Von stabilen Prozessen zu messbarem Mehrwert
Sensoren, Leistungsregler und IoT-Plattform schaffen Infrastruktur für effiziente Produktionsprozesse
Danica Schwarzkopf, Marketing
Weniger Ausfallzeit, höhere Qualität, geringerer Energieeinsatz. Das erwarten viele Hersteller von IoT-Plattformen. In der Praxis reicht Software allein jedoch nicht aus. Erst das Zusammenspiel aus Sensorik, Leistungsregelung und vernetzter Datenauswertung schafft die Grundlage, um Produktionsanlagen tatsächlich effizienter zu betreiben.
Wer von Ralph Rohmann, Technical Director bei Gefran, wissen will, ob die Investition in eine IoT-Plattform der perspektivisch beste Weg zu einer effizienten Produktion ist, erhält von ihm ein klares „Jein”. Ralph Rohmann ist für das Business Development im Unternehmen Gefran zuständig, das sich auf Komponenten und Systeme für die industrielle Automatisierung spezialisiert hat. IoT-Plattformen sind Teil des Portfolios des internationalen Herstellers, der kostensensible Branchen wie die Kunststoffverarbeitung, Verpackungsproduktion oder Metallbearbeitung berät und beliefert.
Ralph Rohmann zweifelt daher keinesfalls am Nutzen der IoT-Technologien, um damit beispielsweise die Energie- und Materialnutzung einer Produktionsanlage zu optimieren. Allerdings: „Es sind nur Einzellösungen. Wer Energieeinsatz, Produktqualität und Anlagenverfügbarkeit optimieren will, muss seine Betrachtung weiter fassen“, empfiehlt er. „IoT entfaltet seinen Nutzen erst dann voll, wenn ausreichend prozessnahe Messdaten vorliegen und Stellgrößen automatisiert in die Anlagensteuerung zurückgeführt werden. Entscheidend ist dafür eine Infrastruktur aus Messen, Regeln und Vernetzen.“
Robuste Sensorik für prozessnahe Messdaten
Die Sensorik liefert zu allen relevanten Prozessparametern eine Datenbasis, die belastbar ist. Belastbar bedeutet vor allem präzise und prozessnah. An der Entwicklung der Sensoren in den vergangenen Jahren zeigt sich, worauf es dabei ankommt: Sie werden immer kompakter, kommunikativer und intelligenter. „Wir können heute an praktisch jedem Prozesspunkt messen“, so Ralph Rohmann. „Entscheidend ist, sich auf zielführende Werte festzulegen. Erst dann führen Drücke, Wege, Kräfte und Temperaturen nicht zur Informationsüberlastung, sondern werden im Zusammenspiel mit einer Steuerung zu nutzbaren Größen.“
Gefran etwa verfügt über Positions-, Druck-, Kraft- und Temperatursensoren, die in Applikationen von der Prozesssteuerung über die Automation bis hin zur funktionalen Sicherheit und dem Condition Monitoring zum Einsatz kommen. Sie bilden alle relevanten Messgrößen ab, mit denen sich Zykluszeiten, Produktqualität und damit die Effizienz von Fertigungsprozessen abbilden und steuern lassen. Wie Maschinen konkret davon profitieren, zeigen folgende Beispiele:
Positionssensoren sorgen dafür, dass alle Bewegungen in einer Maschine wiederholgenau ausgeführt werden. In einer Spritzgießmaschine ist das beispielsweise für die Einspritzeinheit notwendig. Mit einem exakten Hub bringt sie stets die richtige Materialmenge in das Formwerkzeug. Schon geringe Abweichungen können dem Formteil schaden, die Produktqualität beeinträchtigen und den Produktionsfluss verlangsamen.
Drucksensoren sind vor allem in hydraulisch betriebenen Anlagen für die Überwachung des Hydraulikkreises entscheidend. Bewegungen können dadurch sicher gesteuert und Anomalien frühzeitig erkannt werden. Hier kommt zur kompakten Bauweise auch ein besonders hoher Bedarf an Robustheit hinzu, um im Umfeld des Hydrauliköls verlässlich präzise Messwerte zu liefern.
Kraft- und Dehnungssensoren sichern mit ihrer Messung sowohl die Produktqualität als auch die Langlebigkeit von Werkzeugen und Maschinen. Sie überwachen beispielsweise Lastverteilungen durch Schließkräfte und erkennen so Ungleichgewichte infolge von Verschleiß, Einrichtungsfehlern oder Verformungen. Zugleich ermöglichen sie ein gleichmäßiges Einbringen des Materials in die Form. Auf Basis ihrer Messwerte lassen sich Geschwindigkeit und Druck von Einspritzmotoren präzise regeln. Die Temperatur ist in vielen thermoabhängigen Prozessen eine entscheidende Messgröße, um sicherzustellen, dass geschmolzene Metalle oder Kunststoffe auf der idealen Temperatur gehalten werden. Die Sensoren ermöglichen, dass die Schmelze homogen und fließfähig bleibt. Das Einspritzen kann mit einer konstanten Qualität wiederholt werden.
Elektrische Leistungsregler für einen effizienten Energieeinsatz
Die Aufgabe der Leistungsregler: Sie setzen Sollwertvorgaben in geregelte elektrische Leistung um. Vor allem in energieintensiven Anwendungen sind sie damit eine maßgebliche Komponente für den effizienten Einsatz von Energie. „Auch wenn sie mechanische Schützen nach und nach ablösen: Elektrische Leistungssteller und Halbleiterrelais sind in der industriellen Automatisierung und Prozesstechnik noch oft unterschätzte Hebel“, betont Ralph Rohmann. „Sie sind in der Lage, mit hohen Schaltfrequenzen Energie exakt zu dosieren. Das führt zu einer optimalen Systemauslegung, was wiederum den Verschleiß und die Wartungskosten verringert.“
Die elektrische Leistungsregelung beim industriellen elektrischen Heizen stellt gleichmäßige Temperaturen, hohe Effizienz und einen unterbrechungsfreien Betrieb sicher. Die Systeme müssen sich an unterschiedliche Lastarten von linearen Heizwiderständen bis hin zu Transformatoren anpassen und auch bei Prozessschwankungen stabil bleiben. Gefran bietet Leistungssteller und Halbleiterrelais, die eine flexible Steuerung mit einphasigen, zweiphasigen oder dreiphasigen Anschlüssen bieten.
Die Leistungssteller decken Nennströme bis 700 A ab. Sie sind optional mit integrierter PID-Regelung und Smart-Energy-Management ausgestattet. Die Halbleiterrelais sind für ein- und dreiphasige Lasten mit Nennströmen bis 120 A erhältlich. Mithilfe von Advanced-Diagnostic-Funktionen ermöglichen sie die Überwachung von Lastunterbrechungen. Über Kommunikationsprotokolle wie Modbus, Ethercat und IO-Link können die Leistungsregler in die SPS eingebunden werden und ermöglichen damit unter anderem ein automatisiertes Wärmemanagement.
Und: Die präzise Regelung der Heizprozesse ist auch entscheidend für die Produktqualität. Wenn beispielsweise in der Kunststoffverarbeitung geschmolzenes Granulat geformt oder gespritzt werden muss, verhindert die optimale Temperatur Verfestigungen und sorgt für eine gleichmäßige Füllung. Das hält zudem die Zykluszeiten kurz.
IoT-Vernetzung erzeugt kontextualisiertes Wissen
Die Aufgabe der IoT-Plattform: Sie vernetzt die Informationen aus der Maschine und ordnet sie in den Prozesskontext ein. Es entsteht kontextualisiertes Wissen, das Anwendern zu mehr Transparenz in ihrem Prozess verhilft. „Sensorik und Leistungsregelung bilden bereits die operative Basis eines stabilen Prozesses“, so Ralph Rohmann. Eine IoT-Plattform ergänzt diese Ebene um Zustandsüberwachung, Trendanalyse und bereichsübergreifende Auswertung. „Erst dadurch lassen sich Optimierungspotenziale systematisch erkennen und in konkrete Maßnahmen übersetzen.“
Die IoT-Lösung von Gefran heißt Max. Lokal oder in der Cloud integriert erfasst sie Echtzeitdaten aus den Maschinen. Diese werden in einer Datenbank gespeichert und in den Softwaremodulen der Plattform analysiert. Über intuitive Dashboards erhalten Anwender auf diese Weise einen Überblick über Energieverbrauch und Leistung ihrer Anlagen. KPIs, Alarme und der Maschinenstatus lassen sich damit in Echtzeit überwachen. Max umfasst verschiedene Softwaremodule; die Anbindung erfolgt über gängige Industrieprotokolle wie OPC-UA, Modbus oder MQTT.
Ergänzt wird das System von Gaia, einem KI-basierten Assistenten. Er unterstützt Anwender kontextbezogen bei der Bedienung der Anlage. Sie erhalten Informationen über Maschinen, KPIs, Anomalien oder technische Dokumentationen. Das erfolgt über direkte Fragen statt über die Navigation durch Menüs. Reaktions- und Interventionszeiten werden dadurch deutlich verkürzt.
„Anwender bemängeln oft, dass Daten meist isoliert für einzelne Prozesse verfügbar sind“, so Ralph Rohmann. „Max und Gaia lösen Informationssilos auf. Bediener und Manager erhalten die Möglichkeit, Produktionsdaten in operativen und wirtschaftlichen Nutzen zu übersetzen.“ Bis zu 30 Prozent weniger Ausfallzeiten seien damit schon erreicht worden, sagt er. Wie stark der Effekt ausfällt, hängt jedoch von den jeweiligen Prozessen, der Datenqualität und dem Integrationsgrad der Anlage ab. „Es braucht die Infrastruktur aus Messen, Regeln und Vernetzen, sagt Ralph Rohmann von Gefran: „Sonst bleibt der Nutzen der Plattform begrenzt.“
