Für die vierte industrielle Revolution – Industrie 4.0 – müssen Maschinen, Geräte, Sensoren und Menschen nahtlos miteinander kommunizieren und Daten austauschen können, um Produktionskosten zu senken und klare Vorteile im globalen Wettbewerb zu schaffen. Mithilfe Cloud-basierter Dienste können Produktionsressourcen und sogar ganze Produktionsstandorte miteinander vernetzt werden. In der Automatisierungstechnologie ist es häufig effizient, modular verteilte Systeme (beziehungsweise weitgehend dezentralisierte Systeme) zu entwickeln, weil dadurch der Entwicklungsaufwand reduziert, Upgrades einfacher durchgeführt und Wartungskosten gesenkt werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen einfache Komponenten wie Antriebe mit variabler Drehzahl, Schütze, Schalter und Taster zu kommunikationsfähigen Geräten werden, die auf Basis von Umgebungsdaten eigenständige Entscheidungen treffen können. Das macht sie zu intelligenten Komponenten – auch ‚Smart Devices‘ genannt. Bei der Konzeption einer für Industrie 4.0 geeigneten Maschine sollten diese Komponenten zu den allerersten Modulen gehören und nicht erst in nachgelagerten Phasen eingebunden werden.
Vom intelligenten Gerät zum cyber-physischen Produktionssystem
Wenn eine Komponente wie beispielsweise ein Motor zusammen mit Sensoren und einem intelligenten Gerät verwendet wird, kann sie ein cyber-physisches System (CPS) bilden. Bei einer Maschine mit mehreren Motoren können diese CPS-Einheiten miteinander kommunizieren und zu einem unabhängigen cyber-physischen Produktionssystem (CPPS) zusammengefasst werden. Nur Produktionsanweisungen (z.B. eine Konfigurationsänderung) oder CPPS-Informationen, die externe Aktionen wie eine vorausschauende Wartung erfordern, werden über Industriestandardprotokolle wie OPC UA zwischen dem CPPS und dem Steuersystem der Smart Factory ausgetauscht. Bei diesem dezentralisierten Ansatz wird die Menge der ‚Big Data‘, die in die Cloud übertragen werden, verringert.
Motorschutz mit Zusatznutzen
Ein Beispiel dafür, wie ein Gerät durch diese Technologie intelligent werden kann, sind der Motorschutzschalter PKE mit elektronischem Überlastschutz oder der Drehzahlstarter DE1 von Eaton. Durch die Verbindung dieser und anderer intelligenter Geräte wie Sensoren und Stellgliedern mit dem intelligentem Verdrahtungssystem Smartwire-DT wird das Schaltgerät auf einfache Weise zu einem CPS. Über die jeweilige Elektronikeinheit können der PKE und der DE1 Daten wie beispielsweise die Stromaufnahme des Motors erfassen, mit weiteren Statusinformationen ergänzen und über das intelligente Verdrahtungssystem weiterleiten. Diese Eigenschaften alleine reichen jedoch noch nicht aus, um alle Anforderungen an ein intelligentes Gerät zu erfüllen. Das Verbindungsmodul für das intelligente Verkabelungssystem muss dafür mit einem Asic-Modul der neuesten Generation ausgestattet sein. Das Asic-Modul kann nicht nur Daten analysieren, die von einer Motorschutzkomponente wie dem Drehzahlstarter geliefert wurden, sondern bietet noch ausreichend Programmspeicher und Rechenkapazität, um die Daten zu analysieren und zu interpretieren, um auf dieser Basis autonome Entscheidungen zu treffen. Dies könnte beispielsweise die Erhöhung der Motordrehzahl sein. In der Kombination mit anderen Sensoren entsteht ein CPS. Ein Beispiel dafür wäre ein Transportelement eines Fördersystems, das in der Lage ist, unabhängig eine Kommunikation mit einem anderen CPS herzustellen. Diese bilden die ersten Module eines konsistenten, modularen und dezentralisierten Systems. Alle Abweichungen von der normalen Motorstromstärke werden sofort erkannt, ohne dass zusätzlicher Aufwand und weitere Kosten für zusätzliche Messtechnik anfallen. Steigende Werte können Anzeichen von Verschleiß sein und für die rechtzeitige Planung von Wartungsarbeiten genutzt werden. Bei einer Pumpe kann ein Rückgang der Stromstärke darauf hindeuten, dass die Pumpe trocken läuft. Falls eine Überlastung droht, können Gegenmaßnahmen innerhalb der Maschine oder des Systems ergriffen werden, um ein Auslösen des Schutzschalters und damit einen Maschinenstillstand zu vermeiden. Umgekehrt ist es durch Berücksichtigung des Status der einzelnen Motoren bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen möglich, ein Förderband so ideal zu beladen, dass es immer mit maximaler Produktionskapazität ohne Überlastung seiner Bauteile läuft. In diesem Szenario sorgt ein intelligentes Gerät nicht nur für einen zuverlässigen Betrieb und eine höhere Verfügbarkeit, sondern ermöglicht auch eine optimale Auslastung.
Aufbau eines CPS aus Komponenten im Schaltschrank und im Feld
Die Nutzung eines intelligenten Verkabelungs- und Kommunikationssystems ist nicht nur auf den Schaltschrank beschränkt. Es kann unter Verwendung von E/A-Modulen, die nach IP67 geschützt sind, auch auf Peripheriegeräte ausgedehnt werden. Intelligente Verkabelung bietet klare Vorteile: Bis zu 99 Geräte können schnell und einfach als intelligente Geräte an ein einziges Kabel mit bis zu 600m Länge angeschlossen werden. Motorstarter, Softstarter, Antriebe mit variabler Drehzahl, Leistungsschalter, Miniatur- und Fehlerstromschutzschalter sowie Taster, die in einem geeigneten Gehäuse mit hoher Schutzklasse untergebracht sind, können im Feld genau dort installiert werden, wo sie zusammen mit dem Motor ein CPS bilden. Die wahre Stärke zeigt sich bei Maschinen mit einer verteilten Struktur (besonders dann, wenn sie Industrie-4.0-konform sind), wenn Erweiterungen durchgeführt werden. Dies ist unabhängig davon, ob die Erweiterung bei erstmaliger Inbetriebnahme oder im laufenden Einsatz vorgenommen wird. Probleme aufgrund von Platzmangel im Schaltschrank gehören der Vergangenheit an, da alle wichtigen Sensoren und Stellglieder im Feld installiert werden. Zusätzliche E/A-Module für eine zentrale SPS sind nicht erforderlich.
