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Freitag, 20. Juli 2018

Digitalisierung

Schaltschrank als neuronaler Netzknoten

Von Wolfgang Heumer | 12. April 2018 | Ausgabe 15

Mit kompletten Systemlösungen haben die deutschen „Klemmen“-Hersteller weltweit eine führende Position auf dem Weg zur Industrie 4.0 und zu den Energienetzen der Zukunft übernommen.

w - Smart Grid BU
Foto: Weidmüller

Startpunkt Reihenklemme: Von der klassischen Verbindungstechnik sind deren Hersteller inzwischen zu Systemlieferanten für digitalisierte Automatisierung und Energiemanagement geworden.

Auf den ersten Blick hat sich der Inhalt von Schaltschränken und -kästen in Produktionsanlagen oder an Knotenpunkten elektrischer Netze seit Jahrzehnten nicht wesentlich verändert. Die Plastikstecker auf den Hutschienen – korrekter: Tragschienen – sind ein bisschen bunter geworden. Sie können aber ihre Abstammung von klassischen Schaltautomaten, Fühlern und Sicherungen nicht leugnen.

Elektrotechnik

„Wir kommen schließlich alle ursprünglich von der elektrischen Verbindungstechnik beziehungsweise von der ,Reihenklemme‘“, bestätigt Jan Stefan Michels, Leiter der Standard- und Technologieentwicklung von Weidmüller Interface. „Wir“ umfasst vor allem eine Handvoll Hersteller von Automatisierungstechnik in Ostwestfalen-Lippe, darunter Weidmüller, Phoenix Contact und Beckhoff Automation.

So gilt Phoenix Contact als Erfinder der modularen Reihenklemme, die heute überall im Einsatz sind, wo Strom fließt. Weidmüller sattelte in der Nachkriegszeit von Druckknöpfen auf die Fertigung von kunststoffisolierten Anreihklemmen um – „eine Innovation gegenüber den vorher eingesetzten, bruchanfälligen Porzellankonstruktionen“, so Michels. Als eines der jüngsten Unternehmen kam Beckhoff Automation Anfang der 1980er-Jahre mit ersten Produkten der PC-basierten Steuerungstechnik auf den Markt.

Heute konzentrieren sich diese Unternehmen auf hoch entwickelte Verbindungstechnik, auf Steuerungselemente und Controller wie Industrie-PCs, I/O- und Feldbuskomponenten sowie Sensoren für die Automatisierungstechnik. Sie bieten heute deshalb oft nicht mehr nur Komponenten für den Schaltschrank, sondern auch umfassende Automatisierungs- und Digitalisierungslösungen an.

Elektromechanische Steuerungselemente – später auch elektronische – gehören schon seit Jahrzehnten zu den Standardinstrumenten in Produktion und Energieindustrie. Mit der zunehmenden Rationalisierung von Produktionsabläufen und der damit einhergehenden Automatisierung wuchs die Bedeutung der kleinen Helfer.

„Mit unseren Produkten und Anwendungen liefern wir die Basis für die Industrie 4.0 und die smarten Stromnetze der Zukunft“, sagt Holger Krings, bei Phoenix Contact Experte für Automatisierungssysteme für den Energiesektor. „Zu den klassischen Funktionen kommen jetzt neue Themen wie der sichere Datenaustausch oder die Steuerung wachsender – beispielsweise Cloud-gestützter – Systeme hinzu“, ergänzt Fabian Assion, Produktmanager für I/O-Systeme bei Beckhoff Automation.

In den 1980er-Jahren kamen die ersten Feldbussysteme auf, die Sensoren, Aktoren und Automatisierungsgeräte über größere Distanzen verbanden. „Es waren relativ kleine Anlagen mit aus heutiger Sicht geringen Funktionen“, weiß Assion. „Zumeist handelte es sich um lokale Anwendungen ohne weitere, vor allem nicht standortübergreifende Vernetzung“, verdeutlicht Krings die räumlichen Grenzen der Technik.

Binnen eines Vierteljahrhunderts sind daraus weltumspannende Systeme geworden. Wie sehr deren Bedeutung im Zeitalter der Industrie 4.0 und der Energiewende gewachsen ist, zeigt sich auf der diesjährigen Hannover Messe: Dort sind komplette Hallen dem Thema gewidmet.

Dass sich die Unternehmen zu Beginn der Automatisierungswelle auf die Anforderungen einzelner Kunden konzentrierten, schuf ein breites Verständnis für die Bedürfnisse der Anwender ihrer Technologien. Bis heute, so versichern alle Experten, beruht genau darauf ihr technologischer Vorsprung vor internationalen Wettbewerbern – zu wissen, was der Kunde vor Ort genau braucht. Mit dem Exporterfolg der deutschen Maschinen- und Anlagenbauer verbreitete sich der Ruf der Hersteller der Steuerungstechnik und ihrer Komponenten.

Damals entstanden Insellösungen für einzelne Anwender oder bestenfalls ganze Branchen, in deren Rahmen die Maschinen in den Unternehmen zwar miteinander, aber praktisch nie mit der Außenwelt kommunizieren konnten. Ihre Fähigkeit zum Informationsaustausch weit über das Firmengelände, ja, bis auf andere Kontinente, gewannen die neuen elektronischen Helfer erst durch die Verbreitung globaler Standards. Dies umfasst die internationale Datenkommunikation – insbesondere das Ethernet – sowie weitere Protokolle und Standards der International Electronical Commission (IEC) für einzelne Domänen.

Die Hersteller nutzten diese Protokolle für neue Anwendungen: „Nachdem man sich zehn bis 20 Jahre lang lokal immer weiter vernetzt hatte, entstand der Bedarf in der Industrie, Prozesse und Anwendungen zentral zu beobachten“, beschreibt Holger Krings den Entwicklungsprozess.

Auch die „Klemmen“ haben im Laufe der Jahrzehnte eine gewaltige Entwicklung erfahren. Am Anfang waren es einfache Verbindungen, dann konnten sie ein- und ausschalten, absichern und messen. Schließlich „lernten“ sie, ihre Daten mit anderen zu teilen. Mittlerweile sind aus den kleinen Automaten regelrechte Industrie-PCs im Kompaktformat und damit die Bausteine großer Netze geworden.

„Die Prozessorleistung wird immer besser und erlaubt immer komplexere Systeme“, sagt Assion – mittlerweile stellen sich die Hersteller nicht mehr die Frage, wie sie ein Problem der Anwender lösen, sondern wie sie mit der Leistung ihrer Komponenten neuen sinnvollen Nutzen erbringen können. Längst ist die Intelligenz der Systeme nicht mehr unmittelbar mit der Maschine gekoppelt. „Automatisierungssysteme lassen sich beinahe von jedem PC, Smartphone oder Tablet aus steuern“, sagt Michels.

Spätestens seitdem denken die Entwickler und Hersteller von „Klemmen“ nicht mehr nur an die Hardware, sondern in ganzen Produktions- und Kommunikationsprozessen. „In der analogen Welt waren Steuerungstechnik und Daten voneinander getrennt“, beschreibt es Jan Sebastian Michels „Heute reicht die vertikale Vernetzung von der Produktion – dem sogenannten Shop Floor – bis zur Ebene der Unternehmensleitung und die horizontale Vernetzung entlang der Wertschöpfungskette vom Rohstofflieferanten bis zum Kunden des fertigen Produkts.“

Die Hardware der „Klemmen“-Produzenten steuert nicht nur Abläufe, sondern erfasst auch jede gewünschte Information, die die Maschinenbediener und auch die Planer über entsprechende Systeme nahezu in Echtzeit direkt von jeder Maschine abrufen können.

Weidmüller liefert auch die Tools für die Datenanalyse, schafft die Schnittstelle zu den entsprechenden Analysesystemen und kümmert sich darum, dass die Anwender nicht in einer Datenflut ertrinken. „Wir stellen die Komponenten zur Erfassung der Signale her, liefern aber auch die für die Analyse der Daten zuständige Industrial-Analytics-Software und reduzieren die Menge der Informationen auf das für den Kunden optimale Maß“, sagt Michels.

Längst werden die Daten nicht mehr direkt an der Maschine oder in ihrer Nachbarschaft verwaltet, sondern in der Cloud gelagert. Phoenix Contact bietet den Kunden eine eigene Cloud an, damit sensible Produktionsdaten nicht auf anonymen Speichern irgendwo in der Welt abgelegt werden müssen.

Die Unterscheidung zwischen lokalen, sofort verfügbaren Daten und eher grundsätzlichen Informationen „schafft einen weiteren Freiheitsgrad“, meint Krings: „Was in Echtzeit relevant ist, das kann ich sofort steuern. Ansonsten kann ich die Parameter beobachten und in Ruhe Entscheidungen treffen sowie Prozesse optimieren.“ Mit den neuen Möglichkeiten entstanden neue Ansprüche. „Schnellere Reaktionszeiten, immer größere Kommunikationsfähigkeiten, intelligente Maschinen, die sich selbst überwachen“, zählt Assion beispielhaft auf.

Gesellschaftliche Entwicklungen spielen den deutschen Herstellern in die Hände – zum Beispiel die Energiewende. Dass die Stromerzeugung im zunehmenden Maße auf dezentrale Quellen verteilt wird, die zudem mit starken Schwankungen und nicht unbedingt bedarfsorientiert liefern, stellt völlig neue Anforderungen an die künftig intelligenten Stromnetze, die sogenannten Smart Grids.

„Früher war die Schmelzsicherung die intelligenteste Komponente im System, heute müssen Automatisierungskomponenten komplexe Vorgänge im Auge behalten und binnen kürzester Zeit eingreifen“, sagt Holger Krings. Zu den Schwankungen auf Seiten der Stromerzeugung gesellen sich zeitliche und räumliche Peaks in der Nachfrage. Insbesondere die Elektromobilität könne zu einer Herausforderung für die Stromnetzbetreiber und das gesamte System werden.

Früher seien Haushalte und andere Verbraucher in ihrem Verhalten gut einschätzbar gewesen, mittlerweile könne der Verbrauch immer häufiger von jetzt auf gleich extrem hochschnellen: „Das muss die Technik nicht nur erfassen, sondern sie muss auch gegensteuern können.“

Die Hardware ist mittlerweile so gut entwickelt, dass sie den Anforderungen auch aus den sensiblen Stromnetzen folgen kann. Feldbussysteme zur Überwachung von Stromnetzen reagieren heute bereits im Bereich von Sekunden und Millisekunden. „Die neueste Generation agiert bereits im Bereich von Mikrosekunden“, ergänzt Assion.

Die stete Weiterentwicklung der einzelnen Komponenten für die Automatisierungs- und Steuerungstechnik ist eine der Kernkompetenzen der deutschen Hersteller. „Wir müssen immer wieder neu überlegen, welche neuen Funktionen erforderlich sind, was sinnvoll ist, um Mehrwert zu schaffen“, beschreibt Michels die Hauptaufgabe für die Entwickler.

Steckverbinder, die zu den traditionellen Produkten der Branche gehören, werden künftig nicht nur Strom transportieren, sondern gleichzeitig den Zustand des Steckverbinders und weitere Daten erfassen. Damit können sie nicht nur wichtige Informationen für die Produktionssteuerung liefern – beispielsweise wenn der Stromverbrauch sich teuren Lastspitzen nähert –, sondern auch sich selbst überwachen: „Wenn sich durch Korrosion der Widerstand verändert, geben sie Alarm, bevor es zu einem Totalausfall und damit zum Produktionsstopp kommt“, beschreibt Michels ein Beispiel, an dem Weidmüller aktuell arbeitet.

Die Ideen für solche Entwicklungen kommen den Herstellern auch im eigenen Haus: „Wir sind ja selbst auch Anwender in unseren eigenen Produktionsprozessen, dort können wir wertvolle Erfahrungen sammeln“, sagen Assion, Krings und Michels übereinstimmend. Zudem betreiben die Unternehmen gemeinsame Forschungsvorhaben in der Initiative „it’s owl“ (Intelligente Technische Systeme Ostwestfalen-Lippe).

Im Mittelpunkt des Technologienetzwerks stehen Hard- und Software für die „Smart Factory“ der Zukunft genauso wie Fragen der Interaktion zwischen Mensch und Maschine sowie der Selbstoptimierung von Maschinen. „Wir stehen in der Industrie 4.0 erst am Anfang einer langen Reise“, sagen die Firmenvertreter übereinstimmend – und teilen dabei die Überzeugung, dass sie auch im internationalen Vergleich weiter die Richtung der Reise mitbestimmen werden.