Heute werden Automatisierungsanlagen für Fabriken am Computer entworfen und programmiert. Die Inbetriebnahme erfolgt jedoch häufig erst, wenn die Anlage aufgebaut und betriebsbereit ist. „Ein realitätsnaher Test des Gesamtsystems im Vorfeld ist bisher nur bedingt möglich, wodurch häufig Zeitverzögerungen und hohe Kosten entstehen," zeigt Dr. Jens Hofschulte, Gruppenleiter Robotik und Manufacturing am Forschungszentrum in Ladenburg, das Potenzial der virtuellen Inbetriebnahme auf.

Abhilfe will ABB mit der Integration von mechatronischen Komponenten, sogenannter „Smart-Components" in ihre Programmiersoftware RobotStudio schaffen. Solche Komponenten sind zum Beispiel Förderbänder, Rolltore, Sensoren oder Greifer, die über OPC in die virtuelle Umgebung der Simulationssoftware RobotStudio zu integrieren sind.

Künftig - der Release ist für das Frühjahr 2010 geplant - können dann reale oder virtuelle SPS- und Robotersteuerungen diese Smart-Components ansteuern und somit den gesamten Fertigungsablauf simulieren. Da bei ABB in den virtuellen Steuerungen das gleiche Programm läuft wie in den realen Geräten, lassen sich die Ergebnisse der virtuellen Inbetriebnahme ohne Veränderungen direkt auf die reale Anlage übertragen.

„Details wie beispielsweise synchronisierte „MultiMove"-Bewegungen mehrerer Roboter sind dabei genauso übertragbar wie Triggerpunkte für das Schalten von IO-Signalen entlang der Roboterbahn," betont Hofschulte bei seinem Vortrag in der Versuchsanlage. Die vollständige Übertragbarkeit ist dabei eine Grundvoraussetzung für den Nutzen derartiger Konzepte.

Windkraftwerke verändern die Energienetze

Vor ganz anderen Aufgaben stehen die Forscher aus dem Bereich Energietechnik. „Die Herausforderung, der wir uns stellen müssen, ist die CO2-Reduzierung und in dessen Folge der massive Einsatz von Windkraftanlagen, erläutert Peter Smits, Vorstandsvorsitzender der ABB AG und Leiter der Region Zentraleuropa, im Rahmen der Informationsveranstaltung über das ABB Forschungszentrum in Ladenburg. Voraussetzung ist ein grundlegender Umbau der Energienetze zu so genannten Smart Grids.

„Diese intelligenten Netze sind unabdingbar, um bei zigtausenden von Windanlagen die Netzstabilität zu sichern," betont Smits. Der Grund: Bei starkem Wind speisen Windkraftwerke ihre maximale Leistung ins Netz ein - bis zu einer maximalen Windgeschwindigkeit. Dann greift die Sicherheitsabschaltung, der sogenannte „Cut-Off" und die Windräder liefern innerhalb von Sekunden keinen Strom.„Eine Herausforderung für die übrigen Energieerzeuger, die Netzspannung und die Frequenz innerhalb der Vorgaben konstant zu halten," so Smits. Deshalb wird die Bedeutung von Pumpspeicherkraftwerken in Zukunft steigen, die innerhalb von Sekunden den Leistungsausfall kompensieren können.

Eine weitere Konsequenz: Die Energieerzeuger müssen ihre bisher überwiegend kontinuierlich gefahrenen Kraftwerksblöcke künftig wesentlich flexibler einsetzen, heißt öfters hoch- und herunterfahren sowie die Leistung dynamischer regeln. Die ABB-Forscher haben dazu Optimierungskonzepte für Kraftwerksblöcke entwickelt, die eine schnellere Regelung der Blöcke ermöglichen, und beim Anfahren rund 20 Prozent weniger Energie benötigen.

3D-Simulation verdeutlicht die Wechselwirkungen

Um die komplexen Zusammenhänge des Energiemix zu verdeutlichen hat ABB im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts ein Simulationsmodell entwickelt und als 3D-Energielandschaft visualisiert. Die Simulation zeigt einen Energiemix aus Wind-, Wasser- und Kohlekraftwerken.

Ziel war, die spezifischen Eigenschaften der unterschiedlichen Erzeugungsarten so auszunutzen, dass in Summe eine stabile Energieversorgung der angeschlossenen Verbraucher aus Industrie und Privathaushalten gewährleistet ist. Neben einem typischen Tagesgang über 24 Stunden wird auch die Extremsituation - Ausfall des Windparks aufgrund zu hoher Windgeschwindigkeiten während eines Sturms - simuliert.

Im Rahmen der Primärregelung müssen Pumpspeicherkraftwerk und Kohlekraftwerk eine Sekundenreserve zur Verfügung stellen, um den wegfallenden Erzeugungsanteil des Windparks schnell zu kompensieren. Darüber hinaus muss das Kohlekraftwerk im Rahmen der Sekundärregelung eine Minutenreserve aufbringen, um den Anteil der Wasserkraft wieder zurückfahren zu können.

Die mit der Computersimulation gewonnenen Ergebnisse werden verwendet, um den Betrieb realer Anlagen zu verbessern, neue Regelungsverfahren zu entwickeln und diese mittels Online-Optimierung in Leitsysteme zu implementieren. 

Der zweite Eckpfeiler bei Smart Grids bilden Informationen und Steuerungsmöglichkeiten auf der Verbraucherseite. Hier sieht Smits sein Unternehmen gut gerüstet und verweist auf verschiedene Smart-Metering-Projekte mit Energieversorgern. „Entscheidend ist das Gateway im intelligenten Stromzähler,"so Smits. Allerdings stehen Smart-Grid-Konzepte ebenso noch am Anfang wie das Projekt Desertec, das eine Stromversorgung Europas über Photovoltaikanlagen in der Nordafrikanischen Sahara zum Ziel hat.

Im Oktober wurde dazu von einem Firmenkonsortium eine Projektgesellschaft gegründet, welche die Machbarkeit untersucht. „Die Gesellschaft wird in den nächsten drei Jahren die Grundsatzfragen des Mammutprojekts klären." Parallel dazu befassen sich die Experten am ABB Forschungszentrum in Ladenburg mit den notwendigen Technologien, neben Smart Grid gehören dazu ebenso Leistungselektronik für die HGÜ-Übertragung zwischen Afrika und Europa sowie Umrichter-Technologien für Windkraftanlagen.

ABB-Forschung in Zahlen

Insgesamt investierte ABB im Jahr 2008 circa 1,2 Milliarden US-$ in Forschung und Entwicklung. Etwa 70 Prozent dieser Mittel fließen in die Produktentwicklung in den operativen Einheiten, 10 Prozent gehen in die Konzernforschung und die restlichen 20 Prozent werden für kundenspezifische Auftragsentwicklungen verwendet. Insgesamt beschäftigt ABB weltweit etwa 6.000 Mitarbeiter im Bereich Forschung und Entwicklung, verteilt auf sieben Forschungszentren. In Ladenburg arbeiten derzeit etwa 110 Mitarbeiter.

Der Fokus der Investitionen liegt im Bereich Energietechnik und Automation mit Schwerpunkten auf Themen wie Energieeffizienz, Klimaschutz und Produktivität. Dabei bilden zehn Forschungsfelder die für ABB essenziellen Kerntechnologien, von denen das deutsche Forschungszentrum acht Kerntechnologiefelder im Bereich der Automation für die Prozessindustrie, die Fertigungsindustrie und die Versorgungsunternehmen bearbeitet, darunter auch das Lebenszyklusmanagement von Produkten und -Lösungen.

Mit Service Geld verdienen

„Das Servicegeschäft ist für ABB von sehr großer Bedeutung," betont Dr. Franz Schmaderer, Leiter des ABB Forschungszentrums Ladenburg die Wichtigkeit des Live-Cycle-Managements. Im Jahr 2008 betrug der Umsatz im Servicegeschäft insgesamt 5,3 Milliarden US-Dollar - rund 15 Prozent vom Gesamtumsatz. Noch wichtiger für das zukünftige Servicegeschäft ist jedoch die große installierte Basis, deren Wert circa 170 Milliarden US-Dollar beträgt und die enorme Potenziale für unterschiedlichste Serviceangebote birgt.

Dazu Schwaderer: „In der Forschung haben wir die Bedeutung des Servicegeschäfts erkannt und unser Projekt-Portfolio entsprechend auf die Bedürfnisse der Geschäftseinheiten im Bereich Service ausgerichtet. Ein Ergebnis der Forschungen ist beisüpielsweise der im Frühjahr 2009 vorgestellte Live-Cycle-Index, mit dem Unternehmen ihre Leittechnik-Strategie analysieren und definieren können.