Produktionssysteme miteinander zu verketten, ist in der Industrie heutzutage gang und gäbe. Materialflusssysteme müssen dementsprechend sicherstellen können, dass die benötigten Materialen und Bauteile zur richtigen Zeit am benötigten Ort vorhanden sind und ständig wieder aufgefüllt werden. Der Haken an diesen Systemen: Fällt nur eine Komponente des Gesamtsystems aus, steht die komplette Anlage still und es kommt zu teuren Stillstandszeiten in der Produktion. Zudem sind nachträgliche Veränderungen des Materialfluss-Layouts nur mit teuren und langwierigen Aufwänden umsetzbar.

Durch neue technische Möglichkeiten, die im Zuge der vierten industriellen Revolution entstehen, werden sich in den nächsten Jahrzehnten die Produktions- und Logistikprozesse allerdings stark verändern: Vernetzte Maschinen, Lagersysteme, Produkte und Betriebsmittel verschmelzen zu Cyber-Physical Systems (CPS), die eigenständig Informationen austauschen, Aktionen auslösen und sich gegenseitig steuern, was zu einer völlig neuen Produktionslogik führt. Das bedeutet aber auch: Gerade im horizontalen Materialfluss sind die Tage zentral gesteuerter, unflexibler Lösungen gezählt, weil in der Zukunft Fördergüter selbstständig ihren Weg durch die Produktion suchen und finden.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes 'vernetzte, kognitive Produktionssysteme'– kurz 'netkoPs' – wird aktuell ein dafür benötigtes, dezentral gesteuertes Materialflusssystem für die Produktion und Intralogistik entwickelt. An diesem Ziel arbeiten das Institut für Integrierte Produktion in Hannover (IPH) und das Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) der Uni Hannover gemeinsam mit den Projektpartnern Continental, Dream Chip, Gigatronik, ITA, Transnorm und Lenze.

Grundlage des Materialflusssystems, das im Rahmen des 'netkoPs'-Projektes entsteht, ist die durchgängige Vernetzung der Förder- und Produktionsmittel, die einen parallelen Fluss von Material und Informationen ermöglicht. Die Aufgabe der Materialflusssteuerung wird durch ein neuartiges Produktrouting realisiert, das dezentral in jedem Förderelement als integrierte Steuerung vorhanden ist und – im Austausch mit seinen jeweiligen Nachbarn – die Routenplanung der einzelnen Fördergüter durchführt. Eine übergeordnete, zentrale Materialflusssteuerung ist nicht notwendig.

Die entscheidungsfähige Fördermatrix

Gemeinsam mit der Routenplanung und der Vernetzung beziehungsweise Datenkommunikation ist die entscheidungsfähige Fördermatrix ein Kern-element der cyber-physischen Fördertechnik. Die Fördermatrix (Bild 1, links) besteht aus vielen kleinskaligen Fördermodulen (Bild 1, rechts), die in der Lage sind, miteinander zu interagieren, und unabhängig voneinander Förder- und Schwenkbewegungen durchführen können. Jedes einzelne Fördermodul besteht dementsprechend jeweils aus einem Förder- und einem Schwenkantrieb.

Durch das Zusammenspiel mehrerer dieser Fördermodule in einem Matrixverbund ist es möglich, eine lokale Entscheidungsfindung und ein situationsabhängiges Routing für den reibungslosen Materialfluss zu realisieren. Dadurch ergeben sich neue intralogistische Freiheitsgrade auf der Fördermatrix, die neben einem Transportieren sowie dem Ein- und Ausschleusen ebenso ein Drehen, Ausrichten, Stauen, Vereinzeln, Zusammenführen, Sequenzieren oder Speichern von Fördergütern ermöglicht. Im Forschungsprojekt werden sowohl Routenplanung als auch die Vernetzung und die Datenkommunikation sowie die Entwicklung eines neuartigen Antriebssystems umgesetzt.

Aus der Umsetzung der intralogistischen Funktionen und der wirtschaftlichen Realisierbarkeit der Fördermatrix resultieren hohe Anforderungen an die Aktoren beziehungsweise die Steuerungstechnik der einzelnen Fördermodule. Der begrenzte Platz führt zum Beispiel dazu, dass hochintegrierte Antriebskonzepte mit hoher Leistungsdichte und hoher Effizienz zur Begrenzung des Verlustwärme-Eintrags (Motoren und Umrichter) notwendig sind. Zudem müssen die Antriebe die technischen Voraussetzungen erfüllen, um die intralogistischen Funktionen präzise ausführen zu können. Dazu gehören einerseits ein dynamischer, drehzahlsynchroner Betrieb mehrerer Förderantriebe (zum Beispiel beim Fördern oder Sequenzieren) und andererseits ein exaktes Ausrichten/Positionieren der Schwenkantriebe (zum Beispiel beim Drehen). Aufgrund der vielen einzelnen Fördermodule dürfen diese schlussendlich nicht zu kostenintensiv sein, um das System wirtschaftlich betreiben zu können.

Bild 2: Zwei zentrale Komponenten des Förderantriebs: Links der in die Förderrolle integrierte Fördermotor, rechts daneben der steuernde Wechselrichter. © Lenze

Bild 2 (links) zeigt den Prototypen des neuentwickelten Förderantriebs. Angelehnt an das Basisprinzip eines Verniermotors wurde der Motor des Förderkonzeptes weiterentwickelt. Dieser Motor ermöglicht ein hohes Drehmoment selbst bei niedrigen Drehzahlen und erfüllt somit ideal die Anfor-derungen der Fördertechnik bezüglich Fördergeschwindigkeit und Kraft zum Beschleunigen für Fördergüter. Aufgrund des hohen Drehmoments kann auf ein Getriebe gänzlich verzichtet werden. Der Motor ist darüber hinaus als Außenläufer ausgeführt, bei dem die mittlere Achse steht und die rota-torische Energie direkt über die drehende Außenhülle des Motors auf das Transportgut übertragen werden kann. Diese und weitere konstruktive Besonderheiten, wie zum Beispiel ein spezielles Design für eine gute geberlose Regel- und Beobachtbarkeit, führen zu einem kompakten Direktantrieb mit sehr hoher Leistungsdichte, hoher Überlastfähigkeit und einer guten Energie-Effizienz.

Gespeist wird der Motor durch einen ebenfalls neuen Umrichter/Wechselrichter (Bild 2, rechts), der im unteren Teil des Fördermoduls integriert ist. Eine spezielle geberlose Regelung des Motors ersetzt den Einsatz eines Dreh- und Lagesensors, der durch seinen Preis nicht nur die Wirtschaftlichkeit aufs Spiel setzen würde, sondern darüber hinaus auch noch zu viel Platz einnimmt und besonders störempfindlich ist. Weiterer Vorteil: Die geberlose Regelung des Motors erfüllt die Anforderungen einer hohen Drehzahlgenauigkeit, Positionierfähigkeit und Dynamik, wodurch die drehzahl- und lagesynchronen Bewegungen respektive Positionierungen mehrerer Module im Verbund er­möglicht werden. Dadurch eignet sich das Antriebskonzept ebenso für den Schwenkantrieb, mit dem die ­einzelnen Förderantriebe in die gewünschte Förderrichtung ausgerichtet werden.

Für den Austausch von Informationen sowie für das dezentrale Produktrouting sind die einzelnen Förderantriebe untereinander und mit den an der Fördermatrix angeschlossenen Förderelementen vernetzt. Neben dem Datenaustausch findet ein optimierter Energie-Austausch statt: Hier kann die Bremsenergie von Transportgütern zur Beschleunigung eines anderen Transportgutes direkt weiterverwendet werden, da die einzelnen Fördermodule über einen Zwischenkreis gekoppelt sind. Auf den Punkt gebracht: Durch den Verzicht auf Getriebe und Geber und durch das neuartige Design des Motors und des Wechselrichters lassen sich die Systemkosten signifikant reduzieren, so dass die Vision eines wirtschaftlichen Betriebs einer Fördermatrix in greifbare Nähe rückt.

Mit der im Rahmen von 'netkoPs' realisierten Fördermatrix lassen sich sowohl bestehende Anlagen nachrüsten als auch neue Fabriken planen. Welche Vorteile damit zum Beispiel in einem Paketverteilzentrum verbunden sind, belegt der Wegfall räumlich ausladender Sortiereinrichtungen, bei der das Transportgut erst lange im Kreis fährt, um nach und nach durch Kippschalen das Ziel zu erreichen.

Autoren:
Heiko Stichweh ist disziplinarischer Leiter des Bereichs Innovation bei Lenze;
Matthias Theßeling ist Doktorand bei Lenze.

Fabriken, die mitdenken

Das Projekt 'netkoPs' (Vernetzte, kognitive Produktionssysteme) ist am 1. November 2013 gestartet und läuft über drei Jahre. Im Rahmen des Forschungsprogramms 'Industrie 4.0' wird es vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und vom Projektträger Karlsruhe betreut. Die Antriebstechnik, um jedes dieser Förderelemente einzeln anzutreiben und zu steuern, entwickelt die Firma Lenze. Das Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) der Leibniz Universität Hannover schreibt die Algorithmen, die zur selbstständigen Routenführung nötig sind, und Dream Chip Technologies (Garbsen) implementiert diese in die Hardware. Das Unternehmen Transnorm System (Harsum) baut schließlich einen Prototypen der Fördermatrix, der dann bei verschiedenen Anwendungspartnern getestet werden soll – unter anderem bei der Firma Continental Automotive. Mit deren Praxiserfahrung aus der Produktion hilft sie von Anfang an dabei, die Anforderungen an das System zu definieren und später zu überprüfen.

Schlussendlich sollen von den Forschungsergebnissen produzierende Unternehmen aus allen Branchen profitieren: Mit dem Vernetzungsmodul und der Fördermatrix lassen sich nach dem Willen der Forscher sowohl bestehende Anlagen nachrüsten als auch neue Fabriken planen: und zwar Fabriken, die mitdenken!