Automatisierung: Wie KI und Hydraulik Maschinen boosten

Abkantpressen, Biegemaschine, Druckgussmaschinen: Längst hat auch bei den kraftintensivsten Maschinen Software die Schlüsselrolle übernommen. Während Automatisierungsanbieter immer leistungsfähigere Maschinensteuerungen und Komplettlösungen zur Verfügung stellen, konzentrieren sich Maschinen- und Anlagenbauer auf ganzheitliche Prozessleitsysteme mit Anbindung an Clouds und den Einsatz von KI.

Kaum ein Maschinenhersteller fertigt noch eigene Steuerungshardware und entwickelt eine eigene Steuerungssoftware. Der Entwicklungs- und Pflegeaufwand über den gesamten Lebenszyklus ist wirtschaftlich einfach nicht abbildbar. Auf der anderen Seite bieten eine ganze Reihe von großen und mittleren Automatisierungsherstellern immer leistungsfähigere Antriebs- und Steuerungslösungen für Maschinen aller Größen. Sie können die Entwicklungskosten auf höhere Stückzahlen verteilen und die langfristige Verfügbarkeit von Ersatzteilen gewährleisten.

Aber gerade die Hersteller von Biegemaschinen, Pressen oder Druckgussmaschinen stellen besondere Anforderungen, weil sie mit extrem hohen Kräften arbeiten, die oft hydraulisch erzeugt werden. Zusätzlich müssen sie kontinuierlich höhere Dynamik und Präzision der Bewegungen erreichen, damit ihre Kunden Produktivitätssteigerungen erreichen.

Was macht moderne Maschinensteuerung so effizient?

„Maschinenhersteller wollen intelligente Konzepte für die schnelle Regelung“, ist Michael Gutmann, Strategic Product Manager Kemro X bei der KEBA Industrial Automation GmbH, sicher. Kemro X ist eine offene und modulare Plattform, die für fortschrittliche industrielle Automatisierungslösungen entwickelt wurde. Dieses flexible System kombiniert Apps, Technologiepakete für definierte Maschinenanwendungen sowie Soft- und Hardwarekomponenten aus einem umfangreichen Produkt- und Dienstleistungsportfolio.

Je kürzer die Regelungszeiten sind, desto dynamischer können Konstrukteure die Bewegungen der Maschine auslegen. Bühler, der nach eigenen Angaben weltweit führende Hersteller von Druckgussmaschinen, entschied sich bereits vor rund 30 Jahren für KEBA-Steuerungen. Die Herausforderung lautet damals wie heute; kurze Zykluszeiten der Prozesse. Einer der Kernprozesse ist die Regelung der Gießgeschwindigkeit. Es handelt sich dabei um ein 3-stufiges elektro-hydraulisches Regelsystem bei dem der Gießkolben innerhalb von rund einer Sekunde von 0.5 m/s auf über 7-10 m/s beschleunigt und dann wieder abgebremst werden muss. Dazu bedarf es schneller Lese- und Schreibzyklen, um die sogenannte Disturbance Rejection, die Unterdrückung von Störungen, zu gewährleisten. Dadurch arbeitet ein System auch dann stabil und präzise, wenn es von internen oder externen Störungen beeinflusst wird.

Disruptive Beschleunigung: Ein Zyklus statt drei

Das erreicht KEBA in der Automationslösung Kemro X mit einem EtherCAT Stack auf einem eigens entwickelten FPGA. Waren bislang drei Zyklen für das Lesen, die Verarbeitung und das Senden von Signalen notwendig, so haben die österreichischen Entwickler den gesamten Lese-/Schreibvorgang auf lediglich einen Zyklus reduziert. „Der FPGA arbeitet die schnelle Feldbus-Kommunikation der Fast Reaction Control-Funktion ab, ohne die CPU der Steuerung zu belasten“, hebt Michael Gutmann hervor. „So lassen sich I/O- und Antriebs-übergreifend zeitkritische geschlossene Regelkreise realisieren.“

Für die Ansteuerung von hydraulischen Systemen bietet KEBA verschiedene Konzepte. Einmal die zentrale Steuerung, beispielsweise für Biegemaschinen, bei der die Signale per Analog- oder PWM-Modul an Proportionalventile gegeben werden. Das Einzel- und Mehrachsantriebssystem ServoOne verfügt über ein spezielles Hydraulikpaket für die Regelung von Position, Druck, Volumenstrom und Leckage. Und der parametrierbare Prozessregler im Antrieb KeDrive arbeitet im Takt des Gebersignals.

Engineering Excellence

Wirtschaft

Hawe: Hydraulik bewegt die Welt

Die Hawe Hydraulik SE gehört zu den weltweit führenden Anbietern von Hydraulik-Komponenten für den Maschinen- und Anlagenbau. Das Unternehmen hat Niederlassungen in 20 Ländern und ist in weiteren 40 Ländern mit Vertriebspartnern vertreten.Lesen Sie hier.

Michael Gutmann sieht von Seiten der Maschinenhersteller einen klaren Trend hin zu Komplettlösungen für die Automatisierung. „Früher haben wir oftmals über Hardwarekomponenten gesprochen, heute geht es viel häufiger um Software und unsere Gesamtlösungen“, fasst er zusammen. Ein Beispiel ist wie die Maschinenhersteller ihre Maschinen entwickeln, Prozesse automatisieren und an individuelle Kundenwünsche anpassen: „Wir ermöglichen durch Steuerungsschnittstellen automatisierte Tests von Funktionsabläufen – eingecheckter Code liefert bis zum nächsten Morgen Ergebnisse der Simulation.“

Megacasting ersetzt Montage

Die Bühler Group ist ein Beispiel dafür, dass scheinbar ausentwickelte Maschinenkonzepte unter neuen Rahmenbedingungen und mit zeitgemäßer Automatisierung Innovationssprünge ermöglichen. Stand Juni dieses Jahres erhielt das Schweizer Unternehmen die 50. Bestellung für ihre Carat-Megacasting-Druckgussanlage. Nach eigenen Angaben setzen bereit sechs der zehn größten Automobilhersteller diese Technologie ein.

Megacasting ermöglicht die Herstellung großer, einteiliger Komponenten wie Front- oder Heckunterwagen und Batteriegehäusen und ersetzt dabei die Montage von 50 bis 100 Einzelteilen. Das reduziert Gewicht, vereinfacht die Herstellung und verbessert die Steifigkeit der Komponenten. Die Carat-Serie von Bühler bringt Schließkräfte bis zu 92.000 kN auf und ist damit in die Riege der Gigacasting Anlagen aufgestiegen. Die Steuerungstechnik hat das Unternehmen leicht auf die neuen Dimensionen hochskaliert.

Energieeffizienz und Künstliche Intelligenz

Pressen, Biege-, Druckguss- und Spritzgießmaschinen haben auch aus Sicht von anderen Automatisierungsherstellern Gemeinsamkeiten. „Wir sehen aktuell zwei Trends“, zählt Christian Gummich, Branchenmanager Kunststoffmaschinen und Produktmanager Hydraulik bei Beckhoff Automation auf. An erster Stelle steht eine verbesserte Energieeffizienz, an zweiter Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen.

Fortschritte bei der Energieeffizienz ermöglicht der Automatisierungsspezialist durch intelligente Antriebstechnik einschließlich Regenerationssysteme und Energiemonitoring oder die bedarfsgerechte Drehzahlregelung der Hydraulik. Die neue Motion-Control-Generation TwinCAT MC3 integriert die Hydraulik vollständig. Sie steuert herstellerunabhängig ventil-, drehzahl- und pumpengeregelten Antriebe im offenen und geschlossenen Regelkreis an. Hydraulische und elektrische Achsen befinden sich im Engineering-Tool und in der TwinCAT-Runtime auf der identischen Ebene.

Wo bringt PC-basierte Steuerung echte Vorteile?

„Wir bieten hier mit unserer skalierbaren PC-basierten Steuerungstechnik sowohl die nötige Rechenleistung als auch die benötigte Flexibilität, die für die Implementierung anspruchsvoller KI-Anwendungen erforderlich ist“, erläutert Christian Gummich. Er verweist dabei besonders auf den TwinCAT Machine Learning Creator. Beckhoff hat damit ein Tool entwickelt, das die Implementierung von Machine-Learning-Modellen in die Automatisierungsumgebung erleichtert. Dies ermöglicht auch Anwendern ohne tiefgehende KI-Kenntnisse, Machine Learning Technologien in ihre Automatisierungslösungen zu integrieren.

Eine neue Entwicklung stellt das schaltschranklose MX System dar. „Das Interesse ist sehr groß und die Nachfrage steigt“, freut sich der Branchenmanager. Maschinenhersteller schätzen die einfache Installation und Wartungsfreundlichkeit. “Das System ist hochgradig modular aufgebaut und ermöglicht eine flexible Anpassung an spezifische Anforderungen.“

Andritz-Strategie bei Steuerung und Prozessleitsystem

Die Andritz-Gruppe deckt mit ihren Anlagen ein breites Spektrum für die Zellstoff- und Papierproduktion, die Metallindustrie, Wasserkraftwerke sowie den Umwelt- und Energiesektor ab. Andritz hat konzernweit eine eigene Automatisierungs- und Digitalisierungs-Plattform entwickelt. „Metris steht als Marke für alle digitalen Lösungen aus der Andritz-Welt“, beschreibt Markus Sackers, Director Software Development bei Andritz, das Konzept. Die agile Entwicklung ist eine enge Kooperation zwischen allen Geschäftsfeldern der Andritz-Gruppe mit Kunden und Anwendern.

„Unser Ziel ist es, durch intelligente Automatisierung, Datenverarbeitung, Analyse und Einsatz von KI-Technologien eine höhere betriebliche Effizienz, verbesserte Zuverlässigkeit und bessere Produktionsergebnisse zu erzielen“, so der Director Software Development. Kurz, es geht um die praktische Umsetzung von Industrie 4.0. Dabei zeigt er auch die Leitplanken auf: „Industrie 4.0 bringt nur etwas, wenn ich nah am Kunden und den spezifischen Prozessen bin und die Daten sinnvoll einordnen kann.“ Metris beinhaltet zusätzlich eine große Anzahl von branchenspezifischen APCs (Advanced Process Controls), die direkt als Funktionsblock zur Verfügung stehen.

In diesem Konzept stellt Metris X eine Schlüsselkomponente dar. Dabei handelt es sich um ein Hardware-unabhängiges, PC-basiertes 'All-in-One'-Prozessleitsystem (DCS) inklusive Logikdesign, Logikcontroller (SOFT PLC) und Prozessvisualisierung (HMI). Metris X ist ein integrierter Bestandteil der Metris-Plattform und es können zu den Automatisierungsfunktionen alle relevanten abgeleiteten Daten aus anderen Metris-Anwendungen für eine erweiterte Berechnung und Auswertung berücksichtigt werden. Zu diesen Anwendungen gehören fortschrittlichen digitale KI-Funktionen wie maschinelles Lernen, Simulation oder der Einsatz von Copilot-gestützten KI-Anwendungen.

Wissen, was die Industrie bewegt!

Alles zu Industrie 4.0, Smart Manufacturing und die ganze Welt der Technik.

Newsletter gratis bestellen!

KI wertet Kameradaten aus

Ein weiteres Beispiel ist das speziell für die Automobilindustrie entwickelte Andritz Schuler Space. Space steht für 'Standard Process Automation Control Environment' und ist ein Standard für alle Anlagen von Andritz Schuler, bei denen Echtzeit-Regelungen zum Einsatz kommen. Ein weiterer Baustein ist VDP, ein visueller Werkzeugschutz. KI-Algorithmen werten Kameradaten auf mögliche Störungsursachen aus, bevor sie zu Schäden an den teuren Werkzeugen führen.

„Jeder Geschäftsbereich bei Andritz hat seinen eigenen Ursprung, seine eigenen Anforderungen und eigene Anwendungsbereiche. Durch die enge Zusammenarbeit schaffen es viele Lösungen auch in neue Branchen, auf die wir unsere Erfahrungen und Konzepte sehr gut übertragen können“, sagt Markus Sackers stolz.

Co-Pilot braucht Vertrauen

Ein weiter Schritt ist die Nutzung der Clouds großer Anbieter, der viele Maschinenanwender zunächst skeptisch gegenüberstanden. Andritz arbeitet mit Microsoft zusammen, sowohl bei Azure als auch beim Einsatz des Co-Piloten. „Gerade bei den umfangreichen Bedienungsanleitungen und Hinweisen zur Fehlerbehebung kann die KI des Co-Piloten sehr gut zusammenfassen und Zeit sparen“, ist Markus Sackers optimistisch. „Entscheidend für die Akzeptanz von Cloud und KI bei unseren Kunden ist aber das Vertrauen in die Sicherheit. Alle Andritz-Anlagen sind Cyber Secure und erfüllen alle aktuell gültigen und absehbaren neuen Normen und Vorschriften.“

überarbeitet von: Dietmar Poll