Fit für Industrie 4.0: Connected Hydraulics

Fit für Industrie 4.0: Connected Hydraulics
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Juli 2017

 

Vorurteile halten sich lang, auch wenn die Realität sie längst widerlegt hat. Eines dieser Vorurteile lautet, dass Hydraulik keinen Platz in der Industrie 4.0 habe, weil sie nicht intelligent sei – dabei ist sie längst fit für die Zukunft.

Hydraulik ist seit Jahrzehnten ausgestattet mit Elektronik, Sensoren, entsprechendem Zubehör und eigenständiger Steuerung. Längst ist sie automationstechnisch auf Augenhöhe mit elektromechanischen Antrieben – auch dank zahlreicher Systembausteine von Bosch Rexroth. Schwarz-Weiß-Ventile sind bereits aus vielen Anwendungen verschwunden, ersetzt durch autarke servohydraulische Achsen. Die Frage ist nicht mehr, ob die hydraulische Ventiltechnik von Vernetzbarkeit profitieren wird, sondern wann. Derzeit erleben wir den Wandel von der klassischen, analogen Hydraulik hin zu einer vernetzbaren, digital ausgeprägten Fluidtechnologie. Gerade europäische Maschinenhersteller digitalisieren ihre Maschinen immer stärker und erwarten von der Hydraulik, dass sie sich in diese vernetzten Umgebungen vollständig einfügt. Jetzt gilt es, die Vernetzung über die Maschine hinaus zu betreiben – und die dabei gewonnene Fülle von Daten zu beherrschen. Denn die müssen gebündelt und sinnstiftend sowie sicher ausgewertet werden.

Das intelligente Zusammenspiel entscheidet

Aufgaben, die früher Ventilsteuerungen aus Stahl und Eisen ausführten, übernimmt die dezentrale Intelligenz im elektronischen Regelgerät. Sie passt bedarfsgerecht die Drehzahl des Pumpenantriebs an, wenn die Leistung am Verbraucher benötigt wird, oder senkt sie auf nahezu null ab. Das ist in vielen Prozessen ein ganz erheblicher energetischer Anteil. So verbraucht die drehzahlvariable Hydraulik bis zu 80 Prozent weniger Energie im Vergleich zu Konstantsystemen.

Die aktuellen Diskussionen zur Industrie 4.0 zeigen, wie wichtig es ist, dass alle notwendigen Funktionen und Funktionalitäten definiert werden. Nur wenn Mechanik, Elektronik und Sensorik herstellerübergreifend standardisiert sind, ist eine aktive Vernetzung und Kommunikation möglich. Dabei wird auch in Zukunft nicht jedes hydraulisch-mechanische Druckventil eine Digitalelektronik an Bord haben und sich mit einer Steuerung oder anderen Ventilen verbinden. Sondern nur dann, wenn es auch Sinn macht.

Smarte Lösungen mit dezentraler Intelligenz

Dezentrale Intelligenz und offene Schnittstellen sind die entscheidenden Voraussetzungen für zukunftsfähige Automatisierungslösungen. Darum setzt Bosch Rexroth in der Elektrik und in der Hydraulik auf Multi-Ethernet-Schnittstellen, die alle gängigen Protokolle unterstützen. Der nächste Schritt ist die Inte­gration der Sensorik in vorhandene Ventilgehäuse. Das macht vieles möglich. Denken wir beispielsweise an Condition Monitoring. Hier können Sensoren Informationen von der Ölgüte bis hin zu Temperatur, Vibrationen und geleisteten Schaltzyklen erfassen. Über Deep-Learning-Algorithmen erkennen Anwender so den Verschleiß, bevor er zu einem Ausfall führt – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur vorbeugenden Wartung.

Intelligente 1-Achs-Regler sind bereits heute für dezentral hydraulische Bewegungen in einem geschlossenen Regelkreis verantwortlich. Dazu ist in der Ventil Onboard-Elektronik eine leistungsfähige Motion Control integriert. Sie führt den Soll-Ist-Vergleich vor Ort durch und regelt bis auf wenige Mikrometer genau. Die Regelgüte des Systems wird einzig von der Auflösung der Messsysteme bestimmt. Diese schaltschranklosen Motion Controls kommen immer häufiger in unterschiedlichsten Märkten zum Einsatz.

Auch mit dem IAC-Regelventil bietet Rexroth eine schaltschranklose Motion Control, die vollständig in die Ventilelektronik inte­griert ist. Sie ist über offene Schnittstellen voll vernetzbar, ebenso wie servohydraulische Achsen mit eigenem dezentralen Fluidkreislauf. In diesen einbaufertigen Achsen bilden Pumpe, Ventile und Zylinder eine Baugruppe, an die der Maschinenhersteller nur noch Stromversorgung und Führungskommunikation anschließt.

Plug and Play für die Hydraulik

Künftig werden Best-in-Class-Regler Ventile ersetzen, die bislang für die Bewegung notwendig waren. Der elektrische Antrieb positioniert den Hydraulikzylinder allein aus der Drehzahl des Pumpenantriebs heraus. Damit macht das hydraulische Getriebe im Prinzip das Gleiche wie ein elektro-mechanischer Linear­antrieb: Es wandelt die Drehbewegung elektrischer Antriebe in eine lineare Bewegung um, nur eben mit allen Vorteilen der Hydraulik.

Beim darauffolgenden Entwicklungsschritt, den autarken Linearachsen, wird der Fortschritt besonders deutlich. Sie sind einbaufertige Zylinderbaugruppen mit einem eigenen, hoch inte­grierten Fluidkreislauf. Die Maschinen benötigen zum Betrieb dieser Achsen deshalb kein zentrales Hydraulikaggregat mehr. Die autarken Achsen werden wie elektrische Antriebe angeschlossen, es reichen ein Leistungskabel sowie eine Datenverbindung zur Maschinensteuerung. Für die Inbetriebnahme kommen die gleichen Softwaretools wie bei elektrischen Antrieben zum Einsatz. Der Inbetriebnehmer benötigt nicht einmal vertiefte Kenntnisse in Hydraulik, weil er lediglich die vorprogrammierten Funktionen auf die Maschinenbedingungen parametriert.

Neu gestalten via 3-D-Druck

Auch im Bereich neuer Materialien und Fertigungstechnologien hat Rexroth Innovationen zu bieten. Gerade der 3-D-Druck von Kernen für gegossene Gehäuse oder der Direktdruck senken den Energieaufwand beim Betrieb von Ventilen enorm. Musste man bisher im Design des Kerns die Teilbarkeit des Kernwerkzeugs berücksichtigen, so ist dies beim Kerndruck heute nicht mehr notwendig. Bosch Rexroth gestaltet damit beispielsweise Kanäle so, dass sie geringere Druckverluste ermöglichen und die Energiebilanz verbessern. Bei einem Ventil mit einem Durchfluss von 10.000 Litern pro Minute leistet die Reduzierung des Strömungswiderstandes um zehn bis 20 Prozent einen enormen Beitrag, die Betriebskosten zu reduzieren.