Reduzierte Gesamtbetriebskosten und maximale Produktivität beginnen bereits bei der Planung und Erstellung von Netzwerken auf der Feldebene. Als Stellglieder zahlreicher weiterer Komponenten beeinflussen Pneumatikven-tile unterschiedliche Faktoren in der Produktion – zum Beispiel Anlagenverfügbarkeit, Maschinensicherheit, Energie-Effizienz, Rohstoffverbrauch und oft auch die Qualität des Endprodukts. Somit gibt es gute wirtschaftliche Gründe dafür, sicherzustellen, dass diese Ventile auf hohem Niveau arbeiten. Dank intelligenter Ventile können Anwender vorhersehen, wann einzelne Komponenten kritische Grenzwerte erreichen und so frühzeitig Maßnahmen ergreifen. 

Ein Beispiel solch eines intelligenten Pneumatikventils ist die Kombination der Ventilsysteme aus der Serie ‚AV‘ mit dem ‚Smart Pneumatics Monitor‘ von Aventics.

Dieses Modul erfasst zunächst die jeweiligen Betriebszustände, analysiert die Daten und zielt schließlich mit der Bereitstellung von aufgearbeiteten Informationen auf die zustands-orientierte Instandhaltung ab. Die Daten für die Analyse liefern dabei das Ventilsystem ‚Advanced Valve‘ (AV), die Ventilelektronik ‚Advanced Electronic System‘ (AES) mit integrierter Feldbus-Anbindung sowie Eingangs-, Ausgangs- und Sensormodulen. 
 

Nahtloser Informationsfluss

Die Ventilelektronik steuert dezentral bis zu 64 Ventile mit insgesamt 128 Spulen und bis zu zehn E/A-Modulen an. Über diese E/A-Module werden Prozesssignale erfasst. Da die Elektronik die gängigen Feldbusse und Ethernet-Protokolle unterstützt, fügt sie sich ohne Zusatzaufwand in verschiedene Steuerungsumgebungen ein und erfüllt so die Grundvoraussetzungen für den nahtlosen Datenfluss von der Maschinensteuerung bis zum pneumatischen Aktor und zurück.

Bei Stoßdämpfern wie auch einer Reihe weiterer Komponenten ist eine nach­lassende Wirksamkeit durch Zeitunterschiede erkennbar. Bei der Überwachung dieses Stoßdämpfers tritt Ölverlust auf und deutet auf eine Abnutzung hin.

© Aventics

Der Smart Pneumatics Monitor stellt die ermittelten Daten und Informationen über den Zustand der Maschine über eine Ethernet-Verbindung im standardisierten Datenformat OPC-UA parallel zur Steuerung bereit, ohne deren Funktion oder die Performance des Bussystems zu beeinflussen.

Um diese aussagekräftigen Informationen zu generieren, die über reine, ab-strakte Datensätze weit hinausgehen, müsste ein SPS-Programmierer diese Verknüpfungen darstellen, für jedes Projekt neu programmieren und neben Kenntnissen diverser SPS-Sprachen über entsprechendes Pneumatik-Know-how verfügen. Denn nur so ist es möglich, aus allen existierenden Daten beispielsweise Verschleißzustände im Sinne einer prädiktiven Wartung frühzeitig zu erkennen. Theoretisch machbar, aber sehr zeitaufwendig. Abhilfe schafft der Smart Pneumatics Monitor.

In der Praxis ist er mit seiner Ethernet-Schnittstelle und den standardisierten Datenprotokollen das Bindeglied zwischen Ventilsystem und Unternehmens-IT. Sämtliche Daten der Ventile sowie von Komponenten, die an den E/A-Modulen des Ventilsystems angeschlossen sind, werden in einen Mikroprozessor eingelesen und anhand eigenentwickelter mathematischer Algorithmen bearbeitet. Über die vorhandenen Programmmodule hinaus können Anwender mit Programmierkenntnissen bei Bedarf weitere kundenspezifische Module bei Aventics entwickeln lassen. Sämtliche Module der zu bewertenden Komponenten werden anschließend in einer grafischen Oberfläche per Drag & Drop zusammengefügt und miteinander verknüpft. Diese Verknüpfung in Form einer Parametrierung ist letztlich die einzige Aufgabe, die der Anwender übernehmen muss, da nur er weiß, an welchem Eingang welcher Sensor angeschlossen wird.

Verschleiß im Fokus

Zu den Applikationen mit hohem Nutzen für den Betreiber der Maschine zählen Energieverbrauch und Verschleiß. Möchte ein Anwender mehr über den Verschleiß eines Zylinders erfahren, so kann er dies beispielsweise über die Analyse des Geschwindigkeitsprofils ermitteln. Hierzu nutzt der ‚Smart Pneumatics Monitor‘ die zur Steuerung ohnehin vorhandenen Sensoren. Diese werden in der grafischen Bedienoberfläche mit einem Softwarebaustein verbunden, dessen Funktion darin besteht, aus dem Geschwindigkeitsprofil und weiteren über das Ventilsystem zugänglichen Daten den aktuellen Zustand des Zylinders zu bestimmen. 

Pneumatikventil in Scheckkartengröße: Dank dem diagonalen Innenleben sind die 'AV'-Ventile sehr kompakt und leicht und eignen sich so insbesondere für den dezentralen Einbau.

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Diese Information wird anschließend über eine Ethernet-Schnittstelle nach außen gegeben. Dies kann zum Beispiel über den im Smart Pneumatics Monitor integrierten OPC-UA-Server geschehen. Jegliche Information, die über die angeschlossenen Sensoren aufgenommen wird, kann Aufschluss über die gesamte Applikation geben. So lassen sich zum Beispiel auch Rückschlüsse auf den Zustand von Komponenten ohne eigene Sensorik ziehen, indem beispielsweise Drücke, Durchflüsse oder Geschwindigkeiten im laufenden Prozess analysiert werden: Um etwa den Verschleiß eines Stoßdämpfers zu überwachen, wird der zeitliche Verlauf der Dämpfung kontrolliert. Dieser Verlauf gibt Aufschluss über Veränderungen des Stoßdämpfers im Laufe seiner Betriebszeit. Dadurch lässt sich ermitteln, wann der Stoßdämpfer defekt sein wird und ausgetauscht werden muss. Die hierfür erforderlichen Grenzwerte werden in der Software definiert. Im Ergebnis erhält der Anwender eine direkte Information – beispielsweise, dass der Stoßdämpfer in vier Wochen durch einen neuen zu ersetzen ist. 

Ob Energie oder Verschleiß – durch die eindeutigen Informationen über den Anlagenzustand unterscheidet sich der Smart Pneumatics Monitor von Überwachungssystemen, die nur vorhandene Daten sammeln und sie ungefiltert weiterleiten. Er stellt sämtliche Daten zusammen, wertet sie dezentral aus, analysiert sie und generiert daraus leicht verständliche Informationen, so dass am Ende ein konkreter Handlungsbedarf aufgezeigt wird.

Alternativ kann der Anwender die Daten selbst analysieren und damit beispielsweise seinen Prozess überwachen und optimieren. Die Daten lassen sich im Smart Pneumatics Monitor oder einem ERP-System verarbeiten, auswerten und speichern. Alternativ übernimmt Aventics die Auswertung und stellt Anwendern dann die fertigen Informationen und Handlungsempfehlungen zur Verfügung.

Eine weitere Funktion, die das System erfüllen kann, ist die Entlastung der Steuerung. Ein Beispiel hierfür ist die Überwachung des Energieverbrauchs: Gewöhnlich werden die Sensorsignale im Rahmen der Steuerung verarbeitet. Alternativ dazu kann ein Maschinenbauer standardmäßig immer wieder vorkommende Funktionen in den Smart Pneumatics Monitor auslagern, wo sie verarbeitet werden und im Anschluss als aufbereitete Informationen über die Ethernet-Schnittstelle in die Steuerung eingebracht werden können. Von dieser Vorverarbeitung profitiert die Steuerung durch verringerte Zykluszeiten.
 

Visualisierung via Cloud, Server & Co.

Datendrehscheibe für I4.0-Dienste: Das 'AV'-Ventilsystem samt 'AES'-Elektronik liefern Daten von angeschlossenen Komponenten an den 'Smart Pneu­matics Monitor', der daraus aufschlussreiche Infor­mationen generiert.

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Beim Erreichen definierter Grenzwerte kann die Elektronik automatisch Meldungen an angeschlossene ERP- und MES-Systeme sowie an Mitarbeiter beispielsweise in der Instandhaltung senden. Somit ebnet die Lösung in Bezug auf die Pneumatik den Weg hin zu Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge: Sämtliche Informationen, die zur realen Applikation gehören, sind dieser als virtueller Zwilling bereits beigefügt und lassen sich in eine Cloud einspielen, wo dann weiter mit ihnen gearbeitet werden kann. 

Anwender können unter verschiedenen Varianten der Darstellung und ­Kommunikation wählen. Standardmäßig ist das System sowohl mit einem in­tegrierten Webserver – so dass Anwender anhand eines Internetbrowsers Verbindung mit der Box aufnehmen und den internen Browser zur Anzeige ­nutzen können – als auch mit einem OPC-UA-Server ausgestattet, der die ­relevanten Daten zum Abruf anbietet. Grundsätzlich können aber auch Schnittstellen realisiert werden, wie etwa MQTT, einfacher E-Mail- oder SMS-Versand oder Schnittstellen zu den gängigen Datenbank- und Cloud-Diensten.

Autor: Dieter Michalkowski ist Global Account Manager und Industrie- 4.0-Experte bei Aventics in Laatzen.