 5G Mobilverbindung zu einem zentralen „Gehirn“, könnten sie Entscheidungen abgeben und benötigten weniger Intelligenz. Umgekehrt, hätten Herz, Magen, Lunge und Muskeln einer Maus eine eigene Intelligenz, könnte das zentrale Nervensystem von einfachen Aufgaben entlastet werden und sich ggf. besser auf komplexe Aufgaben wie die Nahrungssuche konzentrieren.

In der Natur wie in der Antriebstechnik gilt: Durch eine effektive Kommunikation zwischen zentraler Intelligenz und den Komponenten benötigen diese Komponenten weniger Intelligenz. Sind die Komponenten aber intelligent, kann die Kommunikation umso einfacher ausfallen und die zentrale Intelligenz wird entlastet oder kann komplett entfallen.

Wenn man sich auf dem Antriebstechnik-Markt umsieht, wird man feststellen, dass man die Wahl hat. Es gibt leistungsstarke zentrale Systeme mit effektiver Kommunikation zu den Antriebskomponenten. Andererseits sind aber auch intelligente und leistungsfähige dezentrale Antriebsysteme verfügbar. Beide Lösungen können komfortabel eingerichtet und in Betrieb genommen werden. Bei der Entscheidung, zentral oder dezentral spielen u. a. die folgenden Kriterien eine Rolle:

Komplexität der Aufgabe

Niedrige Kosten für Prozessorleistung machen auch einfache dezentrale Antriebssysteme inzwischen so intelligent, dass sie eine Vielzahl wenig bis mittel komplexen Aufgaben ohne übergeordnete Steuerung ausführen können. Sie lesen analoge und digitale Daten von Sensoren ein und kommunizieren untereinander. Aufgaben werden unter den Antrieben aufgeteilt und Einstellungen über ein Mensch-Maschine Interface (MMI) vorgenommen. Viele Verpackungsmaschinen, Prüfgeräte und Sondermaschinen arbeiten inzwischen komplett ohne übergeordnete Steuerung. Jede Komponente der Anlage überwacht sich selbst. Die Kommunikation kann somit auf ein Mindestmaß reduziert werden. Kostengünstige klassische Feldbusse genügen völlig für die Kommunikation untereinander.

Bei komplexeren Aufgaben, beispielsweise wenn viele Maschinenteile miteinander vernetzt werden und hohe Anforderungen an Synchronität gegeben sind, lohnt sich meist die Investition in eine zentrale Maschinensteuerung. Aber auch in diesem Fall kann es Sinn machen, dezentrale Komponenten für autonom ablaufende Prozesse einzubinden. Beispielsweise kann in einer Solarthermie-Anlage das permanente Ausrichten der einzelnen Spiegel komplett dezentral erfolgen.

Was wurde bisher eingesetzt

Oft sind es pragmatische Gründe, die entscheiden, warum eine Anlage zentral oder dezentral ausgelegt wird. Man kennt ein System, orientiert sich an dessen Design und legt das neue System ähnlich aus. Verständlicherweise möchte sich ein Ingenieur nicht für jedes neue Maschinenkonzept mit neuen Kommunikationsarten und System-Architekturen auseinandersetzen. Gerade in Zeiten voller Auftragsbücher wird der Fokus eher auf eine schnelle Umsetzung, als auf die optimale Lösung gelenkt. Das ist nachvollziehbar. Dennoch kann es sich lohnen, denn die Gesamtkosten des Systems sind nicht immer sofort offensichtlich.

Systemkosten

Die Systemkosten sind deshalb so schwer zu ermitteln, weil einige Kosten versteckt sind oder kostengünstige Lösungen hohe Folgekosten mit sich bringen können. Hier zwei weniger offensichtliche, aber dennoch relevante Kostenfaktoren:

  • Schaltschrank: Welcher Platz wird im Schaltschrank benötigt und wie groß muss dieser dimensioniert werden? Hier kann eine dezentrale Lösung punkten. Auch wird bei dezentralen Lösungen Verlustwärme verteilt erzeugt und muss daher nicht zwangsgekühlt werden.
  • Was zunächst als günstigste Lösung betrachtet wird, kann sich als Fass ohne Boden herausstellen, wenn nicht von Anfang an die gesamte Anlage betrachtet wurde. Sind wirklich alle Komponenten für das geplante System verfügbar oder werden Komponenten benötigt, die sich nicht direkt in das Netz einbinden lassen? Je nachdem müssen teure Gateways beschafft oder aufwändige Sonder-Programmierungen vorgenommen werden.

Wie stellt sich Dunkermotoren als Antriebstechnik-Hersteller auf?

Für beide Welten gerüstet

In Punkto Vernetzung hat sich Dunkermotoren auf beide Welten eingestellt. Antriebe von Dunkermotoren können sowohl in zentrale Architekturen als einfache Slaves eingebunden werden, als auch dezentrale Aufgaben erfüllen. In beiden Fällen findet die Überwachung der Motorfunktionen und der Schutz gegen dauerhafte Schäden in jedem Antrieb einzeln statt. Das macht auch Sinn. Jeder Antrieb kennt seine Charakteristik und weiß, wie weit Überlast-Situationen toleriert werden können. Mit Hardware- und Software Schutz-Mechanismen direkt im Motor können diese bis an das physikalische Limit ausgelastet werden, ohne dabei Schaden zu nehmen.

Dunkermotoren sprechen einige der wichtigsten Kommunikationssprachen, aktuell sind dies CANopen, Profibus, Profinet und EtherCAT. Wie die meisten anderen Komponentenhersteller muss auch Dunkermotoren sich dem babylonischen Sprachengewirr der vielfältigen Feldbus- und Industrial Ethernet Kommunikation stellen und entsprechende Schnittstellen implementieren, um in allen gängigen zentral gelenkten Kommunikationssystemen buchstäblich „mitreden“ zu können. Wie viele andere Komponentenhersteller freut sich Dunkermotoren jetzt schon auf herstellerübergreifende Standards.

Vernetzung morgen

Dunkermotoren hat sich selbstverständlich die Frage gestellt, wie Motoren zukünftig vernetzt sein müssen, sowohl in dezentralen, als auch in zentralen Lösungen. Es genügt nicht einfach zu sagen, dass alle gängigen Feldbus-, Industrial Ethernet- und natürlich die drahtlosen Standards abgedeckt sein müssen. Vielmehr stellt sich die Frage, welche Daten wie schnell und wohin übertragen werden müssen. Hier werden Themen wie Predictive Maintenance, cloudbasierte Applikationsanalyse, Remote Service und Pay-per-use eine größere Rolle spielen. In all diesen Fällen müssen die Daten einen Weg von der Maschine bis zu einer Cloud oder direkt zum Hersteller finden. Es bleibt spannend, ob sich hier Ethernet-basierte Systeme durchsetzen werden, mit dem einhergehenden Sicherheitsrisiko oder Mobilfunk-basierte Systeme, mit den damit verbundenen Problemen wie Netzabdeckung und Kosten. Da der Kundennutzen dieser, unter dem Mantel „IoT“ zusammengefassten Features sehr hoch ist, werden sich auch diese Probleme lösen lassen.

Vernetzung und Intelligenz

Mit der Einführung des BG 65 CI vor fast 20 Jahren wurde bei Dunkermotoren der Grundstein für das heutige breite Produktportfolio von dezentralen Antrieben gelegt. Seither ist nicht nur das Produktportfolio, sondern auch der Markt für dezentrale Lösungen massiv gewachsen. Der Markt verlangt mehr und mehr nach Komplettantrieben, nicht nur mit Getriebe, Bremse und hochauflösendem Encoder, sondern auch möglichst mit integrierter Intelligenz, welche die Hauptprozesse entlastet oder Aufgaben komplett autonom bewältigt. Durch immer geringere Kosten und kleinerer Bauweise pro Prozessorleistung können dezentrale Antriebe diesem Wunsch nach mehr Intelligenz gerecht werden.

Dieser Trend wird weitergehen. Dezentrale Antriebe werden zukünftig neben den autonomen Aufgaben auch Daten aus den Applikationen sammeln, direkt analysieren oder an externe Analysetools weiterleiten, die sich beim Endkunden, beim OEM oder beim Hersteller befinden. Daten sammeln ist aktuell in der Presse eher negativ besetzt. Doch bei Antriebsdaten profitieren sowohl Endkunde und OEM, als auch der Komponenten-Hersteller, weil die Applikation, wie sie tatsächlich benutzt wird, transparent wird. Dadurch können Prozesse optimiert, neue Anlagen besser ausgelegt und Fehler schneller gefunden werden.

Ob bei zentralen oder dezentralen Systemen dürfen Vernetzung und Intelligenz in der Antriebstechnik nicht isoliert betrachtet werden. Sowohl die immer leistungsfähigeren Kommunikationssysteme als auch die immer intelligenteren Komponenten bieten zukünftig mehr Möglichkeiten. Diese werden sowohl zentrale, dezentrale, aber auch hybride zwischen den beiden Lösungen vorantreiben.

Infobox:

Als innovatives, qualitätsbewusstes Unternehmen entwickeln und produziert Dunkermotoren mit etwa 1.200 Mitarbeitern hochwertige lineare und rotative Antriebssysteme. Dank des modularen Baukastensystems mit Antriebskomponenten bis 2600 Watt Abgabeleistung und der Integration von Logik- und Leistungselektronik ist es Kunden von Dunkermotoren möglich, ihre Antriebseinheit individuell je nach Applikation auszulegen. Zum Produktportfolio gehören neben bürstenbehafteten und bürstenlosen Gleichstrommotoren auch Linearantriebe, Getriebe, Geber und Bremsen mit denen im Rahmen des modularen Baukastensystems unzählige Kombinationsmöglichkeiten realisiert werden können.

Mit Einzug des Internet of Things (IoT) in die industrielle Fertigung verschwimmen die Grenzen zwischen den Techniken und Systemen der industriellen Fertigung und darüber hinaus, von der Feld- über die Unternehmensebene bis hin zum Endverbraucher.

Intelligente Motoren mit den entsprechenden Ethernet-Schnittstellen von Dunkermotoren sind Teil dieser Entwicklung. Bereits seit über 10 Jahren ist Dunkermotoren Vorreiter bei intelligenten EC-Motoren mit Feldbus- bzw. Ethernet-Schnittstellen und realisiert damit mit seinen Kunden bereits seit langem die im Rahmen von Industrie 4.0 diskutierten Ansätze.



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