Archiv der Kategorie: Fachartikel

Sichere Flächenüberwachung und Industrie 4.0

Auf der Fachmesse «all about automation» in Friedrichshafen zeigt der Automatisierungsanbieter Pilz Produkte und Lösungen für die Fabrik der Zukunft. Ein Produkt-Highlight: die dynamische Schaltmatte PSENmat.
Der Messeauftritt von Pilz in Friedrichshafen stellt einerseits die Aspekte Flexibilität und Dynamik in der digitalen Fabrik in seinen Mittelpunkt: Wie lassen sich Sicherheitskonzepte für modulare Anlagen und Maschinen­parks optimal umsetzen? Andererseits ist die sichere Flächenüber­wachung auch bei modularen Applikationen thematischer Fokus.

Weltneuheit für sicheres Überwachen von Flächen

Ein Highlight in Friedrichshafen ist die dynamische Schaltmatte PSENmat. Eine Weltneuheit hierbei ist die integrierte Ortsdetektion, die dem Werker eine Bedien­funktion — ähnlich eines virtuellen Tasters — zur Verfügung stellt. Ein sepa­rater Schalter ist überflüssig. Damit vereint PSENmat in einem Sensor die sichere Flächen­überwachung mit der Bedienung von Maschinen und Anlagen. Das dyna­mische Schaltkonzept ermöglicht ein flexibleres Konfigurieren, das Platz und Kosten spart. Völlig neue Maschinen­bedien­konzepte, auch bei der Mensch-Roboter-Kollabo­ration (MRK), lassen sich so mit PSENmat umsetzen.

Smarter Schalter für Industrie 4.0

Mit auf der «all about automation» ist auch der Not-Halt-Taster PITestop active, der elektrisch aktiviert werden kann. Er sig­na­lisiert durch Beleuchtung, ob er aktiv ist oder nicht. So sorgt PITestop für mehr Flexibilität und Modularisierung ganz im Sinn von Industrie 4.0. Anwender profitieren zudem von Einsparungen bei Energiekosten: Es muss nicht mehr die komplette Anlage unter Strom gehalten werden, um die Not-Halt-Funktion aufrechterhalten zu können.

Damit bringt PITestop active Vorteile für Anlagen und Maschinenparks, in denen Anlagenteile verschoben werden: Die Maschinenteile lassen sich mit ihm gemäss ISO 13850 je nach Bedarf sicher aktiv oder inaktiv schalten.

pilz.com

«all about automation»: Halle B1, 423

Redundante Systeme ohne Redundanzmodul

Ein Ausfall der Stromversorgung kann bei den immer sensibler und komplexer werdenden Systemen zum Datenverlust oder Anlagenstillstand führen, der lange Neustartzeiten und hohe Kosten verursacht.
Redundante Stromversorgungssysteme steigern die Anlagenverfügbarkeit und vermeiden ausfallbedingte wirtschaftliche Verluste. Prinzipiell basieren redundante Stromversorgungssysteme auf parallel­geschaltete Einzelnetzgeräten. Dabei ist wichtig, dass die Netzgeräte untereinander durch Dioden oder MOSFETs entkoppelt sind, damit ein fehlerhaftes Gerät im Kurzschlussfall nicht zur Last aller anderen Geräte wird. Die Aufgabe der Entkopplung übernimmt üblicherweise ein externes Redundanzmodul.Der Stromversorgungshersteller Puls ist Spezialist für Redundanzsysteme und arbeitet stets daran, die Systeme noch anwenderfreundlicher und kompakter aufzubauen. Bei der Entkopplungsfunktion hat Puls ein grosses Einsparpotenzial für die Anwender erkannt. Die nächste Entwicklungsstufe sind DIN-Schienen-­Stromversorgungen mit integrierter Entkopplungsfunktion. Anwender können so 1 + 1 und n + 1 Redundanzsysteme ohne zusätzliche Redundanzmodule aufbauen. Das bedeutet eine enorme Platz- und Kostenersparnis und verringert die Komple­xität der Redundanzsysteme.

Enorme Platzersparnis, reduzierter ­Zeitaufwand, geringere Komplexität

Puls hat diese Funktion bereits in Varianten der 1-Phasen-Stromversorgungen CP10 (24 V/10 A) und CP20 (24 V/20 A) integriert. Dabei ist es gelungen, die Entkopplungsfunktion in die Geräte zu integrieren, ohne die Baubreite der Standardgeräte ver­ändern zu müssen. Das bedeutet, dass die CP-Stromversorgungen mit integrierter Entkopplung genauso breit sind wie das Standard-CP10 (39 mm) und -CP20 (48 mm). Durch das schlanke Geräte-Design und den Wegfall des externen Redundanz­moduls ist eine Platzersparnis von mehr als 45 % gegenüber herkömmlichen Redundanzsystemen möglich. Auch in Sachen Wirkungsgrad und Langlebigkeit übernehmen die Stromversorgungen die Rekordwerte der Ursprungs-CPs.

Durch den verringerten Verkabe­lungs­aufwand kostet die Installation der Stromversorgungen mit integrierter Entkopplungsfunktion weniger Zeit. Zudem sinkt die Komplexität des Systems. Diese Einfachheit wirkt sich auch positiv auf die Anlagenverfügbarkeit aus. Denn durch eine geringere Anzahl an Verdrahtungs­­vor­gängen sinkt das Ausfallrisiko aufgrund von fehlerhaften Verbindungen. Das bedeutet, dass die Zuverlässigkeit des kom­pletten Systems steigt.

Auch im Einkauf und der Logistik bringen die Geräte eine spürbare Vereinfachung mit sich. Es muss nur noch ein Gerätetyp bestellt und auf Lager gelegt werden. Auch der Aufwand für die Pflege der Geräte­stammdaten halbiert sich.

Lange Lebensdauer durch automatische Lastaufteilung und MOSFETs

Die Stromversorgungen wurden für den Plug-and-Play-Einsatz entwickelt. Sie müssen nicht konfiguriert werden und verfügen über hilfreiche Zusatzfunktionen. Alle CP-Stromversorgungen mit inte­grierter Entkopplungsfunktion sind beispielsweise mit einer automatischen Laststrom­auf­teilung ausgestattet. Diese Funktion kompensiert ein gewisses Spannungsungleichgewicht zwischen den einzelnen, parallel geschalteten Stromversorgungen. Daraus ergibt sich ein optimiertes Temperaturgleichgewicht zwischen beiden Stromversorgungen, was sich in einer längeren Lebensdauer der Geräte bemerkbar macht.

Durch den Einsatz von MOSFETs — anstatt Dioden — als Entkopplungs­ele­mente werden zudem die Span­nungs­­­abfälle im Gerät reduziert. Dioden von üblichen Redundanzmodulen verursachen einen Spannungsabfall zwischen Ein- und Ausgang von 500 mV. Durch die MOSFET-Technologie konnte diese Situation drastisch entspannt werden. Der Spannungsabfall zwischen Ein- und Ausgang beträgt hier weniger als 50 mV.

Sowohl die integrierte Laststromaufteilung als auch der Einsatz von effizienten MOSFETs ermöglichen eine geringere Eigenerwärmung der Stromversorgungen. Das hat einen positiven Einfluss auf die Langlebigkeit der Netzgeräte und senkt die Kosten für Austausch und Wartung.

Höchste Anlagenverfügbarkeit durch Hot Swap

Für Redundanzanwendungen, die den schnellen Austausch von defekten Geräten erfordern, ohne dabei den laufenden Systembetrieb zu unterbrechen, sind Varianten mit Hot-Swap-Steckverbindern (CP10.241-R2, CP20.241-R2) verfügbar. Nach dem Austausch des defekten Geräts ist die Redundanz sofort wieder hergestellt. Dies ist für hochverfügbare Anlagen unabdingbar. Für den Einsatz unter besonders harten Umweltbedingungen — beispielweise in landwirtschaftlichen Betrieben, papierverarbeitenden Anlagen, geschützten Aussenbereichen usw. — sind Varianten mit schutzlackierten Leiter­platten verfügbar.

Wenn Hot Swap nicht benötigt wird oder in der Anwendung anhaltende Vibrationen auftreten, sind die Varianten CP10.241-R1 und CP20.241-R1 die richtige Wahl. Sie sind mit robusten Federkraftklemmen ausgestattet.

Redundanzrevolution

Mit der Integration der Entkopplungsfunktion in die Netzteile ermöglicht Puls den Aufbau von Redundanzsystemen ohne Redundanzmodul. Durch die Platzersparnis, die hohe Effizienz und den vereinfachten Aufbau eröffnen sich Anwendern beim Aufbau von redun­danten Stromversorgungssystemen völlig neue Möglichkeiten.

pulspower.com

IT-Sicherheit in Produktionsanlagen: Wer ist bei Ihnen verantwortlich?

In vielen Fertigungsunternehmen ist nicht definiert, wer die IT-Sicherheit der Produktionsanlagen verantwortet. Doch genau mit dieser Frage sollte sich ein pflichtbewusstes Management auseinandersetzen.

Produktionsleiter Emil Fluri kann sich im Moment nur schwer auf seine Arbeit konzentrieren. Dabei sollte er doch unbedingt mit der Planung des Grossauftrags beginnen, den sein Chef an Land zog und der demnächst anläuft! Doch seit er von der globalen Cyber-Attacke «Petya/Not Petya» gehört hat, welche die Fertigung des Milka-Werks im benachbarten Lörrach lahmlegte, findet der 48-Jährige einfach keine Ruhe mehr. Wenn Hacker selbst ein Unternehmen dieser Grösse so in Bedrängnis bringen können, fragt er sich, wie sicher kann dann ein KMU mit 150 Mitarbeitern vor Cyber-Attacken sein? Nicht dass sein Fertigungsbetrieb im Kanton Baselland jetzt unbedingt ein attraktives Ziel wäre, aber er erinnert sich, gelesen zu haben, dass ein Unternehmen kein direktes Ziel einer Attacke sein muss, um deren Opfer zu werden. 80 Prozent der Sicherheitsvorfälle in Bezug auf Steuerungs­systeme waren gemäss dieser Studie unbeabsichtigt, aber schädlich.Doch egal, ob sein Fertigungsbetrieb nun beabsichtigt oder unbeabsichtigt attackiert würde: Ein Produktionsausfall käme einer Katastrophe gleich! Zwar verbesserte sich die Marge aufgrund des abgeschwächten Frankens zuletzt deutlich, doch noch immer sind die Folgen des Natio­nalbank-Entscheids vom Januar 2015 nicht komplett ausgestanden. Zwischendurch lief es so miserabel, dass die Unternehmensleitung sogar mit einer Produk­-tionsverlagerung liebäugelte. Und dieses Schreckgespenst erhielte sicherlich neue Konturen, würde nicht mit höchster Effizienz gefertigt. Doch wie sollte diese Effizienz im Fall eines plötzlichen Anlagenstillstands gegeben sein?

Emil Fluris düstere Stimmung bleibt auch seinen Kollegen beim Verbandstreffen nicht verborgen. Als sein Kollege ihn auf diese anspricht, redet er sich schliesslich seinen Kummer von der Seele. Der Produktions­ingenieur empfindet es als befreiend, endlich mit jemandem, der ihn versteht, über seine Sorgen sprechen zu können — zumal er mit diesen ganz offensichtlich nicht allein ist. Sein ehemaliger Studienkollege verantwortet in einem ähnlich grossen Betrieb ebenfalls die Produktionsleitung und hat sich bereits intensiver mit dem Thema auseinandergesetzt. Von ihm erhält er auch den Hinweis auf das Whitepaper «IT-Sicherheit in Produktionsanlagen», in welchem Prof. Dr. Karl-Heinz Niemann von der Hochschule Hannover kleineren und mittleren Unternehmen Hilfestellung gibt.

Noch am selben Abend lädt Emil Fluri die 42-seitige Einführung auf der Website von Wago herunter und scrollt diese durch. Neben einer Übersicht über die relevanten Normen und Standards findet er auch ­konkrete Massnahmen zur Umsetzung der IT-Sicherheit in der Produktion. Beim ersten Punkt «Management Commitment» der Empfehlungen grinst Emil Fluri in sich hinein. Seiner Geschäftsleitung war der heftige Streit, den er kürzlich mit dem IT-Chef ausgefochten hatte, nicht entgangen. Es ging darum, wer denn für die IT-­Sicherheit in der Produktion verantwortlich sei. Jeder sah natürlich die Pflicht beim anderen und machte das auch dem CEO so deutlich. Nachdem dieser davon zunächst nichts wissen wollte, nahm er das Thema für die Kadersitzung in der folgenden Woche doch noch auf die Agenda. Schliesslich, gestand er seiner Führungsriege, müsse die IT-Sicherheit als Top-down-Prozess im Unternehmen etabliert werden. Emil Fluri kann das nur recht sein. Und mit dem Whitepaper hat er nun ein starkes ­Instrument, um in der kommenden Kader-­Sitzung wirklich voranzukommen.

Kurz vor Mitternacht fährt Emil Fluri seinen Rechner herunter, löscht das Licht und geht zu Bett. Dort wird er seit Wochen erstmals wieder ruhig und un­besorgt einschlafen.

Das Whitepaper: Die IT-Sicherheit ist im Top-down-Prozess zu etablieren

Wie lässt sich Hackern und Cyber-Terro­risten ein Schnippchen schlagen? Auf diese Frage gibt Prof. Dr. Karl-Heinz Niemann von der Hochschule Hannover in Kapitel 4 des Whitepapers «IT-Sicherheit in Produktionsanlagen» eine Antwort und schlägt einen Zehn-Punkte-Plan für die Etablierung der IT-Sicherheit im Produk­tionsbereich vor. Diese zehn Punkte sind:

1. Management Commitment

2. Organisation der Zuständigkeiten und Prozesse

3. Erstellung einer Richtlinie

4. Schulung Personal

5. Beschaffung und Bereitstellung von Wissen

6. Identifizierung, Bewertung und Schutz der Vermögenswerte

7. Regelung des externen Zugriffs auf Produktionsanlagen

8. Datensicherung

9. Behandlung von Störungen und Ausfällen

10. Behandlung von IT-Sicherheitsvorfällen

Die Literatur fokussiert vor allem auf die Punkte 6 und 7. Allerdings ist Prof. Dr. ­Karl-Heinz Niemann überzeugt, dass die IT-Sicherheit als gesamtheitlicher Prozess unter Einbeziehung aller Punkte zu sehen ist.

Die einzelnen Punkte werden daher in folgenden Abschnitten kurz beschrieben, wobei die Handlungsem­p­fehlungen dem Whitepaper entnommen werden können.

Management Commitment

Nur durch ein entsprechendes Commitment des Managements ist die Etablierung von IT-Sicherheitsmassnahmen im Unternehmen (Top-down-Prozess) möglich. Hierfür sollte das Management eine IT-Sicher­heitsstrategie für das Unternehmen verfassen (lassen), welche den Office- und den Produktionsbereich umfasst. Die Strategie sollte klare Ziele und entsprechende Verantwortlichkeiten definieren.

Organisation der Zuständigkeiten und Prozesse

Da die IT-Sicherheit als übergreifender Prozess zu sehen ist, ist eine gesamtverantwortliche Stelle in Form eines IT-Sicherheitsbeauftragten zu definieren. Dieser sollte gemeinsam mit weiteren Mitarbeitern und einem Vertreter des Managements das Informationssicherheits-Team bilden. Dieses ist für die Umsetzung der IT-Sicherheitsstrategie verantwortlich.

Erstellung einer Richtlinie

Das Thema IT-Sicherheit ist in einer entsprechenden Richtlinie, die dem Personal grundlegende Verhaltensregeln vorgibt, zu beschreiben. Nur wenn das Personal weiss, was von ihm in Bezug auf IT-Sicherheit erwartet wird, kann es sich entsprechend verhalten. Dazu gehören unter anderem Verhaltensvorgaben in Bezug auf die (Nicht-)Nutzung von Privatgeräten. Des Weiteren beschreibt das Whitepaper in diesem Absatz Massnahmen zum Umgang mit Automatisierungssystemen.

Schulung Personal

Durch ein adäquates Know-how und eine Ausbildung des Personals kann ein entscheidender Beitrag zur IT-Sicherheit in Unternehmen erfolgen. Hier beschreibt Prof. Dr. Karl-Heinz Niemann, worauf beim Eintritt eines Mitarbeiters in ein Unternehmen zu achten ist und welche Massnahmen bei seinem Ausscheiden zu treffen sind.

Beschaffung und Bereitstellung von Wissen

In diesem Abschnitt zeigt Prof. Dr. Karl-Heinz Niemann auf, dass Wissen allein keinen Schutz bietet, wenn es nicht trans­feriert wird.

Niemann verweist hierbei auf einen Fall, bei dem einem Fertigungsunter­nehmen die Schwachstellen in den Komponenten von Automatisierungssystemen zwei Jahre lang bekannt waren, diese aber nicht abgestellt wurden. Keiner der Mitarbeiter fühlte sich zuständig, die vom Hersteller bereitgestellten Software-Aktualisierungen in die ­Systeme einzuspielen. Niemanns Empfeh­lungen stellen sicher, dass dieses Wissen auch genutzt beziehungsweise weitergegeben wird.

Identifizierung, Bewertung und Schutz der Vermögenswerte

Dieser Abschnitt beschreibt, wie die Assets einer Produktionsanlage systematisch erfasst, bewertet und bei Bedarf geschützt werden. Hierbei wird gemäss der Normreihe VDI 2182 vorgegangen, wobei die Normreihe IEC 62443 ein vergleichbares Vorgehen wiedergibt. Verschiedene Abbildungen erklären, wie und in welchen Schritten bei der Analyse des Automatisierungssystems vorzugehen ist.

Regelung des externen Zugriffs auf Produktionsanlagen

Der externe Zugriff auf Produktionsanlagen für Remote-Diagnose und für Remote-Wartungszwecke ist aus Sicht der IT-Sicherheit ein besonders kritischer Vorgang. Eine gute Orientierung gibt die Beschreibung «Fernwartung im industriellen Umfeld» des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik. Diese grundlegenden Vorgehensweisen für die Errichtung von Remote-Zugängen fasst das Whitepaper verständlich und komprimiert zusammen.

Datensicherung

Einhundertprozentige Sicherheit gibt es nicht. Was ist aber zu tun, wenn es zu einer Löschung aller Datenbestände einschliesslich des Betriebssystems kommt? Diese Frage greift Prof. Dr. Karl-Heinz Niemann auf und gibt Empfehlungen, wie Backup-Systeme sicher in ein Gesamt­konzept einzubinden sind.

Behandlung von Störungen und Ausfällen

Je nach Produktionsanlage und Branche laufen bei Störungen oder Ausfällen Kosten auf, die sehr schnell in einen fünf- oder auch sechsstelligen Bereich gehen können. Daher ist es wichtig, entsprechend schnell wieder den Betrieb aufzunehmen, wozu es gewisser Mechanismen bedarf, welche dieses Kapitel näher beschreibt.

Behandlung von IT-Sicherheitsvorfällen

Die im Abschnitt zuvor beschrieben Massnahmen können zunächst allgemeiner Art sein, weshalb IT-Sicherheitsvorfälle eine Unterkategorie bilden.

Wie weitergehende, präventive Massnahmen aussehen können, zeigt das abschliessende Kapitel auf. Hierbei wird vor allem nochmals der Präventionsaspekt unterstrichen, da 15 Prozent betroffener Unternehmen mehr als einen Monat ­be­nötigen, bis sie überhaupt merken, dass sich ein Aussenstehender in ihr System ­eingeschlichen hat.

Download des Gratis-Whitepapers unter www.wagodirect.ch3

Gratis-Whitepaper herunterladen und IT-Sicherheit ihrer Produktionsanlagen erhöhen: www.wagodirect.ch

Rexroth vernetzt Hydraulik mit IO-Link

Welches Feldbusprotokoll? Unerheblich. Einzelverdrahtung? War früher. Heute wird eine Standard-M12-Verbindung gesteckt – und fertig.
Gerätedokumentation wälzen und die Komponenten neu in der Steuerung anlegen? Ganz alte Schule. Heute übernimmt IO-Link über die standardisierte IO Device Description die Identifikation. All diese Vorteile erschliesst Rexroth für Hydraulik-Regel-Wegeventile und Sensoren durch den offenen Standard IO-Link. Das vereinfacht die Inbetriebnahme, ermöglicht Parameter­änderungen im laufenden Betrieb und übermittelt Betriebszustände — parallel zu allen marktüblichen Feldbusprotokollen.

USB-Schnittstelle als Vorbild

In der PC-Technologie ist es seit vielen Jahren gar nicht mehr wegzudenken: Drucker, Digitalkameras und das gesamte PC-Zubehör werden über die USB-Schnittstelle mit dem Rechner verbunden und sind sofort einsatzbereit. Eine solch einfache Ver­netzung wird auch in der Automation kommen, da sind sich alle Experten einig. Sie wird alle Technologien, auch die Hydraulik, als dezentrale intelligente Module einbinden. Bereits heute haben Hydraulik-Propor­tionalventile von Rexroth eine On-board-Elektronik. Viele Anwender steuern diese bislang analog mit 6 + PE-Verbindung an. Dieses Vorgehen unterstützt aber keine aktuellen und künftigen Informations­möglichkeiten. Es fehlt der direkte digitale Kommu­nikationskanal, damit Ventile und Steuerung Infor­mationen aus­tauschen können.

Für Maschinenhersteller ist es heute durchaus möglich, diesen Kommunikationskanal über Feldbus­an­bindung zu realisieren. Mit der Kommunikation über Feldbus müssen die Sensoren und Aktoren in eine höhere Kommunikationsebene eingebunden werden. Dies erfordert einen deutlich grösseren Installa­tions- und Programmieraufwand. Durch die unterschiedlichen Kommunikationsprofile der Steuerungshersteller muss der Anwender zudem jede Steuerung neu einbinden.

Ergänzung zum Feldbus

Diesen Aufwand reduziert der offene Standard IEC 61131-9, IO-Link. Vielen Experten gilt er als die günstigste Option, bislang analog angebundene Aktoren und Sensoren horizontal und vertikal zu vernetzen und sie so in Industrie-4.0-Konzepte zu inte­grieren. IO-Link erfüllt diese Anforderungen mit geringen Anschlusskosten und niedrigem Engi­neeringaufwand. Der herstellerübergreifende IO-Link- Standard ersetzt nicht die Feldbuskommunikation, sondern ergänzt sie durch eine parallele, bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Kommunikation. Diese Vorteile überträgt Rexroth jetzt auf hydrau­lische IO-Link-Aktoren und Sensoren. Im ersten Schritt stellt der Hersteller das 4/4-Regel-Wegeventil 4WRPEH..3X, den Druck­sensor HEDE10 sowie den Rexroth IO-Link Master IndraControl S67 bereit. Der IO-Link Master ist das Gateway zwischen den IO-Link-Geräten und dem Automatisierungssystem.

Anschluss über Standardstecker

Der IO-Link Master in der Schutzart IP67 bindet bis zu acht IO-Devices wie Rexroth-Ventile und Sensoren dezentral über ungeschirmte 3- bzw. 5-Leiter-Standardkabel mit M12-Steckern an. Die 5-polige Version «port class B» kommt bei Geräten mit erhöhtem Strombedarf wie z. B. bei Proportionalventilen zum Einsatz. Die 3-polige Ausführung «port class A» stellt eine Energieversorgung von bis zu 200 mA bereit, ausreichend beispielsweise für den Drucksensor. Anders als bei der analogen Ansteuerung reichen ungeschirmte Kabel für die störungsfreie Kommunikation bis zu einer Kabellänge von 20 Metern aus. IO-Link vereinheitlicht die Anschlusstechnik für alle Aktoren und Sensoren und eliminiert damit eine Reihe von Fehlerquellen bei der elektrischen Installation der Anlage. Die sonst aufwendige und teure Kabelkonfektionierung mit Einzelverdrahtung und Abschirmung entfällt ersatzlos. Zusätzlich reduziert das den logistischen Aufwand durch einheitliche Kabelausführung mit M12 für Sensor und Aktor.

Neben der Standardisierung der Schnittstelle schreibt IO-Link für alle Geräte eine standardisierte elektronische Gerätebeschreibung, die IO Device Description (IODD), vor. Rexroth stellt für die IO-Link-­fähigen Ventile und Sensoren alle im Gerät zur Verfügung stehenden Informationen über die IODD nach Norm bereit:

– Gerätedaten

– Textbeschreibung

– Identifikations-, Prozess- und Diagnosedaten

– Kommunikationseigenschaften

– Geräteparameter mit Wertebereich und Defaultwert

Diese Informationsstruktur ist standardisiert und funktioniert für IO-Link Master aller Hersteller. Damit kommunizieren die Ventile und Sensoren mit Steuerungen von Rexroth ebenso wie mit Steuerungen von Siemens, Rockwell oder Mitsubishi. Die Parametrierung des IO-Link-Systems erfolgt über die Hardwarekonfiguration im Softwaretool der Steuerung. Alternativ besteht die Möglichkeit, ein zusätzliches Konfigurationstool des IO-Link-Master-Herstellers zu verwenden, um die Devices den Ports des Masters und den Adressen der Automatisierung zuzuweisen. Das ermöglicht die Parametrierung der Geräte und ihre Diagnose unabhängig vom Feldbus.

Weniger Stillstand durch vorausschauende Wartung

Mit IO-Link können Maschinenhersteller und Endanwender Daten mit den Devices entweder direkt von der Steuerung aus oder über Netzwerke von beliebigen Standorten austauschen. Besonders wichtig für zukunftsorientierte Konzepte: IO-Link-Devices von Rexroth stellen schon heute die Typ- und Instanzdaten eines Geräts im Sinn von Industrie 4.0 gemäss der Definition der «Plattform Industrie 4.0» bereit. Hydraulik von Rexroth ist damit offiziell Industrie-4.0-fähig.

Das eröffnet zusätzliche Möglichkeiten, bestehende Anlagen und Maschinen nachträglich zu vernetzen. Anwender tauschen die installierten Proportional­ventile und Sensoren durch baugleiche Varianten mit IO-Link-Anschluss aus und schaffen so einen digitalen Kommunikationskanal.

Neben der einfacheren und kostengünstigeren Inbetriebnahme bietet IO-Link über den gesamten Lebenszyklus technische und wirtschaftliche Vorteile. Die Diagnosefunktionen der IO-Link-Ventile und -Sensoren ermöglichen den Abruf von Betriebszu­ständen parallel zum Prozess. Das ist die Basis für alle zustands­orientierten und vorausschauenden Wartungs­konzepte. So melden die Rexroth-Ventile, ob sie funktionsbereit sind, ob Fehler wie Unter- oder Überspannung vorliegen und ob die Elektroniktemperatur höher ist als der zugelassene Wert. Zusätzlich zeigen sie den Ventil-und Sensorstatus an und ermöglichen eine transparente Fehleranalyse. Über eine integrierte Betriebsstundenanzeige kann die Instandhaltung die voraussichtliche Restlebensdauer kalkulieren und bei Wartungsarbeiten entscheiden, ob das Ventil weiter genutzt wird.

Bei Störungen beschleunigt IO-Link die Diagnose, da Wartungsspezialisten auch über Fernzugriff Art und Ort des Fehlers eindeutig feststellen. Allein die genaue Lokalisierung, ohne persönlich an der Anlage zu sein, verringert die Reaktionszeiten enorm. Die Fehler können direkt ausgelesen werden, und das elektro­nische Typenschild zeigt auf einen Mausklick alle zur Ersatzteilbestellung notwendigen Informationen an.

Unterstützung gängiger Protokolle

IO-Link folgt dem Plug & Play-Prinzip. Ausgetauschte Geräte erkennt der IO Master anhand der IODD-Datei, und er überträgt die Parameter automatisch, ohne dass Eingriffe in die Software notwendig sind. Damit können auch weniger erfahrene Techniker fehlerfrei Komponenten tauschen und Anlagenstillstände deutlich verkürzen. IO-Link wird derzeit bereits von rund 130 Geräteherstellern und Technologieunternehmen getragen. Rexroth unterstützt grundsätzlich offene Standards, beispielsweise in den Motion Controls für hydraulische Aktoren mit Multi-Ethernet-Schnittstelle für alle gängigen Echtzeitprotokolle. Neben IO-Link nutzen Rexroth-Automatisierungslösungen auch den offenen Industrie-4.0-Standard OPC UA.

boschrexroth.ch

Mit berufsbegleitendem Studium die Faszination der Technik erleben

Nach dem Abschluss einer Berufslehre im technischen Bereich eröffnen sich spannende Perspektiven. Ein vielversprechender Weg ist ein berufsbegleitendes, praxisorientiertes Studium an einer Höheren Fachschule.
Während des dreijährigen berufsbegleitenden Studiums zum / zur Dipl. Techniker / in HF an der ABB Technikerschule in Baden üben die Studierenden ihren Beruf weiter aus, sodass sie das Gelernte unmittelbar in die Praxis umsetzen können.Die eidgenössisch anerkannten Bildungsgänge Dipl. Techniker / in HF in den Fachrichtungen Betriebs-, Energie-, Sys­tem- und Konstruktionstechnik, in Energie und Umwelt, Logistik, Informatik und Gebäudeautomatik, die Nachdiplomstudien sowie Vorbereitungslehrgänge auf Höhere Fachprüfungen sind eine aussichtsreiche Basis für eine erfolgreiche Fach- und Führungskarriere.

Selbstständiges Lernen ist gefragt

In Ergänzung zum Präsenzunterricht profitieren die Studierenden einerseits durch den Erfahrungsaustausch mit Studien­kolleginnen und -kollegen, andererseits wird grosser Wert auf selbstständiges Lernen gelegt. «Die Fähigkeit, sich in komplexe Themen einzuarbeiten, wird an der ABB Technikerschule explizit mit Projekt­arbeiten sowie geführtem und selbstständigem Lernen gefördert. Die Vernetzung zwischen den Lehrfächern sowie von Theorie und Praxis — dies hat in der Ausbildung an der ABB Technikerschule einen hohen Stellenwert», erklärt Juan Pereto, Prorektor der ABB Technikerschule. Zukunftsgerichtetes Know-how wie Internet of Things (IoT) vermitteln qualifizierte Dozierende — Fach­experten aus Industrie und Wirtschaft — anhand von Best-practice-Fällen.

Einzigartiges RFID-Labor

Mit fortschrittlichen Unterrichtsmethoden wie E-Learning und FlexHF werden Fachkräfte von morgen ausgebildet. Digitalisierung und modernste Technik werden im grossen Maschinenlabor, im topmodernen Elektrolabor sowie im einzigartigen RFID-­Labor nicht nur gelehrt, sondern erlebt. Mit fortschrittlichen Tools erhalten Technik­begeisterte die besten Voraussetzungen, um für die Herausforderungen der indus­triellen Praxis auf dem aktuellsten Stand der Technik gerüstet zu sein.

abbts.ch Bild: ABB TS

Bildungsangebot der ABB TS

Die ABB Technikerschule ist eine dynamische Bildungsinsti­tution in der Höheren Berufsbildung und bietet berufsbegleitend und praxisorientiert eidgenössisch anerkannte Bildungsgänge, Nachdiplomstudien sowie Vorbereitungslehrgänge auf Höhere Fachprüfungen und Weiterbildungskurse an. Die nächsten Bildungsgänge HF an der ABB Technikerschule starten im Oktober 2018.

EtherCAT mit TSN in heterogenen Netzwerken

Die EtherCAT Technology Group (ETG) ergänzt EtherCAT um Time Sensitive Networking-Technologien (TSN)und erweitert damit die Einsatz­möglich­keiten von EtherCAT in heterogenen Netzwerkumgebungen.
Mit Hilfe von TSN können Steuerungen mehrere EtherCAT-Segmente echtzeitfähig über Ethernet-Netze hinweg ansprechen. Dabei sind keinerlei Änderungen an den EtherCAT-Slave-Geräten erforderlich: das EtherCAT Device Protocol samt seiner herausragenden Eigenschaften bleibt vollständig erhalten. Um TSN erweitert wird auch das EtherCAT Automation Protocol für die Kommunikation zwischen Steuerungen, die damit noch deterministischer wird.

EtherCAT-Eigenschaften bleiben erhalten

Die ETG hat die Technologieerweiterung in Form eines Profils spezifiziert und macht damit deutlich, dass auch an den TSN-Standards keine Änderungen erforderlich sind. Dieses Vorgehen vereinfacht zudem die Anpassung an die finalen Versionen der TSN-Technologien erheblich, deren Spezifikation in der IEEE ja noch nicht durchgehend abgeschlossen ist. Von Beginn an unterstützt die ETG die TSN-Entwicklung durch aktive Mitarbeit in den IEEE-Gremien und wird bei der Adaption von TSN eng mit der IEEE 802.1 Working Group zusammenarbeiten. Eine Liaison stellt sicher, dass die ETG auch auf die noch nicht verabschiedeten IEEE-802.1-Spezifikationen zugreifen und so die Technologie zeitnah mit TSN eingeführt werden kann. EtherCAT nutzt die TSN-Streams mit beliebigen Datenraten zur echtzeitfähigen Kommunikation oberhalb von EtherCAT-­Segmenten. Im Segment selbst ändert sich nichts: Die einzigartige Performance des EtherCAT-Protokolls dank Verarbeitung im Durchlauf, die hochgenaue Synchroni­sation, die Topolo­gieflexibilität, die hervor­ra­genden Diagnosemöglichkeiten und die Einfachheit durch vollautomatische Adressierung der Geräte bleiben vollständig erhalten. Genau wie die Auswahl unter Tausenden verschiedener EtherCAT-­Geräte am Markt, an denen keinerlei Modifikation vorgenommen werden muss. Die Stream-Anpassung, mit der das Segment an das heterogene TSN-Netzwerk angebunden wird, erfolgt entweder im letzten TSN-Switch oder im ersten EtherCAT-Slave-Gerät.

Gerüstet für die Zukunft

Dr. Guido Beckmann, Chairman des ETG Technical Committee, ordnet die neue Spezifikation so ein: «Die TSN-Standards werden die Echtzeiteigenschaften von allgemeinem Ethernet signifikant verbessern. Mit unserer Technologieerweiterung nutzen wir TSN optimal — und genau dort, wo es tatsächlich deutliche Vorteile bringt: im Fabriknetzwerk. Da bei EtherCAT ein einziges Frame genügt, um mit einem gesamten Segment und damit einem ganzen Feldbusnetzwerk zu kommunizieren, ist EtherCAT geradezu prädestiniert zur Kombination mit TSN-Netzwerken. Wir erreichen dies, ohne unsere Technologie selbst auf links ziehen zu müssen. EtherCAT mit TSN ist ‹best of both worlds›. Damit ist EtherCAT perfekt für die Zukunft vorbereitet.»

ethercat.org

Durchbruch der Serviceroboter in mehreren Dienstleistungsbranchen

Mensch und Maschine arbeiten zunehmend Hand in Hand. Die neuesten Entwicklungen zeigen, wie die professionellen Serviceroboter viele neue Bereiche erobern.
Der weltberühmte italienische Tenor Andrea Bocelli hatte ernsthafte Konkurrenz um seine prominente Stellung, als Roboter YuMi von ABB gemeinsam mit ihm auf der Bühne des vollbesetzten Teatro Verdi von Pisa auftrat, um das Lucca Philhar­monic Orchestra zu dirigieren. «Heute Abend schreiben wir Geschichte – und wir beschreiben die Zukunft der Roboteranwendungen», sagte Ulrich Spiesshofer, CEO ABB Group. «YuMi beweist, wie intuitiv und lernfähig eine Maschine sein kann und wie schnell sich eine solche Technik einrichten lässt – innerhalb weniger Tage ist der Roboter in der Lage, ein Orchester zu dirigieren.»

Einfachheit als Schlüsselelement

Dies zeigt ausserdem, welche unglaublichen Fortschritte gerade im Bereich der Bedienbarkeit gemacht wurden, sodass der Programmieraufwand bei der Einrichtung insgesamt deutlich zurück­gegangen ist. Damit lassen sich Roboter­systeme nun wesentlich einfacher in vorhan­dene Teams, Warenlager und sogar in ein komplettes Orchester einfügen.

Dies sind die Schlüsselelemente, deren es bedarf, um Serviceroboter in die Welt der Logistik einzuführen, die den grössten Wachstumsbereich der Branche und damit mehr als die Hälfte des Gesamtmarktes ausmacht. Laut der International Federation of Robotics (IFR) hat die Zahl der verkauften Serviceroboter in der Logistik im Jahr 2016 um mehr als 30 Prozent gegenüber dem Vorjahr zugenommen.

Optimierung von Logistikprozessen dank Servicerobotik

In der Logistik zwingt das Zusammenspiel von steigenden Kundenerwartungen und Personalmangel die Unternehmen dazu, nach Alternativen wie zum Beispiel automatisierter Ware-zu-Person-Kommissioniertechnik zu suchen. Revolutionär ist die Kombination aus mobilen Robotern und Greifarmen. Sie ermgöglicht auch kleinen und mittleren Betrieben die Anwendung von Robotern in neuen Bereichen. Fortschritte bei der semantischen Zuordnung steigern die Roboter-Performance bei der aktiven Objektsuche und sogar bei solch komp­lexen Aufgaben wie der Regalbe­füllung. Dies macht sich das EU-Projekt REFILLS (mit Partnern wie dm-drogerie markt, Intel, KUKA und Swisslog) zum Ziel.

Grosses Potenzial in Gesundheitswesen und Landwirtschaft

Serviceroboter im Medizinbereich gehören zu den teuersten Robotern überhaupt. IFR zufolge wird der Markt in den nächsten vier Jahren um durchschnittlich etwa 25 Prozent pro Jahr wachsen. Das grösste Anwendungsgebiet der Medizinroboter sind derzeit chirurgische Systeme. Das grösste Potenzial sehen Fachleute allerdings in Logistiksystemen für Krankenhäuser: Die laufenden Kosten liessen sich damit um bis zu einen Fünftel reduzieren. So ist das Ziel des EU-Projekts ROPOD, intelligente und menschenfreundliche automatisierte Fahrzeuge zu entwickeln, um Kosten­bedenken und Altlasten in Pflegeeinrichtungen zu überwinden.

Automatisierung des Ackerbaus

Exoskelette erfahren ebenfalls starkes Wachstum. Sie unterstützen Arbeiter ergonomisch bei schwerer körperlicher Arbeit. So bleiben Arbeitnehmer länger gesund und arbeitsfähig – bis zum Renteneintritt. Zu den Vorreitern in diesem Bereich gehören Noonee, Laevo sowie die EU-Projekte SPEXOR und Robo-Mate.

In der Landwirtschaft werden Service­roboter darauf ausgelegt, im Zusammenspiel mit dem Menschen nachhaltig den Ertrag zu steigern. Die Automatisierung von Ackerbau und Viehzucht nimmt zu. Anwendungsorientierte Projekte wie beispielsweise MARS (Mobile Agricultural Robot Swarms, mobile Feldroboterschwärme) legen den Fokus auf kleine intelligente unbemannte Landfahrzeuge, die Bodenverdichtung und Energieverbrauch reduzieren und den Einsatz von Saatgut, Düngemitteln und Pestiziden verringern. Ein anderes EU-­finan­ziertes Projekt, SAGA, entwickelt mit Sensoren ausgerüstete Drohnen, um Landwirten in der Präzisionslandwirtschaft deutlich informiertere Entscheidungen zu ermöglichen.

Eine Chance für Europa

«Serviceroboter sind längst nicht mehr nur ein Forschungsthema. Im Business-­to-Business-Bereich bietet eine Vielzahl marktreifer Produkte und Lösungen dem Anwender einen konkreten Nutzen mit einem direkten Geschäftsvorteil», sagt Klaus Kluger, Geschäftsführer der Omron Electronics GmbH für Deutschland, Österreich und die Schweiz. Europa dominiert dieses Feld und bietet Gelegenheiten für Investitionen, muss aber auch die Interoperabilität und Effektivität der Systeme sicherstellen.

Hohe Umsatzerwartungen

Laut IFR wuchs die Anzahl der verkauften professionellen Serviceroboter im Jahr 2016 um 24 Prozent. Für 2017 wird eine Steigerung des Absatzes um 17 Prozent und für die Jahre 2018 bis 2020 ein jährliches Plus zwischen 20 und 25 Prozent erwartet. Der Umsatz mit professionellen Servicerobotern betrug 2016 weltweit 4,67 Milliarden USD. Das starke Wachstum ermöglicht auch die Entwicklung eines breiten Spektrums an Basistechnologien wie zum Beispiel Softwarelösungen – das aktuelle Ziel des EU- Projekts RobMoSys.

Gleichzeitig steigt der Bedarf an Mensch-­Roboter-Interaktion, zumal Serviceroboter für persönlichen und häuslichen Einsatz an Beliebtheit gewinnen.

Hochkomplexe Haushaltsroboter werden kommen

Schätzungen der IFR zufolge werden bis zum Ende des Jahrzehnts mehr als 42 Millio­nen Unterhaltungs- und Haushaltsroboter in unsere Haushalte einziehen. «Zukunftsvisionen zeigen hochkomplexe Haushaltsroboter mit deutlich höherem Nutzen und breiterem Einsatzgebiet», sagt Martin Hägele, Leiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme am Fraunhofer IPA.

automatica-munich.com Bild: ABB Bild: ZHAW Bild: Fendt

Automatica 2018

Der Ausstellungsbereich professionelle Servicerobotik auf der Automatica 2018 wird die allerneuesten technologischen Entwicklungen für den B2B-Bereich präsentieren. Von Robotern in der Kunden­infor­ma­tion – die von Einzelhändlern und Museen als Informationsanbieter immer mehr genutzt werden – bis zu den neuen Robotern für die Lieferketten und Vertriebszentren des digitalen Zeitalters: Die Automatica 2018 wird die neuesten Automatisierungslösungen für den Dienstleistungssektor zeigen, die schon in Kürze im Einsatz sein werden.

Die wundersame Welt der Blockchain-Technologie

Blockchain könnte in Zukunft fast überall eingesetzt werden. Zum Beispiel auch in Energienetzen. Bruno Herzog von Siemens erklärte in einem Vortrag, wie das funktionieren kann.
Eugen Albisser — Blockchain ist eigentlich nicht mehr als eine digitale Verschlüsselungstechnik, über die sich Handels­geschäfte direkt abwickeln lassen. Daher sind die Anwendungen mit Blockchain äusserst vielfältig. Obwohl man heute vor allem die Finanzindustrie über Blockchain reden hört, passt sie auch in alle möglichen Indus­trien. In diesem Vortrag sollen Beispiele aus der Energiebranche gezeigt werden, wie sie zu einem «Door Opener» werden kann.

Ein Netz mit Blockchain

Im Energiebereich sind die Microgrids stark im Kommen. Das sind Inselnetze. Eine Darstellung vom BFE (Abbildung 1) zeigt sehr gut, wie ein solches Netz mit Blockchain aussehen kann. Nehmen wir an, Frau Bernasconi will ihr Elektromobil tanken. Das kann sie heute natürlich schon ganz einfach machen. Doch sie möchte wirklich wählen können, zum Beispiel möchte sie die Energie bei Herrn Müller kaufen. Frau Bernasconi löst also eine Transaktion aus, diese wird im Netzwerk geprüft und bewilligt. Dann wird sie in einem Datenblock erfasst, diese wird einer Datenkette hinzugefügt und schliesslich bei Herrn Müller als Transaktion vollzogen. Dann wird der Strom geliefert.

Live-Trading mit Blockchain

Dass die Energiebranche sich heftig mit Blockchain beschäftigt, sieht man auch daran, dass einzelne Unternehmen wie Vattenfall zusammen mit 25 Partnerfirmen eine Machbarkeitsstudie in Auftrag gegeben haben, um die Eignung der Block­chain-­Technologie für verschiedene Anwendungsfälle im Energiemarkt zu prüfen. In einem Zeitungsartikel heisst es abschliessend: «Die Studie soll vorerst bis zum Jahresende laufen. Dann hofft Vattenfall, ausreichend Erfahrung gesammelt zu haben, um erstmals ein Live-Trading mit Blockchain durchführen zu können.»

Fünfmal so viel Energie, wie die Gemeinde verbraucht

Aber zurück zu den Microgrids. Wie so eine Insellösung aufgebaut werden kann, sieht man zum Beispiel in Wildpoldsried bei Kempten im Allgäu, wo das Projekt «Irene» umgesetzt wird. Bereits jetzt ist das Projekt so weit fortgeschritten, dass dort ein Erzeugungsmix aus Solar, Windkraft, Biogas und Biomasse fünfmal so viel Energie aus erneuerbaren Energieträgern erzeugt, wie die Gemeinde selbst verbraucht. Die Forschungsziele sind:

– Umkehr von Lastflüssen durch Einspeisung erneuerbarer Erzeuger

– Einfluss der Elektromobilität auf die Verteilnetze

– Ökonomisch optimierter Netzausbau und -betrieb

Grid-Controller stellt Ausgleich dar

Hier wie anderswo auch spielt die Netz­stabilität eine übergeordnete Rolle. Es sollte immer gewährleistet sein, dass 50 Hertz im Netz sind. Das heisst, wenn man zu viel oder überproportional viel Energie erzeugt, ergeben sich Netzschwankungen, und das ist die Herausforderung. Hier kommt die Elektrotechnik dazu, welche den Takt vorgeben kann. Im Fall von Wildpoldsried bei Kempten zum Beispiel in einem Inselnetzbetrieb mit einem SICAM- Microgrid-Controller, also einem Micro-Cont­roller, der schaut, dass dieser Ausgleich jede Sekunde hergestellt ist.

Neue Situation ab 2018

Wie kann man etwas Ähnliches nun auf die Schweiz übertragen? Unsere Energieversorger haben sehr stabile Netze, und es ist wahrscheinlich nicht unbedingt empfehlenswert, sich vom Vorlieferanten loszu­lösen. Nichtsdestotrotz wird es ab 1. Januar 2018 möglich sein, Eigenverbrauchs­gemeinschaften (EVG) zu bilden. Konkret heisst das: Die EVG verfügt gegenüber dem Netzbetreiber über einen einzigen Messpunkt. Der Verteilnetzbetreiber hat das Recht, den Bezug und die Rücklieferung der Eigenverbrauchsgemeinschaft mit eigenen Zählern zu messen und diese Kosten der EVG in Rechnung zu stellen. Innerhalb der EVG ist die Messung und Abrechnung der Mitglieder Sache der EVG.

Interne Balance suchen

Ab nächstem Jahr kann man ein Quartier bauen und eine Eigenverbrauchsgemeinschaft mit einem Zählpunkt gründen. Dieser Zählpunkt wird dann verrechnet für den Austausch — und intern wird geschaut, dass eine Balance erreicht wird. Dann kann es natürlich passieren, dass auf dem Zähler eigentlich gar nie etwas fliesst respektive sogar zurückfliesst, wenn man zu viel Energie hat. D. h., diese EVG hätten auch die Möglichkeit, ein Inselnetz zu werden.

Ob dies Realität sein kann, wird sich zeigen. Aber wichtig für die Branche ist, sich zu überlegen, wie sie darauf reagieren kann. Denn solche so genannten Arealnetze brauchen eine Servicedienstleistung. Und wenn man die disruptiven Geschäftsmodelle anschaut, kann es schnell passieren, dass ein Unternehmen aus einem vollkommen anderen Bereich diese Dienstleistung übernimmt.

Der Blockchain-Ansatz

Nun kommt noch der Blockchain-Ansatz zum Tragen. Dazu gibt es ein Beispiel aus Brooklyn, New York, wo ein Projekt umge­setzt wurde, das mittels Peer-to-­Peer-Transaktionen funktioniert. Brooklyn ist geografisch gesehen eine Teilinsel, die immer wieder wegen Stürmen Blackouts hatte. Dennoch liefert beispielsweise die Photovoltaik weiterhin Strom. Die Ausgangslage war also diese: Wie kann man das System auch dann betreiben, wenn das Netz weg ist?

Man baute zuerst ein so genanntes Microgrid, um das Netz kontrollieren zu können. Dort sind auf der einen Seite die Kunden, die Solarstrom beziehen möchten, auf der anderen die Produzenten, die mehr Solar­energie produzieren, als sie selber brauchen. Das war die Ausgangslage, als man sich fragte: Wie können wir dieses System auch betreiben, wenn das Netz weg ist? Darauf haben die Firmen Trans­activegrid und LO3 Energy die Blockchain aufgesetzt; Siemens ist der Partner, der die ganze Elektrotechnik im Hintergrund macht, damit das Netz und damit die in den USA üblichen 60 Hz auch im Inselfall bestehen bleiben.

Vielfältige Handelsmöglichkeiten

Mit dem Peer-to-Peer-Handel stehen alle Teilnehmer in einem möglichen Kontakt: Konsumenten, Produzenten, Anlagen­betreiber und Netzbetreiber. So können Teilnehmer am lokalen P2P-Marktplatz direkt untereinander Handel betreiben, oder der Handel findet zwischen Aggre­gator, lokalem Versorger, Netzbetreiber und Teilnehmer am lokalen P2P-Markt­­platz statt. Oder zwischen lokalem Marktplatz und Nachbarmarktplatz sowie «konven­tionellen» Märkten. Dieser Peer-to-Peer-Handel findet mittels so genannter «Smart Contracts» auf Basis von Blockchain statt.

«Wir zeigen, was Blockchain bewirken kann»

Lawrence Orsini, Gründer von LO3 Energy, sagte in einer Pressemitteilung von Siemens: «In der Finanzwelt ist Blockchain-Technologie über viele Bereiche hinweg schnell vorangeschritten. Im Energiemarkt sieht das im Vergleich dazu jedoch noch anders aus. Mit unserer Microgrid-­Lösung in Brooklyn werden wir die Anfänge dessen zeigen, was Blockchain in der Welt von ‹transactive energy› bewirken kann.»

Beim Microgrid in Brooklyn, das als Pilotprojekt von LO3 Energy startete, wird erstmals eine Microgrid-Control-Lösung von Siemens mit der Transactive Grid genannten Peer-to-peer-Handelsplattform von LO3 Energy vereint.

Weitere unterschiedliche Geschäftsmodelle erproben

Zur Steigerung der Effizienz der Gesamtsysteme wird die Funktion der Plattform neben dem Handel mit erzeugter und gespeicherter Energie auch das Handeln mit Flexibilitätsoptionen der Verbraucher umfassen. Des Weiteren sollen mit der Kombination der Transactive-Grid-Tech­nologie von LO3 Energy und den Micro­grid-Control-Lösungen von Siemens der temporär autarke Betrieb heterogener Microgrids — zum Beispiel nach Unwetterkatastrophen — einfacher und die Nutzung bestehender Betriebsmittel der Netzinfrastruktur optimiert werden.

Auf Basis der Erfahrungen aus dem Pilotprojekt in Brooklyn wollen Siemens und LO3 Energy weitere blockchainbasierte Micro­grid- und Smart-City-Projekte implementieren, um weitere unterschiedliche Geschäftsmodelle zu erproben sowie Erkenntnisse für die Replizierbarkeit der Lösungen in anderen Regionen der Welt zu gewinnen.

Manipulationen so gut wie ausgeschlossen

Die Blockchain-Technologie, bei der es sich um ein Verfahren der Datenspeicherung und -validierung handelt, ermöglicht direkte Geschäfte zwischen Stromer­zeugern und -verbrauchern. Transaktionen werden hierbei nachvollziehbar und fälschungs­sicher auf verteilten Systemen gespeichert, ohne dass es hierfür einer zentralen Kontrolle bedarf. Durch kryptografische Verfahren und die verteilte Speicherung sind Manipulationen so gut wie ausgeschlossen. Andererseits wird durch Authentisierungsverfahren die Vertraulichkeit der Daten der Teilnehmer gewährleistet. In der Finanzwelt nutzt zum Beispiel die Kryptowährung Bitcoin das Blockchain-Verfahren.

Kostenreduktion dank Echtzeit-Peer-to-Peer-Transaktion

Die grundlegenden Vorteile der Blockchain-Technologie im Energie-Umfeld ist sicherlich die Kostenreduktion: Man braucht kein separates Abrechnungs­system mehr wie zum Beispiel Paypal oder Transakt, denn es erfolgt eine Echtzeit-Peer-to-Peer-Transaktion. Auch die Sicherheit ist wesentlich grösser. Man beruft sich hier auf unveränderbare Einträge und gegenseitiges Vertrauen. Auch fallen keine Zusatzkosten für Sicherheitsprüfung und Herkunftsnachweis an. Es findet ausser­dem eine Optimierung statt, weil die Daten verteilt abgelegt sind.

Dieser Artikel entstand zu grossen Teilen aufgrund eines Vortrags von Bruno Herzog, Leitung Account Management bei Siemens, am Euroforum-Anlass «Blockchain an einem Tag».

siemens.ch

«Wir wollen zeigen, was Blockchain in der Welt von ‹transactive energy› bewirken kann.»

Lawrence Orsini

Bild: BFE/Stämpfli AG Bild: Siemens Bild: Siemens/LO3 Energy

Optimierung einer Kolbenpumpe hinsichtlich Kavitation

Ziel dieses Projekts war es, den Prozess eines Flüssigabfüllsystems zu untersuchen und zu optimieren. Die ZHAW und Bosch Packaging Systems geben einen faszinierenden Einblick in ihre Untersuchungmethoden.
Im Rahmen eines zweijährigen KTI-Pro­jekts haben das Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissen­schaften (ZHAW School of Engineering) und die Firma Bosch Packaging Systems AG zusammengearbeitet. Ziel war, den Prozess eines Flüssigabfüllsystems zu untersuchen und zu optimieren, um die Pro­duktivität zu steigern. Ein wichtiger Teil­aspekt war die simulationstechnische sowie experimentelle Charakterisierung einer Kolbenpumpe hinsichtlich Kavitation.

Integrale Systeminnovation

Bosch Packaging Systems AG gilt als ein weltweiter Anbieter von Erst- und Zweitverpackungslösungen für den Verpackungsstil Stickpack und Flachbeutel (Sachet). Ihre Kernkompetenzen liegen in den Bereichen Siegeltechnologie und im Dosieren von pulvrigen, granulatartigen sowie flüssigen Produkten. Um den wachsenden Anforderungen im internationalen Umfeld gerecht zu werden, sind innovative Weiterentwicklungen der hochwertigen Verpackungs­systeme unabdingbar. Ein wichtiger Gesichtspunkt ist die Geschwindigkeit solcher Abfüllanlagen. Bei der Flüssigab­füllung ist dies unter anderem durch die Kapazität der Förderpumpe gegeben. Beim Betrieb mit zu hohen Taktzahlen tritt jedoch das Phänomen der Kavitation auf: Beim Ansaugvorgang wird ein Unterdruck, tiefer als der Sättigungsdampfdruck der transportierten Flüssigkeit, im Zylinderraum erzeugt. Gründe dafür sind Trägheits- und Reibungseffekte sowie die Stoffeigenschaften des Fluids.

Als Folge verdampft das Medium, und Dampfbläschen bilden sich. Normalisiert sich der Druck beim Ausstossvorgang wieder, implodieren diese, und es entstehen lokal extreme Druckstösse. Bei Dauer­belas­tung in Wandnähe führt dies zu mechanischen Schäden an der Pumpe, was harte Kavitation oder Dampfschlag genannt wird. Unter Verwendung technischer Hilfsmittel wie numerischer Strömungs­simulationen (CFD = Computational Fluid Dynamics) und einem prozessnahen Versuchsaufbau wurden eine strömungstechnische Optimierung der Kolbenpumpe erreicht und die Kavitation massgeblich reduziert. Demzufolge wurde eine Produktivitätssteigerung der Flüssigabfüllanlage erzielt.

Prüfstände gewähren Einblick in physikalische Vorgänge

Um das Phänomen der Kavitation grund­legend zu untersuchen, wurde ein ver­einfachter Prüfstand (siehe Abbildung 1) mit Wasser als Arbeitsmedium realisiert. Das Wasser tritt von links in den Kanal ein, welcher sich verengt und dann sprung­artig wieder erweitert wird. Dadurch entsteht an dieser Stelle ein Unterdruck, welcher ab einem gewissen Massenstrom so gross wird, dass Kavitation auftritt. Um die Dampf­bläschen sichtbar zu machen, wurde der Versuchsaufbau mit seitlichen Plexiglasscheiben ausgestattet. Hoch­sensible Drucksensoren und Highspeed-Kameraaufnahmen dienten der Charak­terisierung des Phänomens.

In enger Zusammenarbeit mit dem Industriepartner wurde der Hauptprüfstand (Abbildung 2) erarbeitet, welcher die gleichen Funktionen wie ein einzelner Strang der Abfüllanlage übernimmt. Er besteht hauptsächlich aus einem Einfülltank, Rohrleitungen und einer Kolbenpumpe mit Drehschieber, der die Zu- und Abfuhr reguliert. Die Siegeltechnologie und die Verpackungseinheit wurden für die Forschung am Abfüllprozess nicht integriert. Als Arbeitsmedien kamen wahlweise Wasser oder dickflüssigere Substanzen (z. B. Senf) zum Einsatz. Wie beim Kavitationsprüfstand wurden hochauflösende Sensoren integriert, um wichtige Daten über das Strömungsverhalten aufzuzeichnen.

Die Ergebnisse aus den beiden Prüfständen gewährten Einblick in die verschiedenen Vorgänge und Phänomene bei den hohen Abfüllgeschwindigkeiten. Die Daten dienten zudem zum Vergleich und zur Validierung der folgenden CFD-Simulationen.

Strömungstechnische Untersuchung mittels CFD-Simulationen

Mehrphasenströmungen, das heisst Strömungen mit zwei oder mehreren Fluiden mit unterschiedlichen Aggregatszu­ständen, sowie Phasenübergänge sind simulationstechnisch meist schwierig zu charakterisieren und nur mit gewissen Vereinfachungen möglich. Je nach Strömungsart und Verhalten der verschiedenen Phasen zueinander kommen angepasste Modelle zum Einsatz. In diesem Fall wurde die Strömung mit Kavitation durch das sogenannte Raighley-Plesset-Modell abgebildet. Dieses beschreibt das Verhalten von Gas- oder Dampfblasen in einer Flüssigkeit sowie die Verdampfung und Kondensation mit Hilfe des Sättigungsdrucks. Für die Kalibrierung des Modells und um die Simulationen zu validieren wurden die Resultate mit Highspeed-Kameraaufnahmen am Kavitationsprüfstand verglichen. Die Kamera­aufnahmen wurden über einen bestimmten Zeitraum im Bereich der Kanalverengung gemittelt und eingefärbt (Abbildung 3, oben). Parallel dazu ist der berechnete Volumenanteil der Gasphase aus der CFD-Simulation (Abbildung 3, unten) ersichtlich. Rote Stellen zeigen Bereiche mit hohem Dampfanteil, wobei blaue Stellen kavitationsfrei sind. Die Strömungsberechnung zeigt qualitativ eine gute Übereinstimmung. Auch quantitativ weisen die berechneten Drücke eine Abweichung von weniger als 13 Prozent im Vergleich zu den Messungen auf.

Untersuchung und Optimierung der Kolbenpumpe

Nach erfolgreicher Validierung des Kavitationsmodells wurde die bestehende Geometrie der Kolbenpumpe mit Wasser als Arbeitsmedium simuliert und am Hauptprüfstand ausgemessen. Abbildung 4 zeigt den Druckverlauf im Zylinderraum der Pumpe beim Ansaugvorgang sowie den Hub des Kolbens. Bei einer Taktzahl (Anzahl Zylinderhübe pro Minute) von 125 beträgt der Unterdruck ca. 30 000 Pa, das heisst, der ganze Arbeitsvorgang ist kavitationsfrei. Im Gegenzug wird bei einer Taktzahl von 200 der Sättigungsdampfdruck (ca. 3160 Pa Absolutdruck bei 25 °C) erreicht, und Kavitation tritt auf. Die Druckspitzen von über 500 000 Pa bei einer normali­sierten Zeit von 0,8 — 1 sind ein Indiz für Dampfschlag beziehungsweise die Implosion der Gasblasen. Es zeigte sich anhand der Simulationen und den Messungen, dass erste Kavitationseffekte ab einer Taktzahl von 140 auftreten.

Unterdruckzonen mit geometrischen Anpassungen reduzieren

In diesem Fall ist der grosse Vorteil der CFD-Analysen im Vergleich zu den experimentellen Untersuchungen, dass nicht nur Kavitation, sondern auch die Stellen mit auftretender Blasenbildung detektiert werden können. Zudem ist ein erweiterter Einblick in das Strömungsverhalten im Pumpeninnenraum möglich. Abbildung 5 (links) zeigt Regionen mit einem erhöhten Dampfanteil während des Ansaugvorgangs. Den Grund für den Phasenwechsel an dieser Stelle liefert die Geschwindigkeitsverteilung im Schnitt durch die Kolben­pumpe (Abbildung 5, rechts): Durch die erhöhte Geschwindigkeit beim Einströmen in den Zylinder tritt eine Strömungsab­lösung auf (Abbildung 5, Markierung rechts), was in einem starken Unterdruck resultiert. An diesem Übergang verdampft das Wasser und wird weiter in den Zylinderraum ­hineingezogen. Beim Ausstoss­vorgang wird das Druckniveau wieder erhöht, die Dampfblasen implodieren, und Dampfschläge treten auf. Um letztere zu ver­hindern, mussten folglich solche Unter­druckzonen mit geometrischen Anpassungen reduziert werden.

Durch die gewonnenen Erkenntnisse der Simulationen und der Messungen am Prüfstand wurde eine zielgerichtete Parameterstudie durchgeführt. Das Verfahren der statistischen Versuchsplanung, das sogenannte Design of Experiment (DoE), diente als effektives Hilfsmittel, um die wichtigsten geometrischen Einflussgrössen (Zylinderdurchmesser usw.) zu bestimmen und dementsprechend zu optimieren. Schlussendlich resultierte eine überarbeitete Geometrie der Pumpe, welche einen kavitationsfreien Betrieb bis zu einer Taktzahl von 170 zulässt.

Fazit

Die CFD-Simulationen waren sehr aufschlussreich für das Verhalten der Strömung im ganzen System und vor allem in der Kolbenpumpe selbst. Anhand vorgenommener geometrischer Optimierungen konnte die Pumpe hinsichtlich Kavitation optimiert werden. Durch die Steigerung der Taktzahl mit kavitationsfreiem Betrieb um 22 Prozent konnte die Produktivität der Abfüllanlage massgeblich gesteigert werden.

zhaw.ch Bilder: ZHAW

Die Autoren

Lorenz Brenner, David Denzler, Martin Schneider und Frank Tillenkamp arbeiten am Institut für Energiesysteme und Fluid­engineering (IEFE) an der ZHAW School of Engineering. Am IEFE untersucht die Fachgruppe Energiesysteme und Kältetechnik unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Frank Tillenkamp angewandte Fragestellungen rund um ther­mi­sche Energiethemen in industriellen Anwendungen. In gemeinsamen Projekten mit Industriepartnern werden Wirkungsgrade und Betriebs­weisen von Maschinen und Anlagen verbessert.

Industrie 4.0 und das Aufräumprinzip

Wer von Losgrösse 1 träumt, darf die Komplexität nicht vergessen. Und da lautet die sinnvollste Lösung: Räumen Sie zuerst auf.
Eugen Albisser — Definitionsfragen haben es in sich. Sie lassen uns resignieren oder optimistisch werden. Je nachdem, ob man mannigfaltige, pluralistische und dialektische Antworten mag. Denn nicht immer gibt ein Nachschlagewerk eine befriedigende Antwort auf die Frage «Was ist ein …?», sondern man gelangt erst über die Zwischenfrage «Was will ich damit machen?» zur Antwort. Aber diese kann entsprechend vielfältig sein. Auf diese Weise muss auch jedes Unternehmen die Frage nach einer Definition von Industrie 4.0 individuell für sich beantworten: «Was wollen wir damit machen und erreichen?»

Prof. Dr. Christoph Heitz, Präsident der Swiss Alliance for Data Intensive Services und Professor an der ZHAW, hat über diesen Unterschied nachgedacht und seine Erkenntnisse in einem Vortrag an der ZHAW bei der Konferenz «Perspektiven mit Industrie 4.0» vorgetragen. Und er hat mit der Frage nach dem individuellen Firmenbedürfnis bereits beim Einstieg in den Vortrag «Industrie 4.0: Die Stunde der Innovatoren» jene entmutigt, die noch immer auf eine universell anwendbare Lösung hoffen. Die gibt es nicht. Aber es gibt durchaus Beispiele, welche die Kreativität anregen.

«Innovativ sein» ist offensichtlich nicht so trivial

Airbnb ist ein solches Beispiel, das einige zwar nicht mehr hören können, aber der interessante Punkt ist offensichtlich, dass man sich zu solchen Musterbeispielen diverse Fragen selber stellen kann. Eine der Interessantesten: «Wenn Sie sich nun ein wenig zurücklehnen und eine solche Plattform entwickeln müssten, wie denken Sie, würde diese schlussendlich aussehen?», fragt Professor Christoph Heitz. «Genau: so wie Airbnb. Es ist eine Lösung, die genauso aussieht, wie man sie sich wünscht.»

Airbnb wurde 2008 gegründet; doch man hätte die Plattform auch bereits im Jahr 2000 erfinden können. Alle Technologien gab es da schon. Warum dauerte es so lange? «Es ist nicht Rocket Science. Und dennoch hat es hat acht Jahre gedauert, bis jemand kam und die Plattform erstellte. Offensichtlich ist es doch nicht so trivial, wenn man innovativ sein will», sagt Heitz.

Industrie 4.0 ist eher die Beschreibung einer Phase

Dennoch gibt es auf der Suche nach Industrie-4.0-­Innovationen ein paar feste Pfeiler, auf die man bauen kann. Schon fast ein Mantra dürfte sein: Die Lösung wird neu sein. «Sie wird noch nie da gewesen sein, wenn es eine wirkliche Innovation sein soll. Sie werden etwas Neues erfinden, und Industrie 4.0 ist weniger eine Beschreibung eines Dinges, sondern die Beschreibung einer Phase. Denn das Neue passiert nicht im luftleeren Raum und basiert nicht auf Zufall», ist Heitz überzeugt. Die Innovation wird auf drei Elementen basieren. Die Rohstoffe sind vorhanden: die Daten. Und diese werden immer mehr.

Das Internet der Dinge und seine Entwicklung

Daten, Daten, Daten. Und dies aus rund 30 Milliarden Geräten derzeit und 50 Milliarden Geräten im Jahr 2020.

Doch damit ist es noch nicht getan: All diese Geräte liefern zwar Daten, aber inzwischen haben die Forschung und die Industrie auch gelernt, die Daten zu analysieren und daraus etwas Sinnvolles heraus­zu­holen. Und dies ist das zweite Element: Hilfsmittel wie deter­ministische Algorithmen und statische Daten­analyse. Noch werden Algorithmen mehrheitlich eingesetzt, doch die statische Datenanalyse oder allgemein die künstliche Intelligenz (KI) ist auf dem Vormarsch. Wie weit die KI bereits ist, zeigt immer wieder IBMs Watson: Bereits im Jahr 2010 schlug Watson im Spiel Jeopardy seine menschlichen Kontrahenten. Und das dritte Element, so Christoph Heitz, sei die Vernetzung: «Sie können heute von überall zu jeder Zeit und beinahe ohne Kosten auf Daten zugreifen. Diese Welt gab es vor 15 Jahren noch nicht, und das sind drei Elemente, die dafür verantwortlich sind, dass wir Dinge machen können, die wir zuvor nie machen konnten. Das ist ein riesiger Raum für Innovationen, der gefüllt werden will mit Produkten.»

Hilfe suchen, Hilfe finden

Dass trotz diesen drei vorhandenen und allen Firmen zugänglichen Grundlagen für Industrie-4.0-Innova­tionen insbesondere KMU aber auf Unterstützung angewiesen sind, das steht ausser Frage. Christoph Heitz: «Man könnte das auch alleine machen, aber es zeigt sich, dass dieser Weg zu lange dauert. Und anderseits stehen auch in der Schweiz bereits Anlaufstellen zur Verfügung, die über ein grosses Know-how in vielen Bereichen verfügen.» Zu diesen Anlaufstellen zählen unter anderem die Plattform Industrie 2025, die ZHAW-Plattform Industrie 4.0, die ETHZ, die Swiss Alliance for Data Intensive Services oder die KTI.

Hilfe kann also überall geholt werden, und für Prof. Dr. Christoph Heitz ist es wichtig, dass Firmen nicht warten, bis sie verstanden haben, was Indus­trie 4.0 genau ist. Professor Heitz: «Wir müssen uns alle aus der Komfortzone bewegen. Wir brauchen Kompetenzen, die wir heute noch nicht haben und die man vielleicht erst nach dem ersten oder zweiten Projekt benennen kann. Das braucht Mut, aber es ist äusserst fraglich, ob Firmen ohne Industrie 4.0 in fünf Jahren noch auf dem Markt sind.»

Industrie 4.0 hat etwas mit Kunst zu tun

Wie sollen wir umgehen mit der Komplexität von Industrie 4.0? Diese grosse Frage beschäftigt Wolfgang Merz, CTO von Wagner Industrial Solutions. Die Firma Wagner kommt aus einem traditionellen Geschäft, aber vor zwei Jahren hat sich das Unternehmen eine komplett neue Strategie erdacht.

Beim Umsetzen dieser neuen Strategie musste sich die Geschäftsleitung die Frage stellen: Wie transformieren wir eine Organisation so, dass sie möglichst breit abgeholt werden kann für die Belange von Industrie 4.0? «Wir haben sehr viele Definitionen gefunden, aber auch bemerkt, dass wir den Wechsel so voran­treiben wollten, indem wir möglichst viel von der Organisation mitnehmen», sagt Wolfgang Merz. Das Ziel war schnell klar: Losgrösse 1 für die industrielle Produktion — was einem Wachstum im Produktportfolio gleichkommt — mit Datenanalyse Mehrwert schaffen und dann selbstoptimierende Systeme entwickeln.

Doch wie schafft man einen solchen Wandel, ohne dass es zu einem Komplexitätszuwachs kommt, den man nicht mehr beherrschen kann? Wolfgang Merz hat eine einfache Antwort: Indem man sich beim Künstler Ursus Wehrli inspirieren lässt. «Kunst aufräumen» heisst es nämlich bei ihm, und er zeigt damit immer wieder — wie auch auf der Briefmarke der Post (Auftaktbild) —, dass Kunst zwar komplex sein kann, aber dass sie durchaus auch «aufräumbar» ist.

Wir lernen von Ursus Wehrli: Wenn einer Kunst vom Komplexen in die Simplizität führen kann, dann dürfte das systematische Ordnen in anderen Bereichen ebenfalls gelingen — und uns eine andere Perspektive auf das Resultat geben.

Glücklicherweise hat es noch einen Schweizer gegeben mit einem monströsen Ordnungssinn: der Astrophysiker Fritz Zwicky (1898 — 1974). Zwicky eröffnete mit seiner heuristischen Kreativitätstechnik eine Methode, die sogar etwas besser passt zum Umgang mit der Reduktion von Komplexitäten bei der Einführung von Industrie 4.0 als «Kunst aufzuräumen».

Eine mehrdimensionale Matrix bildet bei Zwicky die Grundlage für eine morphologische Analyse.

Dieser sogenannte morphologische Kasten hat auch bei der Firma Wagner Klarheit darüber gegeben, wie sie die Produktvariation hochhalten und dennoch mit Losgrösse 1 produzieren können, ohne in einen Komplexitätszuwachs zu rutschen.

Wolfgang Merz: «Ich habe Ihnen einmal ein Beispiel von einer Datenmenge mitgebracht, die relativ komplex aussieht.»

«Wenn wir dies aber jetzt verschieben, sehen wir schnell, da kommen Muster darin vor, verschiedene Formen und aus diesen Farben und Formen im Rahmen können wir einen grundsätzlichen morphologische Struktur bauen, indem wir zuerst einmal Ausprägungen identifizieren. Allein mit diesen zwei Dimensionen erhalten wir eine komplette Übersicht, und aus vier Merkmalen und je drei Ausprägungen haben wir bereits 81 verschiedene Produktvarianten», sagt Wolfgang Merz. «Statt also wie üblich beim nächsten Produkt die Kundensegmente anzuschauen, die Märkte zu beschreiben, ein Lasten- und ein Pflichtenheft zu führen und dann ein Produkt zu realisieren, nehmen Sie ein Blatt zur Hand, versehen Ihre Kunden mit Merkmalen, beschreiben die möglichen Ausprägungen, und Sie werden überrascht sein, wie viele relevante Merkmale Sie finden, um Ihre Kunden zu beschreiben.»

Es werden jedenfalls weniger sein als gedacht, erklärt Merz. Fünf bis zehn werden reichen. Das Vorgehen mittels morphologischem Kasten hat weiter den Vorteil, dass man fast zwangsweise eine Standardisierung der Produkte erreicht. Und es erleichtert eine spätere Produktergänzung erheblich. «Sie müssen nun einfach entweder den morphologischen Kasten erweitern, oder Sie geben im morphologischen Kasten einfach eine andere Lösung ein – und schon können Sie weitere Märkte erschliessen.»

Industrie 2025 — industrie2025.ch

Plattform Industrie 4.0 — zhaw.ch

Inspire — inspire.ethz.ch

Swiss Data Alliance — swissdataalliance.ch

Swiss Alliance for Data Intensive Services —
data-service-alliance.ch

KTI — kti.admin.ch

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