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Antriebstechnik: Wie steht es um den 'Antrieb 4.0'?

Antriebe sind die Kernkomponente in der industriellen Produktion. Sie ermöglichen im Verbund mit Sensoren und Software die Digitalisierung des Produktionsprozesses und damit die Transparenz der technischen Abläufe. Kurzum: Nur mit ‚Antrieben 4.0‘ ­funktioniert auch Industrie 4.0.

Antrieb 4.0, ZVEI Bildquelle: © Fotolie / industrieblick

Damit elektrische Antriebe Industrie-4.0-fähig werden, müssen sie digital abgebildet werden. Vor diesem Hintergrund wurde bereits im Herbst 2015 ein entsprechender ZVEI-Arbeitskreis gegründet. Neben verschiedenen Herstellern von Antriebstechnik sind hier auch Vertreter aus dem Maschinenbau und den Bereichen Klassifizierung / Normung sowie der universitären Forschung involviert. Damals war Industrie 4.0 auf einem theoretischen Level beschrieben: RAMI 4.0, die Industrie-4.0-Kom­ponente und die Verwaltungsschale. All dies hat der Arbeitskreis als Input auf­genommen und es bis heute konkret für eine Produktgruppe umgesetzt und definiert.

Was macht nun einen ‚Antrieb 4.0‘ konkret aus? Im Zuge der digitalen Transformation durchläuft der Antrieb unterschiedliche Stationen im Wertschöpfungsprozess und über seinen Lebenszyklus hinweg: Von der Planung und Herstellung über die Integration in Maschinen bis hin zur Inbetriebnahme und schließlich der Nutzung im Produktionsprozess. Die einheitliche, herstellerunabhängige Bereitstellung der Daten spielt in diesem Kontext eine zentrale Rolle.

Um den Antrieb 4.0 zu beschreiben, sind zunächst  Konzepte für Semantiken und Klassifizierungen vonnöten, die mit einheitlichen Merkmalen, Daten und Funktionen einhergehen. Zur Schaffung einer einheitlichen Datenstruktur mit Industrie-4.0-Semantik wurde das auf internationalen Standards aufbauende Klassifizierungssystem eCl@ss ausgewählt. In diesem sind viele Merkmale verschiedener Bereiche der Antriebstechnik bereits definiert. Die dadurch entstehenden standardisierten Daten sind dann auch die Basis für die Erstellung von Informationsmodellen, beispielsweise für OPC UA.

Aufbau der Verwaltungsschale, ZVEI Bildquelle: © ZVEI

Prinzipieller Aufbau der Verwaltungsschale.

Aufbauend auf den Merkmalen und der Datenhandhabung hat der ZVEI-Arbeitskreis erste Vorschläge für Industrie-4.0-Funktionen erarbeitet. Dabei wurden Funktionen ausgewählt, die für den Maschinenbauer und Anlagenbetreiber eine besondere Bedeutung haben und oft bereits schon in den Antrieben integriert sind – wenn auch in herstellerspezifischer Ausführung. Als Industrie-4.0-Funktionen sind beispielsweise eine standardisierte Schnittstelle zur Auslesung des Fehler­speichers, Auto-Tuning zur unkomplizierten Inbetriebnahme, Oszilloskop-Funktion zur Aufzeichnung von Signalen in ­Echtzeit oder auch ein Energiemanagement zum Abruf der ­relevanten Verbrauchsdaten zu verstehen.

Ein wesentlicher Vorteil einer herstellerunabhängigen Beschreibung und Zugriffsebene liegt darin, dass ­Maschinenbauer und Anlagenbetreiber nicht für jeden Antrieb jedes Herstellers ein eigenes Tool benötigen. Mit anderen Worten: Die standardisierten Schnittstellen bieten Drittanbietern von Software die Möglichkeit, spezialisierte Tools auf den Markt zu bringen. Die gewonnenen Daten können aufgrund ihrer einheitlichen Darstellung aus ­unterschiedlichen Quellen (Antriebe und andere Maschinenfunktionen) zusammengeführt und ausgewertet werden.Das eröffnet neue Möglichkeiten, die Maschine in ihrer Gesamtheit zu analysieren und zu optimieren.

Wie so oft im Leben steckt der Teufel dabei im Detail. Eine einheitliche herstellerübergreifende Semantik und Definition von Funktionen ist ein Projekt, das viele Ressourcen – vor allem Zeit – erfordert. Die Defini-tion von Merkmalen für eCl@ss ist für Motoren mittlerweile abgeschlossen und mit dem Release 11 von eCl@ss komplett. Für Umrichter und weitere Komponenten muss dies allerdings noch gemacht werden. Darüber hinaus läuft die Internationalisierung der Daten
über die IEC.

Umsetzung Antrieb I4.0, ZVEI Bildquelle: © ZVEI

Zur Umsetzung eines Antriebs in eine Antriebskomponente Industrie 4.0 existieren bereits viele Normen. Daher ist zu erwarten, dass der Übergang auf Industrie 4.0 nicht disruptiv erfolgen wird.

Am weitesten sind die Arbeiten an einer einheitlichen Datenstruktur mit Industrie-4.0-Semantik. Erste Daten und Funktionen liegen vor, sodass der ZVEI-Arbeitskreis die Ergebnisse nun gemeinsam mit neun Herstellern in einem Demonstrator in die Praxis bringt – unter dem Motto: Die Vision ‚Antrieb 4.0‘ wird Realität. Dazu werden die standardisierten eCl@ss-Daten in einem OPC-UA-Informationsmodell verwendet und zwei erste Funktionen realisiert – das Auslesen des Leistungsschilds sowie das Oszilloskop. Die Hersteller stellen dabei ihre Antriebssysteme und Softwarekompetenz zur Verfügung, um einen Demon-strator in Hard- und Software umzusetzen. Das Ganze erfolgt in enger Abstimmung mit anderen ZVEI-Arbeitskreisen, aber etwa auch mit dem VDMA-Arbeitskreis Industrie 4.0/OPC UA Drive Technology und der Plattform Industrie 4.0 AG1.

Der Kern des Demonstrators aus softwaretechnischer Sicht sind Verwaltungsschalen, die auf der vorhandenen Hardware und Software der bereitgestellten Antriebssysteme aufbauen und typische Industrie-4.0-Funktionen wie ein elektronisches Typenschild sowie das Industrie-4.0-Oszilloskop anbieten. Die entsprechenden Datenstrukturen und Software-Schnittstellen werden von den beteiligten Unternehmen im Arbeitskreis in verschiedenen Ausbaustufen untereinander abgestimmt. Die Verwendung des Standards OPC UA ermöglicht schließlich eine weitgehend Plattform-unabhängige Implemen­tierung der Verwaltungsschalen. OPC UA unterstützt den Austausch von Daten ­verschiedener Geräte sowie deren Aufbereitung und Aggregation auf den übergeordneten Ebenen der Produktionssteuerung (MES, ERP usw.) – und das unabhängig von den zur Verfügung stehenden Kommunikations­protokollen (TCP/IP und UDP/IP). Dabei kommen sowohl ­Konzepte der ereignis­gesteuerten als auch der prozeduralen ­Programmierung zum Einsatz.

Ziel ist es, den Demonstrator zur Hannover Messe 2020 fertigzustellen.

Autoren: Bernhard Sattler ist Referent im ZVEI-Fachverband Automation und Stefanie Wiesner ist Referentin im ZVEI-Fach­verband Automation.