Teil 2 von 3: Effizienz ist mehr als Verbrauch Auslegung und Engineering in der Antriebstechnik

Standen im ersten Teil der Artikelserie \’Effizienz ist mehr als Verbrauch\‘ die Effizienz und die Auslegung im Vordergrund, konzentrieren sich die Teilnehmer der Expertenrunde diesmal auf die Themen Substitution und Mechanik. Waren sich die Experten bei der Frage \“Was ist überhaupt Effizienz?\“ noch relativ einig, so gehen die Meinungen bei der Substitution auseinander. Doch alle Technolgien, sowohl die pneumatischen und hydraulischen als auch die elektrischen Antriebe, haben ihre Vorteile. Sprechen Maschinenbauer von Substitution, ist meist die Substitution von pneumatischen oder hydraulischen Antrieben durch elektrische Varianten gemeint. Aber welche Technologie ist überhaupt die bessere? Dr. Axel Gomeringer: Man kann nicht generell sagen, dass die eine oder die andere Technologie besser ist. Man muss einfach schauen, was unter Energiegesichtspunkten, Lebenszyklusgesichtspunkten, Kostengesichtspunkten und verschiedenen weiteren Faktoren für die jeweilige Applikation das Beste ist. Aber ich stelle eine Gegenthese auf: In einigen Applikationen werden inzwischen elektrische Antriebe substituiert. Wo das sinnvoll ist, erklärt er anhand des folgenden Beispiels. Dr. Axel Gomeringer: Angenommen, ein Roboterarm arbeitet mit einer elektrischen Greiftechnik. Dann muss der elektrische Motor am Greifer befestigt sein. Er wird also permant mitbewegt und erhöht den Aufwand, um die Masse zu bewegen. Mit einer pneumatischen Lösung wird Gewicht und dadurch Energie eingespart. Wir haben einmal unseren servopneumatischen Greifer HGPPI mit einem elektromechanischen Greifer verglichen. Dabei haben wir festgestellt, dass wir mit dem pneumatischen Greifer 75% Energie sparen, wenn die Bewegung der Massen berücksichtigt wird. Gerhard Kobs: Jede Technologie hat ihre Berechtigung. Hydraulik ist z.B. bei großen Kräften unschlagbar. Aber in den letzten Jahren sehe ich doch den Trend der Substitution von der Hydraulik und der Pneumatik hin zur Elektrik. Setzt man beispielsweise bei Servopressen elektrische Antriebe ein, erhöht sich die Flexibilität, z.B. mithilfe von Kurvenscheiben. Da bieten sich mit Motion Control neue Möglichkeiten. Während Dr. Axel Gomeringer und Gerhard Kobs über die Auswirkungen diskutieren, bringt Dr. Edwin Kiel auch die Konst­ruktion der Maschine mit der Energieverteilung ins Gespräch. Dr. Edwin Kiel: Der elektrische Antrieb hat drei Vorteile. Zum einen wird die Energie als elektrische Energie verteilt. Wir haben also Steckdosen und keine Druckluftdosen, für deren Betrieb elektrische Energie in Druckluft oder in Hydraulikdruck gewandelt werden muss. Außerdem ist der elektrische Antrieb besser regelbar. Und schließlich habe ich einen hohen Wirkungsgrad, weil es sich um eine direkte Energieumsetzung handelt. Es gibt ein paar Trends, die in Richtung der elektrischen Antriebe gehen. Aber die Technologien werden weiter nebeneinander existieren. Auch für Festo gibt es Anwendungen, in denen die Substitution pneumatischer Antriebe durch elektrische Varianten sinnvoll ist. Doch wie Jochen Luik berichtet, liegen diese Fälle bei Festo als traditionellem Pneumatik-Anbieter im einstelligen Prozentbereich. Jochen Luik: Wir müssen uns auch mit der Cross-Substitution in alle Richtungen weiterhin auseinandersetzen. Wir ersetzen beispielsweise Pneumatik-Zylinder durch lineare Direktantriebe. Das ist nicht alltäglich, aber es kommt vor. Und es gibt Anwendungen, da macht es wirklich Sinn, einen Pneumatik-Zylinder, der 50E kostet, gegen ein System mit linearem Direktantrieb zu ersetzen, der mit der Steuerung 1.000E kostet. Kai Binder: Welche Rolle spielt die Software bei der Entscheidung für ein Antriebssystem? Ralf Henkel: Wenn man ein durchgängiges Softwarekonzept bietet, kann eine Diskussion über den Technologieeinsatz hydraulischer oder elektrischer Achsen ganz neutral geführt werden. Dafür haben wir bei B&R die Möglichkeit – durch ein deterministisches Multi­tasking und speziell auf hydraulische Antriebsregelungen abgestimmte Algorithmen. Somit werden separate Hardware-Hydraulikregler eingespart und auf einer gemeinsamen Plattform eine elektrische und hydraulische Hybridantriebstechnik realisiert. Kai Binder: Herr Dr. Gomeringer, wie sieht Festo als Pneumatikanbieter die Rolle der Software? Dr. Axel Gomeringer: Wir haben ergänzende Tools für die Themen \’Vakuum\‘ und \’pneumatische Antriebe\‘. Analog der Funktionen für elektrische Antriebe, können wir damit die Auslegung für die Pneumatik berechnen. Denn auch in der Pneumatik gibt es Überdimensionierungen, die den Verbrauch unnötig erhöhen. Da müssen wir z.B. die Frage beantworten, wie viele ­Vakuum­düsen eingesetzt werden. Ralf Henkel: Aber häufig gibt es dann für die Ansteuerung verschiedene Hardware-Regler: einmal für die Hydraulik und einmal für die elektrischen Antriebe. Wir sehen dagegen den Schwerpunkt darin, alles mit einer Hardwareplattform anzusteuern und mit einem durchgängigen Softwarekonzept zu integrieren. Durch eine softwarebasierte Hybridantriebstechnik wird der Energiefluss elektronisch gestellt und hydraulisch übertragen. Software prägt moderne Automatisierung und vereint so die Vorteile der elektrischen und hydraulischen Antriebstechnik. Für SEW steht die optimale Auslegung im Vordergrund: Claus Wieder: Wir haben in unseren Projektierungstools eine alternative Auslegung. Nach der normalen Projektierung kann man diese alternative Auslegung nutzen und erhält auf Komponentenebene eine Energieeffizienzberechnung. Damit können wir dem Kunden neben seinen Vorstellungen eine energieparende Kombination zeigen, die dennoch die gleichen Funktionen erfüllt. Kai Binder: Und wie viel Effizienzpotenzial steckt in intelligenter Mechanik? Claus Wieder: Abhängig von der Applikation kann man heute aus der Mechanik, wie z.B. aus dem Getriebe, noch viel herausholen. Aber unsere Beratungen weisen auch auf andere Möglichkeiten zur Ankopplung der Mechanik hin. Und durch die Mechatronik können ebenfalls Verbesserungen durchgeführt werden: Wenn man die bisher traditionelle Trennung von Getriebe, Motor und Elektronik aufhebt, können die Verluste an der Schnittstelle verringert werden. Jochen Luik: In 99% aller Fälle gibt es kein interdisziplinäres, mechatronisches Engineering. Wenn wir über Mechanik und Antriebstechnik reden, sind das zwei unterschiedliche Welten. Die Fehler oder die falsche Auslegung, die in der Mechanik erfolgen, kann die Antriebstechnik nur ganz schwer kompensieren. Im Grunde muss unser Ansatz dahin gehen, interdisziplinäre Teams aufzubauen und unsere Kunden dafür zu sensibilisieren, interdisziplinär zu arbeiten. Dr. Edwin Kiel: Das sind eben doch zwei getrennte Welten: die Mechanikkonstruktion und die Elekt­rokonstruktion. Wir als Lieferanten sind häufig das Bindeglied, indem wir die Aufga­benstellung von der Mechanik bekommen und dann eine Au­tomatisierungschnittstelle der ­Elekt­ronik für die Steuerungskonzepte liefern. Wenn wir Mechatronik thematisieren, verfolgen wir im Wesentlichen das Ziel, diese Trennung aufzuheben. Und für uns ist es intern eine große Herausforderung, dass unsere Ingenieure nicht rein mechanisch oder elektrisch denken, sondern mechatronisch. Neben der Mechanik und der Antriebselektronik bringt Ralf Henkel als dritte Disziplin noch einmal die Software zur Sprache. Ralf Henkel: Bei Mechatronik handelt es sich eigentlich nicht nur um die beiden Bereiche Mechanik und Elektronik. Auch die Software muss in die Maschinenkonstruktion einbezogen werden und somit die Software-Ingenieure, die diesen Teil dann implementieren. Schließlich wissen sie, welche Möglichkeiten die Automatisierungssoftware bietet und wie die jeweilige konstruktive Lösung durch Software-Algorithmen effizient gestaltet oder verbessert werden kann. Die Verwendung einer umfangreichen und durchgängigen Automatisierungssoftware sollte deshalb Basis jeder effizienten Maschinenkonstruktion sein. Dr. Edwin Kiel kann Ralf Henkel nur zustimmen und verstärkt seine These noch. Dr. Edwin Kiel: Ich glaube, die Software ist sogar wichtiger als die Elektrik. Denn die Elektrik ist nur der Mittler. Ich stelle eine Plattform, einen Rechner zur Verfügung und ein Interface zur Verfügung, sodass die Software mit der Mechanik inter­agieren kann. Demzufolge müssen die Lieferanten mit drei Personengruppen korrespondieren, um gute Ergebnisse zu erzielen: mit den Mechanikern, den Elektrotechnikern und den Informatikern. Wie die Effizienz mithilfe von Sensoren erhöht werden kann, betrachtet Gerhard Kobs. Gerhard Kobs: Intelligente Antriebe verfügen heute über viele Sensoren – für Strom, Lage, Geschwindigkeit, Beschleunigung sowie evtl. ein zusätzliches lastseitiges Mess-System. Mit den daraus gewonnenen Informationen lassen sich präventive Diagnosefunktionen ableiten. Der Begriff hierfür aus dem Hause Rexroth lautet \’Productivity Agent\‘. Damit kann man z.B. Schwerfälligkeit von Bewegungen durch Verschleiß, erhöhte Reibungen usw. feststellen, was natürlich erhöhte Energieaufnahme bedeutet. Jochen Luik: Da sprechen wir schon über die Überwachung von Prozessparametern einer Anlage. Sie kann mit einer Abkehr von üblichen Kaskadenreglern verbunden sein und reicht mehr in die Zustandsreglung einer Anlage hinein. Das ist u.a. abhängig von der hohen Rechenleistung, die hierfür benötigt wird. Und das gehört zu den Ansätzen, die Steuerungstechnik in ihrer Architektur für genau eine Applikation zu optimieren. Im Moment arbeiten wir in aller Regel mit freier Steuerungstechnik, die eine breite Kompatibilität ermöglicht. Da könnte ich mir vorstellen, dass sich in diesem Bereich in Zukunft noch einiges verändern wird. Kai Binder: Und kann der Anwender mit Ihren Werkzeugen bereits heute den mechatronischen Ansatz verfolgen, oder wird dies erst in Zukunft möglich sein? Gerhard Kobs: Bezüglich Mechatronik bieten wir den Herstellern bereits in der Konstruktionsphase der Maschine eine Dienstleistung an. Die komplette Mechanik, Kinematik und die Bewegungsprofile werden in einem virtuellen Prototyp simuliert, um die Maschine zu optimieren. Das bezieht sich nicht nur auf Energieeffizienz, sondern zielt hauptsächlich auch auf eine Erhöhung der Produktivität. Auch Dr. Axel Gomeringer ist davon überzeugt, nur mit Dienstleistungen, die die Mechanik betrachten, könne man Effizienz in die Mechanik bringen. Dr. Axel Gomeringer: Unsere Kunden erwarten diese Leistung in verschiedenen Ausprägungen. Das bedeutet oft einen erheblichen Aufwand. Deshalb bieten wir diese Simulation ebenfalls als Dienstleistung an. Reicht dem Kunden die Online-Simulation nicht, bieten wir die Realsimulation in einem Applikationsraum an. Dort können Kundenanwendungen nachgebaut werden – inklusive Steuerungstechnik und Software. Dort können wir auch Machbarkeitsstudien von Portal- und Knickarmrobotern durchführen, um Zykluszeiten zu simulieren. Auch den steuerungstechnischen Ablauf und die Anbindung an eine bestimmte Steuerungsarchitektur bei Scada-Systemen sowie die SPS können wir realitätsnah abbilden. Während Gerhard Kobs und Dr. Axel Gomeringer von den Rexroth- und Festo-Dienstleistungen sprechen, weist Claus Wieder noch einmal darauf hin, wie die Mechatronik bisher arbeitet. Claus Wieder: Für die Mechatronik wird sich die Zielaufgabe nicht ändern. Für eine Applikation hat der Anwender heute die Auswahlmöglichkeit zwischen einer Mechatronik-Lösung und einer klassischen zentralen Schaltschranklösung. Das hängt davon ab, ob die Anlage zentral oder dezentral aufgebaut ist. Wenn man darüber die Randdaten festlegt, kann der Anwender zwischen verschiedenen Lösungen wählen. Den nächsten Teil der Expertenrunde lesen Sie im SPS-MAGAZIN 10/2008. Dann stehen das Engineering und die Total Cost of Ownership aus der Betreiber­sicht im Mittelpunkt. (afs)