08.07.2016

Interview mit Dr. Ursula Frank zu den Innovationsprojekten ScAut und efa im Cluster it's OWL

Forschungsergebnisse optimieren Maschinenabläufe und steigern Energieeffizienz

Schon von Beginn an - seit dem Jahr 2012 - engagiert sich Beckhoff als Kernunternehmen im Forschungs-Cluster it's OWL (Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe). Als Konsortialführer leitet das Unternehmen die beiden Innovationsprojekte Scientific Automation (ScAut) und eXtreme Fast Automation (efa). Dr. Ursula Frank, Projektmanagerin R&D Kooperationen bei Beckhoff, beschreibt im Interview die bisher erzielten Forschungsergebnisse und deren praktische Umsetzung.

Autor: Dipl.-Ing. Stefan Ziegler, Beckhoff Automation GmbH & Co. KG.


Integration ingenieurwissenschaftlicher Erkenntnisse in die Automatisierungstechnik
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

Was ist die Besonderheit des Clusters it's OWL und inwieweit hat sich die Zusammenarbeit von Hochschulen, Automatisierungsspezialisten, Maschinenbauern und Endanwendern bewährt?

Dr. Ursula Frank: Vorteile bietet die Zusammenarbeit in einem Netzwerk, das über die gesamte Wertschöpfungskette für individualisierte Großserienprodukte reicht: vom Automatisierer mit hochleistungsfähiger Steuerungstechnik über den Maschinenbauer mit den entsprechend performanten Anlagen bis hin zum Anlagenbetreiber mit seinen hohen Anforderungen an die Produktionsflexibilität. Zusätzlich sind die Hochschulen in unterschiedlichsten Bereichen involviert, einerseits als direkte Projektpartner und andererseits auch über die Technologieplattform des Spitzenclusters. Diese Plattform stellt Expertenwissen zur Verbesserung von Nachhaltigkeit, Wartungsmöglichkeiten, Maschinenvernetzung und Engineering bereit. Weitere Vorteile bietet it's OWL hinsichtlich Öffentlichkeitsarbeit und Internationalisierung. So ist die Region Ostwestfalen-Lippe durch den Spitzencluster inzwischen für ihr außergewöhnliches Automatisierungs-Know-how international bekannt.

Inwieweit beeinflussen sich die beiden Innovationsprojekte ScAut und efa gegenseitig?

Dr. Frank: Beim Projekt Scientific Automation ist das Ziel, Maschinen durch Automatisierungstechnik in Form von Soft- und Hardware intelligenter zu machen. Das Projekt eXtreme Fast Automation zielt darauf ab, eine hoch performante Steuerungstechnik bereitzustellen, sodass sich diese intelligenten Technologien auf den Maschinen überhaupt realisieren lassen.

Welches sind die wichtigsten Forschungsschwerpunkte des Projekts ScAut?

Dr. Frank: Unter ScAut, also Scientific Automation, verstehen wir die Integration ingenieurwissenschaftlicher bzw. auch nicht ingenieurwissenschaftlicher Erkenntnisse in die Automatisierungstechnik. Im ersten Schritt bezieht sich das Projekt auf den ingenieurwissenschaftlichen Bereich, das heißt auf Lösungen für Energiemanagement, Condition Monitoring und Analytics. Hierzu werden aus hardwaretechnischer Sicht Busklemmen mit hoch präziser Datenerfassung und -auswertung sowie mit messtechnischen Funktionalitäten entwickelt. Die erfassten Daten werden mit im Projekt erforschten Algorithmen u.a. aus den Wissensbereichen allgemeine Mathematik, Analytik, Statistik, Regelungstechnik und Kognition analysiert und ausgewertet. Ergebnis sind intelligente technische Systeme, die Wartungsbedarfe oder erhöhte Ressourcenverbräuche erkennen, diese melden und eigenständig in den aktuell für das System optimalen Betriebsmodus wechseln. Zudem wird erarbeitet, was unter Systemen und Produktionsanlagen mit Scientific Automation überhaupt zu verstehen ist. Wie sind diese aus maschinenbaulicher, aber auch aus elektro- und softwaretechnischer Sicht aufgebaut? Was kommt neben der Ablaufsteuerung an Zusatzaufgaben hinzu und welche Steuerungskomponenten sind dafür erforderlich und gegebenenfalls noch zu entwickeln? Ein weiteres Thema ist die geeignete Systemarchitektur. Hierbei werden die Wechselwirkungen von Systemen untereinander und die Schnittstellenanforderungen betrachtet, basierend auf den im Rahmen von Industrie 4.0 erarbeiteten Ansätzen.

Geht es neben der Technologie auch um die praktische Umsetzung?

Dr. Frank: Es geht tatsächlich nicht nur um Technologien. Es sollen durch das Projekt ScAut auch Methoden und Entwurfswerkzeuge bereitgestellt werden, mit denen jeder Maschinenbauer einfach Scientific Automation in seine Maschinen integrieren kann. Zunehmend wichtiger wird hierbei ein durchgängiges, modulares Engineering, einschließlich der Simulation. Teilweise sind diese Überlegungen bereits in die Automatisierungssuite Twincat von Beckhoff eingeflossen. Beispiele sind die konsequente Objektorientierung von Twincat 3, das leistungsfähige Software-Oszilloskop Scope, eine Condition-Monitoring- und eine Energiemanagement-Bibliothek oder zusätzliche Engineeringmöglichkeiten über die Integration von Matlab/ Simulink und UML sowie eine Schnittstelle zur Einbindung von Engineeringwerkzeugen aus dem Bereich der Elektrokonstruktion.

Inwieweit hat sich im Rahmen von ScAut die Zusammenarbeit mit den beteiligten Maschinenbauern ausgewirkt?

Dr. Frank: Gemeinsam mit den Partnern Hüttenhölscher Maschinenbau, IMA Klessmann und Schirmer Maschinen wurden alle Projektansätze auf ihre Praxistauglichkeit hin analysiert. In entsprechenden Testanlagen kommen die Projektergebnisse schon jetzt zum Einsatz, z.B. beim Überwachen und Auswerten von Schwingungen, Temperaturen, Energieverbräuchen, Drücken und Gewichten. Diese Informationen dienen wiederum der Überwachung von Wälz- und Spindellagern, Bohrerführungswagen sowie von Bearbeitungswerkzeugen wie Bohrer und Fräser auf möglichen Verschleiß.

Wie wurde dies in den Testanwendungen konkret umgesetzt, beispielsweise bei Schirmer?

Dr. Frank: Schirmer stellt Maschinen zur Bearbeitung von Fenster- oder Türprofilen her. Während des Projekts wurden verschiedenste kleinere Testaufbauten sowie eine größere Testanlage für die Bearbeitung von Profilen zur Erforschung unterschiedlichster Anwendungsszenarien aufgebaut. Mit der Testanlage wird ein entsprechender Produktionsablauf realisiert, vom Einlegen eines auf Länge zugeschnittenen Profils über das Bohren und Fräsen der jeweiligen Kontur bis hin zur Abnahme des fertigen Profils. Umgesetzt ist in der Testanlage neben einem energieoptimalen Betrieb auch ein Condition Monitoring zur Erkennung des Bohrerverschleißes, zum einen durch die Überwachung der zugehörigen Stromaufnahme und zum anderen per Schwingungsmessung. Zum Einsatz kommen dabei die Ethercat-Klemme EL3632 für Condition Monitoring sowie Auswertealgorithmen der entsprechenden Twincat-Bibliothek. Die Testanlage ist über Twincat 3 programmiert und damit objektorientiert und modularisiert aufgebaut worden. Langzeitmessungen in bestehenden Produktionen ergaben, dass der Sägevorgang der energieintensivste Prozessschritt in der Fensterprofilbearbeitung ist. Basierend auf diesen Messungen wurden verschiedene Strategien zum Betreiben von Sägemodulen konzipiert und analysiert. Ergebnis ist das Betreiben der Säge in mehreren Modi. Neu ist hier der sogenannte Idle-Modus; ein Modus, in dem aktuell nicht benötigte Module nicht mehr komplett in den Stillstand, sondern in den optimierten Betriebsmodus Idle gefahren werden. Aus diesem Zustand ist dann ein schnelleres Hochfahren zur Betriebsbereitschaft möglich, was zu 17% Energieeinsparung allein bei den Sägemodulen geführt hat.

Und welche Projektergebnisse nutzen die Testanwendungen von Sondermaschinenbauer Hüttenhölscher?

Dr. Frank: Eine der speziellen Herausforderungen bei Hüttenhölscher liegt darin, dass Bohrköpfe mit bis zu 50 Einzelbohrern zum Einsatz kommen. In der Praxis wird bisher der gesamte Satz Bohrer ausgetauscht, sobald auch nur ein Bohrer stumpf oder das Ende des Wartungsintervalls erreicht ist. Da die verschiedenen Bohrer aber unterschiedlich häufig eingesetzt werden und somit auch unterschiedlich schnell verschleißen, ist es deutlich effizienter jeden Bohrer einzeln zu testen und bei Bedarf nur diesen auszutauschen. Hierfür wurde ein Testverfahren entwickelt, das über die Erfassung der Druckkraft auf den Bohrer funktioniert. Eingesetzt wird das Verfahren auch beim Schraubermodul der Hüttenhölscher-Testanlage, die jüngst beim Küchenhersteller Nobilia aufgebaut wurde. Dort ist zudem die Energieverbrauchsmessung, bei einzelnen Maschinenmodulen ebenso wie bei der Gesamtanlage, von großer Bedeutung. Die Messergebnisse dienen der Verbrauchsoptimierung und als Voraussetzung für ein zertifiziertes Energiemanagement bei Nobilia. In den verbleibenden Monaten sollen neue Condition-Monitoring-Ansätze und Einsatzmöglichkeiten des neuen Industrie-4.0-Produkts Twincat Analytics von Beckhoff, das eine lückenlose Aufzeichnung und Analyse der Prozess- und Produktionsdaten ermöglicht, erforscht werden.

Welche Besonderheiten weist die Testanlage des Spezialisten für Holzbearbeitungssysteme IMA auf?

Dr. Frank: Bei IMA gibt es unterschiedlichste Demonstratoren, teilweise direkt an den Maschinen. So wurde bei ersten Maschinen ein Anfahren mit einer, bezogen auf die Geschwindigkeit und Zeit, selbstoptimierten Anfahrtsrampe realisiert. Weiterhin sind umfassende messtechnische Funktionen integriert. Hauptanliegen von IMA ist die Verbesserung des Engineering-Prozesses. Hierzu erfasst man derzeit den aktuellen Prozess sowie die Schnittstellen zwischen den einzelnen Engineeringwerkzeugen von der Auftragsvergabe bis zur Inbetriebnahme.

Die Projektlaufzeit von ScAut sollte ursprünglich am 30. Juni 2016 enden und nun verlängert werden. Wie ist der aktuelle Stand?

Dr. Frank: Wir haben bereits mit dem Projektträger Karlsruhe (PTKA) gesprochen und entsprechende Anträge gestellt. Kürzlich hat der Projektträger einer Verlängerung zugestimmt, sodass wir weitere sechs Monate unsere bisherigen Ergebnisse verbessern, noch bestehende Ideen realisieren und in den Pilotprojekten weiterhin analysieren und validieren können.

Das Projekt efa läuft noch bis zum 30. Juni 2017. Welches sind in diesem Fall die Forschungsschwerpunkte und erste Ergebnisse?

Dr. Frank: Die Abkürzung efa steht für eXtreme Fast Automation, das heißt für den Einsatz von äußerst schneller Steuerungstechnik in Verbindung mit der Many-Core-Technologie. In diesem Projekt soll das Potenzial der schnellen und hochpräzisen Steuerungstechnik XFC (eXtreme Fast Control) von Beckhoff noch weiter ausgeschöpft und auch neue XFC-Hardware entwickelt werden. Zweiter wichtiger Aspekt ist die Nutzung der Many-Core-Technologie als hoch performante Steuerungsplattform für echtzeitfähige Anwendungen. Hierzu wird beispielsweise untersucht, wie viele Softwareapplikationen auf einem Prozessorkern ablaufen können. Außerdem bedarf es spezieller Konfigurations- und Diagnosewerkzeuge zur Handhabung solcher Many-Core-Rechner, wie dem Industrie-Server C6670 von Beckhoff mit bis zu 36 Kernen. In diesem Bereich sind noch hoch komplexe Entwicklungen, z.B. hinsichtlich Speicherverwaltung und -zugriff, erforderlich. Diese werden später für den Anwender zwar nicht sichtbar sein, das Einsatzpotenzial der Many-Core-Technologie aber immens steigern. Weiterhin werden gemeinsam mit den Anwendern innovative, Industrie-4.0-gerechte Steuerungskonzepte entwickelt sowie Methoden und Softwarewerkzeuge, um die Steuerungssoftware der Maschinenbauer zu modellieren, zu analysieren und zu optimieren. Der Fokus liegt hier überwiegend auf der Optimierung der eingesetzten Hardwareressourcen.

Inwieweit wurden die ersten Ergebnisse bereits umgesetzt?

Dr. Frank: Für efa werden Testanlagen genutzt und entwickelt, die auch dem Projekt ScAut dienen. Geplant sind Condition Monitoring, übergreifende Analysen, Energieanalysen und die Abstimmung von mehreren, parallelen Prozessen aufeinander. All das erfordert sehr viel Rechenleistung. Derzeit werden noch Multi-Core-Rechner eingesetzt, aber der Umstieg auf Many-Core-Rechner erfolgt bereits Schritt für Schritt bei den ersten Anwendungen. Denn je mehr Auswertungen, Analysen und Diagnosen hinzukommen, umso eher stoßen die Multi-Core-Rechner an ihre Grenzen. Für die optimale Many-Core-Nutzung werden im Rahmen von efa die unterschiedlichsten Steuerungskonzepte diskutiert. Soll z.B. jedes einzelne Maschinenmodul oder eher eine bestimmte Funktion, wie Bohren oder Transportieren, über je einen Prozessorkern angesteuert werden? Hier sind unterschiedlichste Ansätze in der Erprobung.

Der Forschungs-Cluster it's OWL gilt als Vorreiter für Industrie 4.0. Welche Erkenntnisse ergeben die beiden Innovationsprojekte in dieser Hinsicht?

Dr. Frank: Die Definition von Industrie 4.0 umfasst u.a. die Vernetzung und Kommunikation der einzelnen Produktionsanlagen. Ziel ist es, voneinander zu lernen, aber auch Energiebedarfe aufeinander abzustimmen, Aufträge gemeinschaftlich abzuwickeln und Analysen übergreifend zu fahren. Gerade beim Thema Analyse kommt das Projekt ScAut mit entsprechenden Analyseverfahren und passender Datenerfassungshardware ins Spiel. Um alle erfassten Daten sowohl vor Ort an der Maschine als auch übergeordnet in einem Cloud-System nutzen zu können, eignen sich optimal die Tools Twincat Analytics und Twincat IoT. Weiterhin stellt insbesondere die Many-Core-Technologie ausreichend Rechenleistung bereit, sodass man bei Bedarf im Unternehmen selbst die ersten Voranalysen durchführen, die Daten aber auch über die Cloud z.B. zu einer anderen Smart Factory schicken kann. All das sind wichtige Grundvoraussetzungen, um überhaupt die Intelligenz in technischen Systemen realisieren zu können.

it's OWL: Forschung zu Industrie 4.0

Der Cluster it's OWL ist das erste im Rahmen des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 betreute Großprojekt. Strukturiert sind die Forschungsarbeiten zu vernetzten und intelligenten Systemen u.a. in fünf Hochschul-getriebenen Querschnittsprojekten zu Selbstoptimierung, Mensch-Maschine-Interaktion, intelligenter Vernetzung, Energieeffizienz und Systems Engineering. Diese sollen eine Technologieplattform für die insgesamt 34 Innovationsprojekte der Cluster-Kernunternehmen bereitstellen. Hinzu kommen acht sogenannte Nachhaltigkeitsmaßnahmen, beispielsweise zum Technologietransfer. Insgesamt sind dafür ab 2012 und über eine Laufzeit von fünf Jahren 40Mio.€ Fördergelder vorgesehen.

Diese Forschungs- und Entwicklungsprojekte werden mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Clusters 'Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe (it's OWL)' gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

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