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Wenn Maschinen kommunizieren

Vernetzte Produkte: Intelligente elektronische Bauteile nicht nur für Industrie 4.0
Wenn Maschinen kommunizieren

In der Industrie-4.0-Welt passen sich Maschinen autonom an veränderte Randbedingungen an, rekonfigurieren sich selbst und informieren sich gegenseitig über ihren aktuellen Zustand. Basis hierfür sind intelligente elektronische Bauteile.

Der Traum von Industrie 4.0 ist eine schöne neue Welt mit Massen individualisierter Produkte und Maschinen, die im Internet der Dinge miteinander kommunizieren. Steigende Flexibilität, Adaptionsfähigkeit und Selbstoptimierung sowie die unterschiedlichen Kommunikationsmöglichkeiten und das große Datenvolumen fordern den Produkten und den produzierenden Maschinen sowie ihren Komponenten einiges ab. Dies gilt auch für die Herstellung medizintechnischer Teile. Sensorik, Aktorik, Kommunikationssysteme, Steuerung und Mechanik müssen derart konzipiert sein, dass sie reibungslos ineinander greifen. Dies gilt bereits für die Ebene der elektronischen Bauteile wie Leistungssteller und PID-Regler, denn sie sind die Basis für eine erfolgreiche Maschine-zu-Maschine- und Mensch-zu-Maschine-Kommunikation.

Intelligente Leistungssteller passen Strom und Spannung den jeweiligen Erfordernissen an. Intelligente Regler gleichen in einem geschlossenen Regelkreis die Soll- mit den Ist-Werten ab und sorgen durch permanentes Nachregeln für eine Übereinstimmung dieser Werte. Beide Geräte geben ihre Daten an die zentrale Steuerung und an Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) wie Monitore, Tablets oder ähnliche Endgeräte. Diese HMIs erlauben die Interpretation der Daten durch den Menschen und sein Eingreifen. Die drahtlose Übertragung der Daten über das Internet gestattet zudem die Fernanalyse und -wartung der Anlagen und Maschinen.
Eine wichtige Rolle hierbei spielen PID-Regler mit Zählerfunktion. Sie erfassen die Anzahl der Schaltzyklen und gleichen sie mit den als Verschleißalarm gesetzten Grenzwerten ab. Bei Übersteigen dieser Werte gibt der Regler entsprechende Meldungen an die Steuerung beziehungsweise das HMI aus. Mit dieser präventiven Diagnosefunktion weist er auf die wahrscheinliche Notwendigkeit des Austausches von Stellgliedern hin, bevor es zum Maschinenausfall kommt und ermöglicht so die vorbeugende Wartung.
Neben der präventiven Instandhaltung ist auch die Selbst- und Autooptimierung der Regler für die Umsetzung von Industrie 4.0 entscheidend. Die Selbstoptimierung dient der Berechnung der optimalen Werte für die Regelparameter während der Anlaufphase eines Prozesses. Sie kann wahlweise automatisch bei jedem Einschalten der Maschine oder manuell per Tastendruck aktiviert werden. In jedem Fall werden während der Selbstoptimierung eine Kennlinie für den Regelprozess erstellt sowie sämtliche Parameter und die Zykluszeit ermittelt und zur Dokumentation abgespeichert. Die Prozedur läuft automatisch ab, wobei die Vorgehensweise in Abhängigkeit vom Ist-Wert der Temperatur optimiert wird. Moderne Regler signalisieren die Optimierung mithilfe einer LED auf dem Display.
Eine weitere Funktion der Selbstdiagnostik ist die interne Temperaturüberwachung. Steigende Temperaturen sind ein Anzeichen für Degeneration im Gerät und erfordern den menschlichen Eingriff. Mögliche Ursachen sind beispielsweise gelockerte Verbindungen oder oxidierte Kontakte. Daher erfassen moderne PID-Regler und Leistungssteller die Temperatur an allen internen Leiterübergängen wie Netz- und Lastklemme sowie an der Leistungsteilsicherung und dem Kühlkörper/Ventilator. Sie geben den ermittelten Zustand über eine Feldbusschnittstelle an das HMI oder die SPS weiter und tragen damit zur präventiven Instandhaltung und unterbrechungsfreien Produktion bei.
Doch die elektronischen Bauteile müssen nicht nur sich selbst, sondern den ganzen Prozess diagnostizieren können. So bieten beispielsweise Leistungssteller für die Regelung von Heizelementen die Möglichkeit, den Stromverbrauch pro Zeiteinheit zu erfassen. Ob pro Stunde, Tag oder Woche, pro Gerät oder pro Stromabnehmer lässt sich individuell festlegen. Ebenfalls vorgeben lässt sich der Grenzwert, bei dessen Erreichen Alarm gegeben werden soll. Das Gerät steuert die Stromabnehmer dann so, dass der Stromverbrauch optimiert und die Stromkosten minimiert werden.
Ebenfalls einen maßgeblichen Beitrag zur dauerhaften Prozesssicherheit bieten Leistungssteller mit kurzschlussfestem Ausgang. Führen beispielsweise feinste Staubablagerungen oder Feuchtigkeit zu kurzfristigen Stromschwankungen und damit zu Kurzschlüssen, schalten sich die Leistungssteller zum eigenen Schutz und zu dem der gesamten Anlage für Bruchteile von Sekunden aus und fahren anschließend den Produktionsprozess wieder hoch. Damit gewährleisten sie rund um die Uhr die Sicherheit der Regelstrecke und der gesamten Produktion. Die Meldung über Störfälle wird im Sinne einer präventiven Wartung an die übergeordnete Steuerung weitergegeben. Auf diese Weise hilft moderne Aktorik nicht nur, Maschinenkomponenten und Menschen zu vernetzten. Sie vereinfacht auch komplexe Steuerungsprozesse und erhöht die Prozess- und Produktionssicherheit.
Katrin Broichhausen, Giuseppe Savoca Gefran, Seligenstadt

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