ZVEI-Show-Case Product Carbon Footprint (PCF) Control Cabinet

Mehrwert veranschaulichen

Digitales Typenschild, digitaler Zwilling, Verwaltungsschale: In Zusammenhang mit der smarten Fabrik fallen diese Begriffe immer wieder. Die meisten haben sie schon einmal gehört. Einige haben sich schon damit beschäftigt, für viele klingen sie noch recht abstrakt. Dabei sind die Möglichkeiten, die diese Konzepte eröffnen, enorm. Das will der ZVEI, der Verband der Elektro- und Digitalindustrie, mit einem Show-Case namens PCF@Control Cabinet jetzt zeigen. SCHALTSCHRANKBAU und SPS-MAGAZIN werden die Anwendung in den nächsten Monaten näher begleiten und sprachen dazu eingangs mit Initiator Prof. Dr. Dieter Wegener, Sprecher des ZVEI-Führungskreises Industrie 4.0.
Bild 1 | Am Zvei-Show-Case PCF@Control Cabinet arbeiten rund 100 Teilnehmer in fünf Arbeitsgruppen.
Bild 1 | Am Zvei-Show-Case PCF@Control Cabinet arbeiten rund 100 Teilnehmer in fünf Arbeitsgruppen.Bild: ZVEI e.V.

Der Führungskreis Industrie 4.0 im ZVEI wurde im Oktober 2013 ins Leben gerufen, um Konzepte für die intelligente Fabrik zu entwickeln. Zentraler Aspekt dabei ist es, die bisher völlig getrennt voneinander agierenden operativen Technologien (Englisch Operational Technology – OT), die die Maschinen und Anlagen eines Industriebetriebs steuern, mit der IT- und damit der Netzwerk-Ebene zu verschmelzen. Ultimatives Ziel: Jedes Industrie-4.0-kompatible Gerät – egal ob Sensor, SPS, Werkzeugmaschine oder ganze Fertigungsstraße – soll mit anderen Industrie-4.0-geeigneten Geräten kommunizieren können – und zwar unabhängig vom Hersteller.

„Zu diesem Zweck haben wir das universale Konzept der Verwaltungsschale, auf Englisch Asset Administration Shell, ins Leben gerufen. Sie ist die datenbasierte Abbildung eines Assets aus der physischen Welt und organisiert die Interoperabilität zwischen OT und IT. Die Verwaltungsschale besteht aus unterschiedlichen Teilmodellen, über die beliebig viele Applikationen angeschlossen werden können“, erläutert Dieter Wegener. Da dies aber immer noch sehr theoretisch und abstrakt ist, ist es entscheidend, den Nutzen der Verwaltungsschale anhand eines konkreten Anwendungsfalls zu veranschaulichen

 Bei der im Siemens-Werk Amberg gefertigten S7-1500-Steuerung sind zunächst 91 Prozent des CO2-Fußabdrucks intransparent, da sich der Wert aus der Zulieferer-Kette speist.
Bei der im Siemens-Werk Amberg gefertigten S7-1500-Steuerung sind zunächst 91 Prozent des CO2-Fußabdrucks intransparent, da sich der Wert aus der Zulieferer-Kette speist.Bild: ZVEI e.V. 7 Siemens AG

Zwei miteinander verzahnte Anwendungsfälle

Jedes in der Industrie eingesetzte Gerät enthält ein Typenschild, das zumeist in Form eines Aufklebers oder Aufdrucks am Produkt angebracht ist und rudimentäre technische Daten bereitstellt. Weitergehende Geräteinformationen sind dann normalerweise einem Beipackzettel zu entnehmen. „Der Führungskreis Industrie 4.0 hatte die Idee, das analog vorhandene Typenschild durch ein digitales in Form eines QR- oder Data-Matrix-Codes zu ersetzen. Über den Scan des digitalen Typenschilds mittels einer auf einem Smartphone oder Tablet installierten App wird der Anwender auf eine Webseite des Herstellers weitergeleitet, auf der alle relevanten Daten zu einem Produkt abgelegt sind“, so Wegener.

Positiver Nebeneffekt: Die Digitalisierung der Informationen trägt zur Umweltverträglichkeit bei, da der Beipackzettel entfällt. Wegener, der gleichzeitig Head of External Cooperation bei Siemens ist, veranschaulicht dies anhand eines Beispiels: „Wir haben ein I/O-Schaltschrankmodul in unserem Portfolio, das u.a. im Siemens-Werk Amberg gefertigt wird. Durch den Verzicht auf einen gedruckten Beipackzettel würden wir allein für dieses Produkt in diesem einen Werk jährlich 12,5 Tonnen Papier einsparen.“ Fungiert die Anwendung des digitalen Typenschilds gewissermaßen als Türöffner, so muss der ‚Raum‘, der nun betreten wird, noch mit Leben gefüllt werden. Dies geschieht mit dem zweiten Anwendungsfall, nämlich der Bestimmung des CO2-Fußabdrucks (Englisch Product Carbon Footprint, PCF) eines Schaltschranks (Englisch Control Cabinet). Aber warum ausgerechnet ein Schaltschrank? Hierzu Wegener: „In einem Schaltschrank sind üblicherweise zahlreiche Komponenten unterschiedlicher Anbieter verbaut. Damit lässt sich geradezu idealtypisch eine herstellerübergreifende Interoperabilität demonstrieren.“ Inhaltlich hätte die CO2-Thematik nahegelegen, da sich die Industrie vor dem Hintergrund der ambitionierten Ziele des von der EU beschlossenen European Green Deal ohnehin intensiv damit auseinander setzt. Denn eine CO2-Bepreisung von Produkten sei heute bereits absehbar. Die Verwaltungsschale eines jeden Assets, das in den Schaltschrank eingebaut wird sowie der Schaltschrank in seiner Gesamtheit, besteht nun aus den beiden Teilmodellen ‚digitales Typenschild‘ und ‚PCF-Wert‘.

 Das Beispiel der M8-Schraube verdeutlicht, wie unterschiedlich die CO2-Werte einer Komponente sein können, je nachdem, wo diese hergestellt wird.
Das Beispiel der M8-Schraube verdeutlicht, wie unterschiedlich die CO2-Werte einer Komponente sein können, je nachdem, wo diese hergestellt wird.Bild: ZVEI e.V. / Siemens AG

Teilnehmer, Arbeitsgruppen und Vorgehensweise

Nach dem Kick-Off von PCF@Control Cabinet Ende Juni letzten Jahres fanden sich rasch 100 Teilnehmer aus rund 30 Unternehmen und Organisationen, die sowohl ihre Produkte als auch Expertise in den Show-Case einbringen. So werden Gehäuse, Lüfter, SPS, Frequenzumrichter, Reihenklemmen, Motorschutzschalter, bis zum Sensor allesamt von unterschiedlichen Herstellern geliefert.

Gearbeitet wird in fünf Gruppen: Gruppe 1 fokussiert den eigentlichen Schaltschrank, die dort verbauten Komponenten sowie die konkrete Umsetzung des Demonstrators. Gruppe 2 behandelt das Thema Digitalisierung und beschäftigt sich vornehmlich mit der Verwaltungsschale und deren Teilmodellen. Um Security & Identity kümmert sich die 3. Arbeitsgruppe. „Dabei geht es um Identitätsprüfung, dass also die digital in der Verwaltungsschale beschriebenen Produkte tatsächlich den verbauten physischen Assets entsprechen und es sich hierbei nicht um Fälschungen handelt“, erklärt Dieter Wegener.

Gruppe 4 hat die Nachhaltigkeit zum Thema und beleuchtet die Methoden, Datenmodelle und -qualität zur Ermittlung der PCF-Werte. Arbeitsgruppe 5 hat schließlich die relevanten Normen und Standardisierungen im Blick sowie die Interaktion mit existierenden Daten-Ökosysteme wie z.B. Catena-X, Gaia-X, Estainium. Jeder Lieferant einer Schaltschrank-Komponente ist nun dafür verantwortlich, den PCF-Wert seines Produktes zu ermitteln. Wie komplex diese Aufgabe sein kann, erläutert Wegener anhand einer M8-Schraube: „Diese Schraube hat ein Eigengewicht von 15g. Wird sie in Frankreich gefertigt, beträgt ihr CO2-Wert 57g CO2-e, wird sie in China hergestellt, sind es hingegen 79g CO2-e. Dies hängt mit den unterschiedlichen Formen der Energiegewinnung in den Ländern zusammen.“

Grundsätzlich setzt sich der CO2-Wert eines Produktes aus den Bestandteilen Scope 1 – 3 zusammen. Dabei bilden Scope 1 und Scope 2 die direkten Emissionen im Werk des Herstellers sowie den Anteil an Energie ab, der bei der Fertigung des Produkts verbraucht wird. Scope 3 ist der Wert, der sich aus der Lieferkette der Einzelkomponenten errechnet, um das Produkt herzustellen. Diese Werte müssen zur Ermittlung des CO2-Fußabdrucks addiert werden. „Bei einer S7-1500-Steuerung von Siemens beispielsweise betragen Scope 1 und 2 zusammen lediglich rund 10 Prozent des gesamten CO2-Wertes. 90 Prozent entfallen auf Scope 3 und sind damit zunächst einmal intransparent. Die 10 Prozent können wir sehr zuverlässig ermitteln. Für den großen Rest sind wir auf die Angaben unserer Zulieferer angewiesen“, schildert Wegener die Herausforderung.

Je nach technischer Komplexität der Komponente und Fertigungstiefe bei deren Hersteller kann dies mehr oder weniger Aufwand bedeuten (siehe auch Interview mit Wöhner-CEO Philipp Steinberger in dieser Ausgabe ab Seite 60). Der CO2-Fußabdruck des gesamten Schaltschranks errechnet sich dann aus der Addition aller PCF-Werte der Einzelkomponenten, aus denen er besteht. Vorerst im Show-Case nicht berücksichtigt ist der CO2-Fußabdruck des Schaltschranks, der während seines Betriebs entsteht. Er soll aber gegebenenfalls zu einem zukünftigen Zeitpunkt mittels eines Use-Cases exemplarisch berechnet werden.

 Beim Demonstrator setzt sich jede im Schaltschrank verbaute Komponente auf der Verwaltungsschale aus den Teilmodellen 'digitales Typenschild' und 'PCF-Wert' zusammen.
Beim Demonstrator setzt sich jede im Schaltschrank verbaute Komponente auf der Verwaltungsschale aus den Teilmodellen 'digitales Typenschild' und 'PCF-Wert' zusammen.Bild: ZVEI e.V.

Präsentation in drei Stufen

Der ZVEI plant eine dreistufige Vorstellung der Applikation, da es sich um ein ‚Work in Progress‘ handelt und man nicht bereits in diesem Frühjahr mit finalen Ergebnissen rechne. Erste Resultate sollen der Öffentlichkeit während der auf Ende Mai 2022 verschobenen Hannover Messe präsentiert werden. Den Fortschritt des ZVEI-Show-Cases gibt es dann auf der SPS in Nürnberg Anfang November zu sehen, bevor auf der Industriemesse in der niedersächsischen Landeshauptstadt im kommenden Jahr die finale Version des Demonstrators, der im Siemens-Werk in Chemnitz gebaut wird, zu sehen sein wird. Letztendlich sollen Besucher des ZVEI-Messestands mit Hilfe einer App und der digitalen Typenschilder der einzelnen Komponenten auf die PCF-Werte zugreifen können. Werden die Komponenten im Schaltschrank montiert, wird nach Scan des digitalen Schaltschrank-Typenschilds dessen Gesamt-PCF-Wert angezeigt.

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