KI-Antriebe revolutionieren Produktion & sparen Kosten

Inzwischen sind auch Antriebstechniker und Automatisierer von der allgemeinen Flaute betroffen. „Bis Ende Mai 2024 gingen die Auftragseingänge für Factory Automation um 17 Prozent zurück“, berichtet Gunther Koschnick, Bereichsleiter Industrie, ZVEI. „Wir erleben allgemein eine Flaute an den Märkten“, bestätigt Hans-Joachim Müller, Marktmanager beim Antriebshersteller SEW-Eurodrive. Laut Koschnick geben derzeit auch Hauptabnehmerbranchen wie der Maschinenbau den Automatisierern keinen Rückenwind. Dazu kommt die sinkende Nachfrage aus China. Dort sind die deutschen Automatisierer als ‚Weltausrüster für Fabriken‘ (Koschnik) traditionell stark vertreten. „Die Konjunkturschwäche in China trifft uns in diesem Jahr zusätzlich“, so Koschnick.

Während und nach der Pandemie belebte unter anderem der Bedarf großer Logistikcenter von Amazon und Co den Markt. „Für deren automatisierten Warehouses liefern die Unternehmen der Branche elektrische Antriebe, Sensorik und Steuerungstechnik“, erklärt Koschnick. Die einbrechende Konjunktur dämpfte auch in diesem Sektor die Nachfrage.

ZVEI und Automatisierungsbranche rechnen mit Besserung

Während und nach der Pandemie belebte unter anderem der Bedarf großer Logistikcenter von Amazon und Co den Markt. „Für deren automatisierten Warehouses liefern die Unternehmen der Branche elektrische Antriebe, Sensorik und Steuerungstechnik“, erklärt Koschnick. Die einbrechende Konjunktur dämpfte auch in diesem Sektor die Nachfrage.

Doch weder der ZVEI noch die Unternehmen der Branche rechnen mit einer längerfristigen Flaute. „Wir gehen von mittelfristigen Schwächen aus. Viele Automatisierer erwarten in den nächsten Monaten eine Besserung“, betont Koschnick. Schließlich bieten die Lösungen der Automatisierer häufig die Antwort auf aktuelle Herausforderungen wie Energieeffizienz, Resilienz, Wettbewerbsfähigkeit und den Fachkräftemangel. „Langfristig wird Automatisierung benötigt“, meint Christan Gabriel, Vice President General Automation bei Keba Industrial Automation GmbH. Fabriken und Produktionen in Deutschland und Europa sind weitestgehend automatisiert.

„Um die bestehende Produktion aufrechtzuerhalten und weiter auf Effizienz zu trimmen, benötigen die Betreiber Automationskomponenten. Wenn also die gegenwärtigen Lagerbestände irgendwann abgebaut sind, wird es zu neuen Bestellungen kommen“, so Koschnick. Bei den Kunden von SEW könnte dies bald der Fall sein: „Viele unserer Kunden haben während und kurz nach der Bauteilknappheit ihre Lager gefüllt und werden diese erst einmal wieder abarbeiten müssen. Wir erwarten, dass sich die Märkte bald wieder erholen. Solange üben wir uns in Geduld“, sagt der Marktmanager Müller gelassen.

Die Lage in China hingegen wird sich wohl nicht so schnell ändern. Denn auch in China wird zunehmend nach der Devise ‚China First‘ gehandelt.

Wasserstoff ist der Treiber für Prozessautomation

In der Prozessindustrie ergibt sich dagegen ein heterogenes Bild. „Hier wirken zeitgleich mehrere Effekte. Zwar ist die Nachfrage aus der chemischen Industrie in Deutschland momentan schwach, jedoch sind die Produkte der Prozessautomatisierung in vielen Infrastrukturprojekten gefragt. Etwa im Wasser- oder Abwasserbereich. Darüber hinaus stützen die Folgen der Energieproblematik die Prozessautomation: „Fossile Brennstoffe und Energie allgemein, alles, was man im Gasgeschäft benötigt, befeuert die Nachfrage. Aber auch Wasserstoff ist ein Thema. Noch gibt es keine nennenswerten Umsätze damit, trotzdem wird sich dieses Thema stark auf die Prozessindustrie auswirken“, gibt sich Koschnick überzeugt.

Die Konjukturbremsen: Lieferkettengesetz und Corporate Sustainability

Der Druck nachhaltiger, transparenter und effizienter zu produzieren, lastet auf allen Industrien gleichermaßen. Die Regulierungen des EU-Parlaments und -Rates verpflichten die Unternehmen zu einem Kraftakt „Das Thema Nachhaltigkeit ist mit großem Mehraufwand verbunden, ganz klar“, meint Tobias Hitzel, Referent Antriebstechnik, VDMA. Beim ZVEI sieht man die Regulatorik, die auch unter dem Green Deal aufgebaut wurde, ebenfalls kritisch: „Die Berichtspflicht erweist sich als der eigentliche Schmerzpunkt in Sachen Nachhaltigkeitsthemen und Digitalisierung“, so Koschnick.

Gesetze, Normen und Regeln sorgen für mehr Nachhaltigkeit

Müller zählt auf, was die Regulatorik alles umfasst: Da wären Richtlinien wie das EU-Lieferkettengesetz, Corporate Sustainability, Due Diligence Directive und Corporate Sustainability Reporting Directive. Dazu kommen Richtlinien zur Produktsicherheit, zur Cybersicherheit, DataAct, AI-Act, aber auch zu einzelnen Komponenten oder Rohstoffen wie die EU-Batterieverordnung, die neue Maschinenverordnung, entwaldungsfreie Lieferketten, der CO₂-Grenzausgleichsmechnismus … „Sie alle haben weitreichende Auswirkungen auf viele Bereiche innerhalb von Unternehmen. Innerhalb der nächsten Jahre werden die Verordnungen mehr oder weniger schnell greifen“, sagt Müller.

Eine Folge der Regulatorik ist, dass der Nachhaltigkeitsgedanke in der Antriebstechnik einen immer höheren Stellenwert einnimmt. Schließlich sind es die Antriebssysteme, die in den Bereichen Energieeffizienz, Kreislaufwirtschaft und Dekarbonisierung wertvolle Beiträge für eine noch nachhaltigere Industrie liefern können. „Die Anforderungen und damit die Aufwände steigen“, so Tobias Hitzel. Immer mehr Unternehmen lassen sich nachhaltiges Wirtschaften zertifizieren.

SEW besitzt den Goldstatus im ecovadis Sustainability Rating. Inzwischen sind es nicht nur größere Unternehmen, die Produkte unter Nachhaltigkeitsaspekten auswählen, berichtet Müller: „Zunächst waren vor allem größere, umsatzstärkere Kunden interessiert – sowohl Ausrüster als auch Betreiber. Inzwischen fragen auch kleine Unternehmen an, da sie wiederum von anderen Teilnehmern ihrer Lieferkette angefragt werden oder aus individualistischem Antrieb agieren.“

Doch während Unternehmen anderer Branchen tief in die Tasche greifen müssen, um ineffiziente Systeme zu erneuern, können die Automatisierer, zumindest wenn es um die Optimierung in der Produktion geht, ihre Systeme gewinnbringend an den Mann bringen. Die Unternehmen der Automation entwickeln seit vielen Jahren Lösungen, die die Produktionen immer effizienter werden lassen. „Dazu zählen insbesondere Produkte, die bei gleichem oder sogar geringerem Energieeinsatz, mehr Leistung aus den Produktionssystemen herausholen“, bilanziert Koschnick.

Wirkungsgradklasse IE5 hebt Energiesparpotenzial

So lässt sich der Wirkungsgrad von Antriebssystemen immer noch ein wenig erhöhen. SEW zum Beispiel bietet Antriebslösungen, die die Wirkungsgradklasse IE5 ermöglich. Konstruiert für den Betrieb am Umrichter bieten diese Motoren dynamische und thermische Reserven für einen nachhaltigen Betrieb und eine Kostenreduzierung im Lebenszyklus. „Im Vergleich zu IE3-Netzmotoren haben unsere DR2C..A Synchronmotoren eine geringere Baugröße und Masse. Über den anlagenoptimierten Betrieb heben sie ein wesentlich höheres Potenzial von Energieeinsparungen als nur die Komponente“, berichtet Müller.

Statt die Leistung ihrer Systeme zu steigern, greifen Unternehmen in Krisenzeiten oft auf andere Maßnahmen zurück. Wohin die aktuellen Herausforderungen die Nachfrage von Endkunden im Bereich Customer Services lenken, weiß Andreas Dettmer: „In der jetzigen Lage geht es vielen Unternehmen darum, ihr vorhandenes Personal zielgerichtet einzusetzen, überflüssige Invests zu vermeiden, und den Weg von zyklischer Wartung hin zu gesteuerter Wartung einzuschlagen.“

Dettmer verantwortet bei Siemens Digital Industries das Thema Predictive Maintenance. Statt eigene Maschinen zu unterhalten, oder in neue zu investieren, bietet sich in der aktuellen Lage womöglich auch Machinery-as-a-Service an. Bei diesem Geschäftsmodell bezahlt der Kunde nur die Stückzahlen, die er auch produziert. „Mit ‚As-a-service‘ wird der Kunde natürlich sehr viel flexibler in einer angespannten wirtschaftlichen Situation“, sagt Dettmer. Der Bedarf an digitalen Services insgesamt sei gestiegen. Für Effizienzberechnungen, erweiterte Servicethemen oder die Optimierung der eigenen Services hat Siemens digitale Lösungen im Portfolio. Eine davon: Senseye Predictive Maintenance. „Wir können dem Maschinenbauer Ausfälle an seinen Maschinen, am Antriebsstrang, vorhersagen, basierend auf Daten wie beispielsweise Vibration und Stromaufnahme. Damit steigt die Verfügbarkeit.“

Der Trend geht zu Mehrachssystemen und dezentraler Antriebstechnik

Die Wahl der Architekturen, sowohl in Bezug auf die Steuerung als auch auf die Antriebslösung hat sich verändert und wird häufiger unter dem Gesichtspunkt Energie und Zusatznutzen getätigt. „Betrachten wir die Antriebslösung, sehen wir einen Trend zu Mehrachssystemen und dezentraler Antriebstechnik mit modularen Architekturen“, sagt Gabriel. Ein Beispiel für einen dezentralen Antrieb hoher Leistungsdichte ist der neue Faulhaber-Motor BX4 BMC. „Wir haben den kleinsten Integrierten Motion Controller der Welt. Dank der durchmesserkonformen Bauweise erhält der Nutzer eine Systemlösung, die sowohl Platz und Ressourcen als auch Verdrahtungsaufwand minimiert“, sagt Produktmanagerin Dr. Aihua Hong. Faulhaber hat den neuen Motion Controller BX4 IMC in die bürstenlosen Motoren der BX4-Familie integriert. Der Längenzuwachs im Vergleich zum einzelnen Motor beträgt nur 18 mm und beinhaltet einen vollwertigen Servocontroller und einen 12-Bit Encoder. Dabei kann die volle Leistung der Motoren in den unterschiedlichsten Ausführungen genutzt werden. Der Antrieb kann mit oder ohne Master als „Stand-alone“-Antrieb betrieben werden.

Baukästen bieten Lösungen für jede Losgröße

Die Vorteile eines modularen Baukastensystems in der Antriebstechnik gegenüber Komplettlösungen beschreibt SEW: „Der Kunde kann für seine Applikation die optimale Lösung in beliebiger Losgröße finden. Gleichzeitig lässt sich der Baukasten auf Entwicklerseite – trotz immer kürzer werdender Produktlebenszyklen – stetig weiter optimieren, standardisieren und ergänzen.“

SEW-Eurodrive bietet seit Jahrzehnten ein Baukastensystem für Getriebemotoren. „Die Bedürfnisse des Marktes waren Antriebe, die die speziellen Anforderungen der unterschiedlichen Branchen und Fertigungsprozesse erfüllten. Vor der Entwicklung des Baukastens konnten solche kundenspezifischen Getriebe-Motor-Kombinationen nur äußerst kostenintensiv umgesetzt werden. Die Lösung hieß Modularität: Ein Baukasten von Getrieben und Motoren, Zusatzausführungen und Optionen, die flexibel und kostengünstig kombinierbar sind.“ Auch fertigungstechnisch bietet die Serienfertigung nach dem Baukastenprinzip Vorteile.

Dieses Prinzip setzt SEW nun mit einem Automatisierungsbaukasten Movi-C fort. „Auch hier sind alle Geräte miteinander kombinierbar – vom einfachen Umrichter bis hin zum Mehrachssystem Movidrive modular für besonders dynamische Applikationen in Kombination mit spezialisierten Modulen zur Netzrückspeisung oder zur Verbindung mit Energiespeichern“, berichtet der SEW-Manager.

Die Möglichkeit der Rückspeisung von Energie ist ein weiteres Argument für dezentrale Lösungen. „Mit dezentralen Lösungen kann Energie am einfachsten zurückgewonnen werden“, sagt Gabriel. Zum Beispiel um Spannungsschwankungen zu überbrücken in Regionen wo es weniger stabile Stromnetze gibt.

Steuerungstechnik wird herstellerunabhängig

In der Steuerungstechnik zeichnet sich eine Öffnung hin zu herstellerunabhängigen Architekturen ab. „Wir beobachten, dass sich der Maschinenbau allmählich auf neue Architekturen umstellt. Weg von der klassischen SPS hin zu Windows oder Linux basierten Architekturen“, sagt Gabriel. Der Wechsel sei zwar mit Aufwand verbunden , aber essenziell: „Wer jetzt schnell und flexibel genug ist, um den Wechsel zu neuen Architekturen zu schaffen, der wird auch in Zukunft die Resilienz haben, um sich zu behaupten“, so Gabriel. Die Platform Kemro X ist ein Baukasten von Keba mit Hard- und Software Bestandteilen für die Automatisierung von Maschinen und Anlagen, inklusive aller vor- und nachgelagerter Prozesse. Der Kunde kann sich die für ihn relevanten Bausteine wählen, eigene Technologien oder Apps von Drittanbietern nutzen – Kemro X ist offen gestaltet.

Spar-Potenzial liegt im Gesamt-System

Nicht nur die unmittelbaren vor- und nachgelagerten Prozesse, spielen in einer ganzheitlichen Betrachtung eine wichtige Rolle. „Die Antriebstechnologie hat in punkto Energieeffizienz bereits ein hohes Niveau erreicht“, sagt Hitzel. Hat die einzelne Komponente im System bereits das physikalisch höchstmögliche Effizienzpotenzial erreicht, ist dennoch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht, denn im Gesamtsystem mit der Anwendung liegt noch der größte Hebel für Energieeinsparungen. Gabriel beschreibt, wie der Blick aufs Gesamtsystem aussehen kann: „In der Serienproduktion ging es früher immer darum, den Output und die Taktzeiten zu maximieren.

Heute ist das anders. Die Prozesse werden vorausschauend entsprechend ihres Energieverbrauchs betrachtet und verbessert. Wenn zum Beispiel der nachfolgende Schritt nicht zwingend innerhalb weniger Sekunden stattfinden muss, kann durch Verlangsamung Energie gespart werden.“ Wird die  Auslegung und das Zusammenspiel aller Bestanteile betrachtet, „kann vieles besser aufeinander abgestimmt werden“, so Hitzel. Er spricht von einer Orchestrierung des Gesamtsystems „Damit kann viel Energie, Ressourcen und Material eingespart werden“, so Hitzel. Die wichtigste Frage heute lautet, wo liegen die Schwachpunkte in der Applikation? Gibt es eine Überdimensionierung von Antrieben, unnötige Leistungspuffer, die sich abbauen lassen?

Die Lieferkette als ein System

Der Systemgedanke lässt sich noch einen Schritt weiter – über die Grenzen einer Fabrik hinaus – denken: „Der Staat fördert die Idee der Data Spaces. Damit können wir Informationsflüsse über die gesamte Lieferkette hinweg gestalten. Das Thema ist stark im Kommen, und mit Manufacturing X gibt es ein wichtiges Forschungsvorhaben, in dem sich sehr viele Unternehmen engagieren.“ Um Informationen über Lieferketten hinweg austauschen zu können, werden Daten-Highways geschaffen.

„Dazu benötigen wir Standards, um Interoperabilität gewährleisten zu können“, fordert Koschnick. Laut Gabriel geht dies vielen Unternehmen zu langsam: „Große Firmen haben ihre Daten bereits strukturiert vorliegen. Die Unternehmen wählen für sich eine sichere Lösung aus und warten nicht auf Standards“ Koschnick sieht im Förderprojekt Manufacturing X eine wichtige Chance, über gemeinsame, standardisierte Technologien ohne teure Lock-in-Effekte bei Hyperscalern Unabhängigkeit zu erreichen. So lassen sich relevante digitale Informationen entlang der Lieferkette kommunizieren, um zum Beispiel Bauteile zu verfolgen (Traceabillity) oder einfach nur den CO₂-Fußabdruck zu berechnen, ohne dass IP unkontrolliert abfließt.“

Noch gibt es allerdings zu viele Maschinenbauer, die ihre Daten nur für sich nutzen wollen. „Der Wunsch ist immer da, gewisse Standards in den Markt zu bringen. Aber Standards über die gesamte Lieferkette hinweg zu etablieren und zu implementieren, halte ich für sehr, sehr schwierig“, sagt Dettmer. Siemens sei daher darauf bedacht, viele Kooperationen mit Maschinenbauern einzugehen, um dort einheitliche Schnittstellen, einheitliche Daten einfließen zu lassen.

Für intelligente Anwendungen sind die Automatisierungskomponenten zugleich Quelle der Daten als auch Bestandteil der Anwendung. Immer wichtiger ist daher die Bereitstellung von Informationen und Modellen in einem standardisierten, herstellerübergreifenden Format. „Im Arbeitskreis Industrie 4.0/OPC UA Drive Technology arbeiten wir genau daran. Der erste Teil der OPC UA Companion Specification zum Asset Management wird in Kürze veröffentlicht. Der zweite Teil behandelt das Thema Diagnose, Condition Monitoring, Laufzeitdaten. Damit haben wir nun gestartet“, berichtet Hitzel.

Automatisierung profitiert von Daten für die KI-Nutzung

Ohne die Daten der Komponenten können Dienste wie Senseye Predictive Maintenance ihren Nutzen nicht entfalten. „Voraussetzung auf Kundenseite ist die Konnektivität. In Bezug auf den Antriebsstrang heißt das, wir benötigen natürlich Daten wie beispielsweise Vibration oder Stromaufnahme“, sagt Dettmer. Der Kunde kann erst dann die Daten von Edge-Lösungen, die on-Premise an der Maschine laufen, verarbeiten lassen. Er kann erst dann Cloud-Lösungen für Standort-übergreifende Dienste in Anspruch nehmen und beispielsweise seinen Antriebsstrang weltweit überwachen und seinen Service zielgerichtet ausrichten.

Erst wenn dieser Schritt getan ist, können on-top KI-Methoden sinnvoll genutzt werden. „KI hilft uns, Daten zu interpretieren und zu nutzen. Beispielsweise für das Produktdesign, die Prozessoptimierung und Qualitätskontrolle, aber auch für einfachere Dinge. Da wir immer weniger Fachkräfte zur Verfügung haben, müssen die Maschinen und ihre Dokumentationen dem Menschen dienlicher werden. Ich glaube, wir werden in absehbarer Zeit Assistenzfunktionen von Maschinen haben, die sich entsprechend der Qualifikation der Menschen, die damit arbeiten, anpassen. Das wird Stillstände verhindern und somit die Resilienz verbessern“, sagt Koschnick. Immer häufiger tragen Kunden diesbezügliche Wünsche an die Automatisierer heran: „Wir erleben, dass der Wunsch nach Produkten immer deutlicher wird, die bei diesen Tätigkeiten einfach zu bedienen sind und möglichst sogar unterstützen“, so Müller.

Auch Keba sieht in der KI ein Hilfsmittel, um Prozesse zu optimieren. „Über Daten lässt sich sehen, welche Schritte wieviel Energie brauchen“, Gabriel. Keba entwickelt ein eigenes Framework für die Nutzung von KI. „Wir entwickeln out-of-the box-Funktionen, die es dem Anwender ermöglichen KI-Modelle per drag and drop zu erstellen. Unser Hardware-Modul deckt die erforderliche Rechenleistung ab. Das Framework muss mit der Maschine verknüpft und trainiert werden. Anschließend kann der Anwender Modelle für Detection-, Vision-, Audio-, oder Energieoptimierungs-Aufgaben erstellen. Wir haben für unser KI-Framework bereits Kunden und befinden uns in der Testphase. Demnächst wird es in die Serie überführt und in Kemro X integriert.

Die digitalen Services von Siemens basieren in unterschiedlichem Maße auf KI. „Senseye Predictive Maintenance ist komplett KI basiert. Es handelt sich um eine weiterlernende KI, die vom Feedback des Benutzers lebt“, so Dettmer. Für Optimierungen im Bereich des Prozesses oder der Instandhaltung nutzt Siemens häufig eine künstliche Intelligenz, weniger hingegen im Bereich des Monitoring, wie z.B. OEE- oder Energieeffizienzberechnungen, “hier spielt KI eine untergeordnete Rolle.“