Simulation eines Industriekrans von Siemens

Simulation eines Industriekrans: Das Design eines Krans lässt sich über die Simulation mit einem digitalen Zwilling bereits während der Planung optimieren. (Bild: Siemens AG)

Krane haben eine bemerkenswerte Entwicklung hinter sich: von vergleichsweise einfachen Systemen, die mit Knöpfen und Joysticks bedient werden, zu komplexen Systemen, die vollständig in den Fertigungsprozess integriert sind. Krane müssen nicht nur Güter und Material transportieren, sondern mit ihrer Umgebung interagieren und Daten mit unterschiedlichen Systemen in der Produktion und auf der MES- und ERP-Ebene austauschen.

Damit Krane die damit verbundenen steigenden Anforderungen an Produktivität, Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit erfüllen können, werden sie immer stärker automatisiert. Sie arbeiten mit automatischen Laser- und Kamera-Systemen für die Pendeldämpfung, Kollisionsvermeidung, und optische Zeichenerkennung (OCR). Somit werden Krane heutzutage teil- oder vollautomatisiert, und können sogar aus der Ferne über eine zentrale Leitwarte gesteuert werden.

Mehr Effizienz im Engineering

Das alles führt dazu, dass Anforderungen an einen Kran mehr als ein mechanisches Design mit einer bestimmten Tragfähigkeit geworden sind. Je nach Anforderung besitzen Krane unterschiedliche Automatisierungssysteme, um teilautonomen oder völlig autonomen Betrieb zu ermöglichen. Sicherheitssysteme, Kommunikationsschnittstellen und Bewegungssensoren machen das Design und Engineering eines Krans zunehmend zu einer komplexen Aufgabe.

Gleichzeitig aber, sucht der Markt nach kostengünstigen, modularen Lösungen mit kürzeren Projektlaufzeiten. Ein Weg, aktuelle und zukünftige Herausforderungen zu bewältigen, ist der Einsatz von datenbasierten Prozessen und Werkzeugen. Mit einem digitalen Zwilling lässt sich ein Kran in 3D simulieren, und während der Spezifikation das Verhalten nachstellen. So kann die Automatisierung bereits in einer frühen Projektphase passgenau auf die spezifischen Anforderungen des Kunden abgestimmt werden.

Siemens Kran Digitaler Zwilling
Der digitale Zwilling hilft, Position und Sichtfeld von Kamerasystemen anzupassen und zu optimieren. (Bild: Siemens AG)

Eine Kransimulation kann zudem mit einem digitalen Modell der Produktionsumgebung kombiniert werden. Somit kann der Einfluss von Bewegungen, Verfahrwege und das komplette Verhalten von Kranen auf Produktion und Produktionskennzahlen simuliert und verifiziert werden. Auch spezifische Kriterien für optimales Funktionieren von Automatisierungs-Modulen lassen sich so überprüfen.

Das Sichtfeld der Kameras auf dem Kran, ist zum Beispiel besonders für Remote-Operation-Lösungen relevant, in denen der Kranfahrer den Kran anhand der Videoübertragungen steuert. Der digitale Zwilling, minimiert ungeplante Kosten und Risiken für die Produktions- und Betriebssicherheit, indem virtuell Kran- und Produktionsszenarien in einer frühen Phase des Projekts simuliert und optimiert werden.

Während der Engineerings-Phase erleichtert die Erstellung eines digitalen Zwillings, der das mechanische, elektrische und automatisierte Design des Krans integriert, die Prüfung und Verifizierung des Kranverhaltens und der Sicherheit erheblich. Er kann sowohl normale als auch kritische Szenarien nachstellen. Somit lässt sich zum Beispiel prüfen, ob ein Laserscanner zuverlässig bewegende und statische Teile in der Kranumgebung erkennen kann, um so Kollisionen mit einem Bauteil oder Equipment in der Produktionsumgebung zu vermeiden. Verschiedene Betriebsszenarien und kritische Zustände des Krans können simuliert werden. Mit avancierten Softwaretools wie SIMIT lassen sich komplette Verfahrwege überprüfen, Schwachstellen im Design identifizieren, wodurch kostspielige Nachbesserungen und Projektverzögerungen vermieden werden.

Mehr Effizienz in der Inbetriebnahme

Wenn der Kran als komplettes, digitales Modell vorliegt, kann er anhand eines getesteten und bereits optimierten Designs in der realen Welt aufgebaut werden. Da Errichtung und Inbetriebnahme bei Kranen oft parallel laufen, spart dieser Ansatz Zeit und Geld. Die Projektteams können sämtliche Steuerungs- und Automatisierungssysteme vorab testen und in Betrieb nehmen, wodurch die Installation und die End-Inbetriebnahme vor Ort deutlich effizienter verläuft. Der digitale Zwilling bietet auch die Möglichkeit, die Arbeiten vor Ort per Fernzugriff zu unterstützen, was die Reaktionszeiten und die Projektlaufzeit noch weiter reduziert.

Digitaler Zwilling als Einarbeitungshilfe

Der digitale Zwilling bietet auch eine ideale Umgebung für die Schulung von Kranfahrern. Noch bevor der Kran installiert und in Betrieb genommen wird, können mit dem Simulator kritische Szenarien am Modell in einer sicheren Umgebung und ohne Risiken trainiert werden. Das Personal ist schneller eingearbeitet und kann den Kran schon vom ersten Tag an problemlos bedienen – der neue Kran ist somit am Tag der Übergabe nicht nur betriebsbereit, sondern kann optimal in der Produktion mit aufgenommen werden.

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Mehr Effizienz im Betrieb

Auch nach der Inbetriebnahme unterstützen Simulations- und datenbasierte Tools einen effizienten Kranbetrieb. Automatisierungssysteme, Sensoren und Antriebssysteme können eine Vielzahl von Daten liefern, die zur Optimierung der Leistung und Vereinfachung von Wartungs- und Servicearbeiten genutzt werden können. Zum Beispiel verfügt ein typischer Kran über mehr als 2.000 Datenpunkte, die Informationen über Kranbewegungen, Positionen und Status liefern. Zusätzlich installierte Sensoren können Vibrationen und Temperaturänderungen in verschiedene Komponenten des Krans erfassen. Darüber hinaus liefern die Steuerungs- und Automatisierungssysteme Details zu Leistungskennzahlen (KPIs), einschließlich Ereignissen, Alarmen und Fehlermeldungen.

Der Replay-Modus gibt sowohl die analogen als auch die digitalen Signale wieder, die bei einer Störung erfasst wurden. (Bild: Siemens AG)

Optimierung der Instandhaltung mithilfe des Crane Management Systems

  • Die Krandaten liefern wertvolle Einblicke in die aktuelle Leistung des Krans, die für eine zustandsbasierte Überwachung und Wartung verwendet werden. So stellt das Simocrane CMS Crane Management System (CMS) in übersichtlichen Dashboards, Echtzeitdaten und verschiedenen KPIs des Krans dar. Mit detaillierter Berichtserstellung und Datenanalysen unterstützt das „crane management system“ Optimierung von Betrieb und Instandhaltung von dem kompletten Kran.
  • Die Anwender können auch selbst Prozessdaten und Archive auslesen und analysieren, um Muster zu identifizieren. Bei ungeplantem Stillstand lässt der Replay-Modus, Störsituationen anhand der aufgezeichneten Daten wiedergeben, um so Ursachen schneller zu finden und zu beheben.
  • Im nächsten Schritt können die so aufbereiteten und vom CMS bereitgestellten Daten, auch für fortgeschrittene datengetriebene Dienstleistungen wie KI-basierte vorausschauende Wartung verwendet werden. Vergleichbare Anwendungen werden bereits in anderen Branchen und Bereichen eingesetzt.
  • Ein Beispiel, ist die Analyze MyDrives App von Siemens: Sie nutzt maschinelles Lernen und KI-Algorithmen, um Anomalien und die jeweilige Ursache im Antriebssystem zu erkennen. Das System benachrichtigt den Anwender rechtzeitig, um eine vorbeugende Wartung einzuplanen und durchzuführen. Somit können ungeplante Stillstände vermieden werden.
Managementsystem Siemens Kranflotte
Ein zentrales Managementsystem fasst die Daten aller installierten Krane zusammen und ermöglicht ein Benchmarking von Kranflotten und einzelnen Kranen. (Bild: Siemens AG)

Vom einzelnen Kran zu Optimierung und Flotten-Management

Wenn Daten von verschiedenen Kranen verfügbar und vergleichbar sind, ist es sinnvoll, Krane in ein zentrales Crane-Management-System zu integrieren. Betreiber sind dann in der Lage, die gesamte Flotte zu analysieren und zu optimieren. Mit strukturierten und vergleichbaren Daten zwischen Kranen, bringt dies unendlich viele Möglichkeiten zur Optimierung, wie Engpässe zu identifizieren, Leistung und Verfügbarkeit zu verbessern, den Energieverbrauch zu analysieren und natürlich Wartungsaufwand zu reduzieren.

Darüber hinaus können intelligente Crane-Management-Systeme Betreiber in exzeptionellen Situationen unterstützen, Anleitung bei der Fehlerbehebung geben und den Betrieb und Steuerung unterschiedlicher Krane erleichtern – alles basierend auf den aktuellen Krandaten. Die Automatisierung-, Antriebs- und Sensorsysteme, die in heutigen Kranen installiert sind, liefern bereits einen Großteil der für diese Dienste erforderlichen Daten, daher ist es Zeit, diese zu nutzen.

Die nächste Stufe der Integration

Semi- oder vollautonome Krane sind in avancierten Produktionshalle unverzichtbar geworden. Automatisierung und Digitalisierung bieten noch nie vorhandene Vorteile, die bei der Optimierung von Sicherheits-, Nachhaltigkeits- und Leistungszielen genutzt werden können. Ein modularer Aufbau der Automatisierungssysteme ermöglicht eine zukunftsfähige Skalierbarkeit, bei der Krane problemlos in bestehende Prozesse integriert werden können. Im Betrieb ermöglichen offene Kommunikationsschnittstellen zwischen Modulen, Systemen und Krane, kombiniert mit Lösungen zur Zustandsüberwachung, eine durchgängige Datenanalyse der gesamten Applikation. Über die Optimierung der Krane hinaus steigern Automatisierung und Digitalisierung das Potenzial zur Verbesserung der Gesamtanlagenproduktivität, da Krane integraler Bestandteil der Fabrikprozesse und ihrer Umgebung sind und sein müssen.

 

 

Kongress Digitale Fabrik

Digitale Fabrik
(Bild: Gorodenkoff - stock.adobe.com)

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