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Drehgeber und Schleifringe für Industrie 4.0 / IIoT
Die Umsetzung von Industrie 4.0 / IIoT Konzepten in die Praxis ist eine der zentralen Herausforderungen für jeden Entwicklungsingenieur. Die Definition der einzelnen Industrie 4.0 / IIoT Konzepte ist dabei der erste Schritt. Das bedeutet konkret: Welche der durch Industrie 4.0 / IIoT gebotenen Möglichkeiten sollen eingesetzt werden?Kübler bietet neben einem breiten Angebot an „Industrie 4.0 / IIoT ready“ Drehgebern und Schleifringen auch Unterstützung bei der Umsetzung an.
Industrie 4.0 / IIoT ready
Vernetzte und intelligente Produkte sind eine Voraussetzung für Industrie 4.0 / IIoT. Sie sind in der Lage, zu sagen: „Wer bin ich? Wo bin ich? Wie fühle ich mich?“.„Industrie 4.0 / IIoT ready“ bedeutet: Drehgeber müssen neben der klassischen Messaufgabe und Messwert-Übertragung, Schleifringe neben der reinen Übertragung von Strom, Signalen und Daten, auch weitere Funktionalitäten zum Vernetzen der Produkte und zum Sammeln oder Übertragen von zusätzlichen Informationen mit sich bringen.
Connectivity
Connectivity steht für die Fähigkeit, zusätzliche Informationen zu
kommunizieren und / oder sich zu vernetzen. Dies kann in Form
von zusätzlichen Schnittstellen wie OPC-UA (z. B. für zusätzliche
Edge-Kommunikation) oder mit Industrial Ethernet Kommunikation
sowie mit einer digitaler Schnittstelle wie BiSS oder SCS open link
erfolgen.
Identification
Identification ist die Fähigkeit, mittels eines elektronischen Datenblattes / Typenschildes technische Informationen zu übermitteln. Darüber hinaus können weitere Informationen der Maschine übermittelt werden (z. B. Information über die Antriebsachse, an der der Drehgeber installiert ist). Im Wesentlichen werden hier alle Informationen aufgenommen, die in der Anwendung für das Asset-Management erforderlich sind.
Diagnostics
Diagnostics Funktionen geben relevante Informationen über den Zustand des Produktes (z. B. Fehlermeldungen) oder indirekte Informationen über die Anwendung. Beispielsweise kann ein integrierter Temperatursensor melden, dass der zulässige Arbeitstemperaturbereich verlassen wurde. Oder integrierte Vibrationssensoren geben Hinweise auf den Zustand der Lagerung eines Antriebsstranges.
Gerade hoch integrierte lagerlose Systeme können zuverlässige Informationen liefern. Durch Log- und Time-Stamp-Funktionen in Industrial Ethernet Drehgebern besteht die Möglichkeit, Lifetime Histogramme zu erstellen.
Adaptability
Mit Adaptability ist die Anpassungsfähigkeit gemeint, die auf zwei
Ebenen erfolgen kann:
- Auf operativer Ebene können die Parameter / Einstellungen eines Drehgebers im Betrieb geändert werden, um z. B. Rüstvorgänge zu optimieren oder Fehler in der Messung mit digitaler Signalverarbeitung zu eliminieren.
- Auf Systemebene können jederzeit Software-Updates durchgeführt werden
kann nachträglich erweitert werden, um die Zukunftsfähigkeit des
Systems zu gewährleistet. Deshalb sind alle Feldbus und Industrial
Ethernet Drehgeber von Kübler standardmäßig mit einer Firmware
Update-Funktion ausgestattet.
Drehgeber - Industrie 4.0 / IIoT ready
Welche Industrie 4.0 / IIoT Funktionalitäten ein Drehgeber benötigt, um „Industrie 4.0 / IIoT ready“ zu sein, hängt vom Gesamtkonzept ab. Entscheidend dabei ist die Rolle, die dem Drehgeber zugeteilt wird. Entweder als ein eigenständiges Industrie 4.0-Objektes (Asset) oder als ein Teil davon. Daraus ergibt sich, ob der Drehgeber seine eigene Verwaltungsschale haben muss oder in eine bestehende Verwaltungsschale eingebunden wird.
Ein Drehgeber mit eigener Verwaltungsschale hat nicht nur Funktionen auf dem „Field Level“, sondern auch auf dem „Control Level“ und sogar bis zur direkten Edge-Kommunikation. In der höchsten Ausbaustufe spricht man z. B. von einem Industrial Ethernet Drehgeber mit integriertem Webserver und zusätzlichem OPC-UA-Protokoll. Meistens wird der Drehgeber jedoch innerhalb eines Objektes eingebunden, wie z. B. in einem Antriebsstrang. Das Industrie 4.0-Objekt ist dann eine Antriebsachse bestehend aus Motor, Getriebe, Drehgeber, Bremse, Umrichter usw. In diesem Fall stellt sich die Frage, welches der Elemente in dem Objekt die Verwaltungsschale bekommt und auch die Verwaltungsfunktionen übernimmt. Der Drehgeber kann diese Rolle erfüllen (komplett oder teilweise), indem das elektronische Datenblatt nicht nur die Informationen über den Drehgeber selbst beinhaltet, sondern über den ganzen Antriebsstrang. Das sind z. B. Motordaten, Standortinformationen, etc. Grundsätzlich bildet die Verwaltungsschale die virtuelle Darstellung des Produktes (Digital Twin) und die technischen Funktionen ab. Damit sind eine Vielzahl von Use-Cases, von der Simulation bis zum Asset-Management, möglich.
Schleifringe Industrie 4.0 / IIoT Enabler
Wenn es darum geht, Strom, Signale und Daten sowie weitere Medien wie Druckluft oder Hydraulik von einer stationären auf eine rotierende Komponente einer Anlage / Maschine zu übertragen, sind Schleifringe die optimale Lösung.
Schleifringe für die Übertragung von Industrial Ethernet stellen sicher, dass Industrie 4.0 / IIoT Konzepte in jedem Winkel der Maschine umgesetzt werden können. Für Anwendungen, in denen maximale Verfügbarkeit gefragt ist, bietet Kübler auch kontaktlose Lösungen an. Schleifringe sind hoch integrierte Bestandteile von komplexen Maschinen. Sie können dadurch besonders viele und zuverlässige Informationen über den Maschinenzustand und die Wartungsanforderungen liefern. Deshalb nutzt Kübler die Schleifringe als “Industrie 4.0 / IIoT enabler“ und hat dazu Sensorik-Systeme in seine smarten Schleifringe integriert ohne dabei zusätzlichen wertvollen Einbauraum in Anspruch zu nehmen. Die genaue Messung und Überwachung von Achsbewegungen, Vibrationen und der Temperatur, gekoppelt mit der Speicherung von Lifetime Histogrammen, liefern alle notwendigen Informationen für Condition Monitoring. Asset-Management Funktionen werden mit maschinenspezifischen elektronischen Datenblättern unterstützt. Beide sind wichtig für die Umsetzung von effizientem Predictive Maintenance und ermöglichen auch neue Dienstleistungsangebote wie z. B. „Product-as-a-Service (PaaS)“. Somit wird der Schleifring vom passiven Übertragungselement zum aktiven Bestandteil von Industrie 4.0 / IIoT.
Use-Cases
Industrie 4.0 / IIoT eröffnet neue Perspektiven und neuen Geschäftsideen. Im Vergleich zur aktuellen Automatisierungswelt, die hauptsächlich geräteorientiert ist, bietet Industrie 4.0/ IIoT eine ganzheitliche Systemsicht. Darüber hinaus ermöglicht die Technologie einen herstellerunabhängigen Zugriff auf Gerätedaten, zusätzliche standardisierte Services sowie eine vereinfachte Administration der Geräte. Die Durchführung sollte schrittweise erfolgen und auf praxistauglichen Anwendungen bzw. Umsetzungen (Use-Cases) basieren. Daher empfehlen wir zuerst die einzelnen Use-Cases zu definieren und daraus ableitend die technische Umsetzung zu planen.
Aus Sicht des Geräteherstellers, des Service-Partners (Installation, Inbetriebnahme und Wartungen) und des Betreibers (Fabrikbesitzer).
Obwohl Predictive Maintenance sehr oft im Zusammenhang mit praktischer Umsetzung von Industrie 4.0 / IIoT genannt wird, ist es nur eine von vielen Use-Cases. Gerade bei der Definition der Use-Cases zeigen sich die vielseitigen Vorteile von Industrie 4.0 / IIoT.
Asset-Management
Hier geht es um die Systembeschreibung mit technischem Datenblatt, Funktionsbeschreibung und Standortinformation aber auch um den direkten Bezug auf die in einer Cloud verfügbaren Informationen wie CAD-Daten und Life Cycle-Informationen. Kurzum gesagt, um alles, was für die Herstellung eines Digital Twin erforderlich ist.Interoperability
Beinhaltet alle Vorgänge von der systemunabhängigen und systemübergreifenden Kommunikation bis hin zur Cloud Kommunikation. Dadurch werden sowohl einzelne Geräte (Devices) als auch die Cloud (Device Cloud und System Cloud) integraler Bestandteil der Kommunikation zwischen OT (Operation Technology) und IT (Information Technology).Diagnostics / Data Trace
Durch Messen, Überwachen und zur Visualisierung von kritischen Vorgängen werden Daten erfasst, ausgewertet und für Big Data bereitgestellt. Diese Daten dienen als Basis für Predictive Maintenance oder Energy Management, aber auch für Simulationen oder einer effektiveren Inbetriebnahme von Geräten, Maschinen und Anlagen.
Inbetriebnahme einer Antriebsachse mit Industrial Ethernet Drehgebern
Eine effektive, schnelle und fehlerfreie Inbetriebnahme kann im Rahmen von Industrie 4.0 / IIoT einfach umgesetzt werden. Das in der Verwaltungsschale des Drehgebers gespeicherte elektronische Typenschild von Motor und Drehgeber, sowie die Informationen über Arbeitsbereich, maximale Drehzahl, maximale Temperatur und die Angabe des Installationsstandortes, geben dem Anwender alle wichtigen Informationen zur Installation. Auch die Verlinkungen zu Betriebsanleitungen, Handbüchern und zu CAD-Daten sind direkt im Drehgeber gespeichert, und somit vom Kübler Server einfach abzurufen. Neueste Software-Versionen oder anwendungsspezifische Parametrisierungen können direkt, ohne über die Steuerung zu gehen, von der Device Cloud durch die zusätzliche OPC-UA Schnittstelle heruntergeladen werden. Diese Daten können in ein Asset-Management-System, das die Produktionsplanung unterstützt, übergeben werden.
Im Vorfeld können auch entsprechende Simulationen gefahren werden, um mögliche Planungsfehler auszuschließen. Bei der Inbetriebnahme selbst unterstützt der Drehgeber unter anderem die im Antrieb 4.0 Konzept von ZVEI beschriebene Oszilloskop Funktion z. B. für eine schnelle und einfache Definition von spezifischen Trigger-Bedingungen. Fehlerspeicher und umfangreiche Warnungen und Statusmeldungen unterstützen bei der Fehlersuche.
Schleifringe als Product-as-a-Service (PaaS) Dienstleistung
Fast bei jeder Maschine ist es wichtig, Stillstandzeiten auf ein Minimum zu reduzieren. Diese werden sehr oft von den Wartungszyklen eingebauter Schleifringe beeinflusst. Da Schleifringe zu den hoch integrierten Bestandteilen der Maschine gehören, sind auch Wartungen oder Reparaturen entsprechend aufwendig.
Kübler hat hierfür die Lösung: Dank integriertem Sensorik-System im Schleifring können Condition Monitoring Funktionen realisiert werden. Betriebszustände wie z. B. Anzahl der Umdrehungen, maximale und durchschnittliche Geschwindigkeiten, Temperaturen, Nutzungsdauer, Schock und Vibrationen werden erfasst und gespeichert. Dies führt zu einer umfangreichen Überwachung der Achse.
Die erfassten Daten werden dann direkt in die Cloud übertragen und dienen als Basis für Predictive Maintenance. Mit den ausgewerteten Daten kann z. B. eine planmäßige Wartung des Schleifrings durch das Kübler Service Team geplant und umgesetzt werden. Damit ist die maximale Verfügbarkeit der Gesamtanlage gewährleistet. Der Kunde kauft somit nicht nur das Produkt, sondern sichert sich durch die angebotenen Dienstleistungen (von der Installation über die Inbetriebnahme bis hin zur Wartung oder Reparatur) von Kübler eine dauerhafte und zuverlässige Übertragung ganz im Sinne von “PaaS“.
Smarte Schleifringe - IIoT Enabler
Pierre Brucker
Director ProductsLösungen für Industrie 4.0 / IIoT - deutsch