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2018-03-02 | Smarte Aktuatoren – der Trend geht in Richtung „Wartung 4.0“

Industrielle Anlagen und Geräte werden immer intelligenter und stärker vernetzt. Sie eröffnen damit neue Möglichkeiten der Anlagensteuerung und Kosteneinsparung. Die Vorteile werden sich vor allem auch im Bereich der Wartung bemerkbar machen, da diese intelligenten Geräte weniger Instandhaltungsaufwand erfordern und außerdem besser mit Asset-Management-Systemen zur Zustandsüberwachung und vorbeugenden Wartung interagieren können. Eine nähere Betrachtung der aktuellen Entwicklungen im Bereich der smarten Elektromechanik zeigt, auf welche Weise dieser Gerätetypus die Produktionsumgebung mit den zugehörigen Wartungsmaßnahmen neu definiert.

Smarte Aktuatoren auf dem Vormarsch 
In vielen Fabriken sind bewegliche Teile wie Aktuatoren mitunter die wichtigsten Geräte einer Produktionsumgebung. Sie steuern zentrale Funktionen wie Ventilbewegungen in kontinuierlichen Prozessanlagen oder die Förderbandjustierung in der Chargenproduktion. Dabei haben Aktuatoren der ersten Generation nichts anderes getan, als pneumatische oder hydraulische Leistung in Bewegung umzusetzen. Im Dauerbetrieb bieten sie schnelle Verstellbewegungen, sind jedoch nur eingeschränkt präzise und haben weitere Nachteile. Beispielsweise benötigen pneumatische Aktuatoren konstante Druckluft, was für automatisierte, wechselnde Arbeitsabläufe alles andere als effizient oder wirtschaftlich ist. Mit Hydraulikflüssigkeit betätigte Aktuatoren sind zwar effizienter, bedeuten aber einen größeren Wartungsaufwand, einschließlich der Gefahr möglicher Undichtigkeiten. Und weder pneumatische noch hydraulische Aktuatoren lassen sich auf einfache Weise in Regelungsstrategien einbinden.

Smarte Aktuatoren steuern Förderband-Einstellungen und werden in vielen Anlagen mit Erfolg eingesetzt. Verpackungsmaschinen benötigen zur Umrüstung keine manuellen Arbeitsschritte mehr, da smarte Aktuatoren im Voraus für eine automatische Umschaltung programmiert werden können.

Immer mehr Maschinenentwickler ersetzen pneumatische und hydraulische Betätigungsglieder durch elektromechanische Aktuatoren, die eine höhere Energieeffizienz und einen saubereren Betrieb gewährleisten. Diese elektrischen Aktuatoren bieten sowohl hohe Verstellgeschwindigkeiten als auch hohe Präzision, jedoch waren die ersten Modelle zur Automatisierung wechselnder Anwendungen noch nicht kostenwirksam. Anlagenbetreiber zogen es zumeist vor, gelegentlich auftretende Aufgaben, wie die Justierung von Förderbändern bei Produktwechseln, manuell zu erledigen, anstatt deutlich höhere Kosten für eine entsprechende Ausrüstung in Kauf zu nehmen.

Smarte elektromechanische Linearaktuatoren werden gegenüber pneumatisch und hydraulisch betätigten Aktuatoren bevorzugt, da sie energiesparend arbeiten, weniger Verschmutzungsrisiko aufweisen und kaum Aufwand bei der Verdrahtung verlangen.

Gründe für den Erfolg smarter Aktuatoren
Mit dem Einbau smarter Aktuatoren versetzen Maschinenkonstrukteure die Endanwender in die Lage, die Motorrichtung direkt im Aktuator umzuschalten. Durch diese Möglichkeit des sogenannten Niederstromschaltens kann die Ansteuerung einer externen H-Brücke ebenso entfallen wie die Installation und Wartung der zugehörigen Starkstromverkabelung. Für den Einbau smarter Aktuatoren sind lediglich zwei Stromleiter und einige dünne Steuerdrähte zur Kommunikation mit einem einfachen Schalter, einem Bediengerät, einer SPS oder sonstigen Steuerungseinheiten erforderlich. Hierdurch wird die Kommunikation über Netzwerkbusse, die beispielsweise das CAN-Bus-Protokoll J1939 zur Integration in andere Anwendungen nutzen, ermöglicht.

Vier Aktuatoren mit eingebauter, CAN Bus-konformer Intelligenz.

Es ist genau diese Kombination solcher Leistungsmerkmale zu einem reduzierten Preis, die smarte Aktuatoren der neuen Generation zur idealen Alternative für Umrüstvorrichtungen im Aussetzbetrieb macht. Um einen Aktuator zur Verstellung der Förderbandhöhe zu nutzen, war bisher ein kostspieliges Präzisionsmodell inklusive eines komplexen Systems aus Schritt- oder Servomotoren und externen Schaltern notwendig. Heute können Maschinenentwickler mit wenigen Kabeln einen kostengünstigen, für die Anwendung ausreichend präzisen Aktuator zur Hauptsteuerung verdrahten, um ihn dort wie jede andere Funktion zu programmieren. Solange das System mit dem Aktuator kommunizieren kann, spielt es keine Rolle, ob der Betätigungsvorgang einmal oder 500-mal pro Tag erfolgt – smarte Aktuatoren bieten eine hervorragende Flexibilität bei geringeren Systemkosten.

Die Automatisierung und Beschleunigung von Umrüstvorgängen ist vor allem in Anlagen mit typischerweise kleinen Serien zu erwägen. Während das Umrüsten einer Verpackungsmaschine im klassischen Fall von Hand erfolgen muss, um von einem Produkt auf das nächste zu wechseln, lässt sich nun gleich eine ganze Folge unterschiedlicher Produkte im Voraus programmieren, sodass die Umrüstzeiten deutlich schrumpfen.

Smarte Aktuatoren verkürzen Umrüstzeiten, indem sie bislang manuelle Vorgänge übernehmen.

Vorteile für die Wartung
Mit dem Einzug immer mehr smarter Aktuatoren im Rahmen der „intelligenten Fabrik“ werden sowohl die Wartungstechniker wie auch Betriebsverantwortliche schon bald feststellen, dass diese einen einfachen und problemfreien Teil ihrer Automatisierungssysteme darstellen, denn smarte Aktuatoren sind sauberer und energieeffizienter als hydraulische Lösungen und stellen keine besonderen Ansprüche an die externe Verdrahtung.

Jegliche Wartung, die smarte Aktuatoren benötigen, wird zudem durch Diagnoseinformationen unterstützt, die über den Netzwerkbus bereitgestellt wird. Die Bordelektronik des Aktuators kann beispielsweise die Anzahl der absolvierten Arbeitsspiele nachhalten sowie Temperaturmesswerte und den Stromverbrauch ausgeben. Eine Analyse dieser Faktoren könnte Aufschluss darüber geben, ob eine Steigerung der Temperatur bzw. des Stromverbrauchs auf einen übermäßigen Verschleiß hindeutet oder mit den Anforderungen des Systems korreliert. Darüber hinaus können diese Informationen vom Wartungspersonal genutzt werden, um einen Prozess zum Schutz des Systems abzuschalten, bevor eine Überhitzung oder Stromspitze den Aktuator beschädigt.

Einige OEMs verwenden bereits die Kommunikationsmöglichkeiten, um den Betrieb der Aktuatoren über die Cloud zu überwachen, sodass die Endanwender die Ersatzteilbevorratung und den Teileaustausch strategischer planen können. Durch die Aufzeichnung der absolvierten Zyklen und Prognose der Austauschintervalle für die einzelnen Teile können Hersteller ihre Kunden bei drohenden Ausfällen warnen – und die neuen Teile ggf. bestellen, liefern und sogar einbauen, bevor eine Störung auftritt.

Wartung 4.0, IIoT und darüber hinaus
Die vermehrte Nutzung intelligenter Aktuatoren spiegelt für viele Experten das wider, was für die meisten anderen Geräte in einem Werk ebenfalls gilt: Je smarter und kommunikationsfähiger Ventile, Schalter, Pumpen und sonstige Geräte werden, umso mehr nimmt die Effizienz zu – mit dem Ergebnis einer produktiveren und wartungsfreundlicheren Produktionsu

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