O+P Fluidtechnik 9/2019

FORSCHUNGSFONDS

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK FUNKTIONSNACHWEIS DER INTEROPERABILITÄT VON FLUID- TECHNISCHEN KOMPONENTEN AM BEISPIEL VON PLUG-AND-PRODUCE Raphael Alt, M.Sc. (oben), Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme, ifas, der RWTH Aachen, und Dipl.-Ing. Hartmut Schweizer (unten), Institut für Angewandte Informatik der TU Dresden, Professur für Prozesskommunikation Förderung: Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA, FKM-Nr. 7046610/7046620 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ZIELSETZUNG Übergeordnetes Ziel des Forschungsprojekts ist die Erbringung eines Machbarkeitsnachweises von Plug-and-Produce durch Realisierung einer konkreten fluidtechnischen Applikation auf Basis von I4.0 konformen Komponenten zur Validierung der zugrundeliegenden interoperablen Teilmodelle und verwendeten Technologien. Kern des Projekts ist die Erstellung von I4.0-konformen fluidtechnischen Komponenten. Ihr volles Potenzial wird dann entfaltet, wenn die Komponenten den anderen Systemteilnehmern I4.0-modell konforme Dienst- und Informationsschnittstellen gekapselt zur Verfügung stellen. Diese sind Voraussetzung für neue digitale Geschäftsmodelle, wie z. B. Predictive Maintenance oder die automatisierte Inbetriebnahme. Hierzu sind gleichermaßen ein tiefgründiges fluidtechnisches Fachverständnis, als auch ein informationstechnisches Wissen zur zielgerichteten Modellierung und technischen Realisierung der Komponenten notwendig. Unter Beachtung der sich in Entwicklung befindlichen Konzepte der Ordnungsrahmen (z. B. RAMI4.0 und Verwaltungsschale) im Kontext I4.0 wird sichergestellt, dass sich die umgesetzten Teillösungen zu komplexen Gesamtanwendungen wie die der Inbetriebnahme kombinieren lassen. Hierdurch soll ermöglicht werden, dass die zu entwickelnden fluidtechnischen Systeme im Vergleich zu bestehenden Systemen deutlich einfacher und weitestgehend automatisiert in Betrieb genommen werden können. Das untenstehende Bild veranschaulicht im Projekt adressierte Aspekte an den Schichten des RAMI4.0. Das generelle Plug-and- Produce-Konzept lässt sich im Business Layer verorten. Es setzt auf die Umsetzung in den anderen RAMI-Schichten auf. Diese beinhalten insbesondere die verfügbaren Funktionen der Subsysteme, die zum Erreichen des im Geschäftsmodell definierten Ziels entsprechend orchestriert werden müssen. In diesem Zusammenhang entstehen u. a. fluidtechnische Basisdienste, welche auch die Inbetriebnahme des gesamten Systems unterstützen sollen. Notwendige Informationen werden in semantisch beschriebener Form (z. B. durch definierte Merkmale) von den Systemteilnehmern dem Plug-and-Produce- Geschäftsprozess zur Verfügung gestellt. Der Informationsaustausch zwischen den Komponenten zur Realisierung des Plug-and-Produce erfolgt über I4.0-konforme Kommunikation, z. B. OPC UA. Aus Sicht des fluidtechnischen Prozesses sind dies Managementfunktionen. Die echtzeitfähige Digital- und Analogkommunikation, z. B. mit einem Achsregler, erfolgt hingegen weiterhin durch die bestehende Echtzeitkommunikation, die im Integration Layer eingeordnet ist. Neben dem Machbarkeitsnachweis von Plug-and-Produce wird der Mehrwert der I4.0-Konzepte für konkrete Umsetzungen in der Fluidtechnik durch Tests am Demonstrator nach vorab definierten Kriterien quantifiziert. Der Umbau des Versuchstands zu einer für die beteiligten Firmen offenen Demoplattform ermöglicht die Erprobung der Interoperabilität ihrer Komponenten. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Derzeit werden Inbetriebnahmen der beiden konventionellen Systeme durchgeführt, analysiert und strukturiert. Die Arbeitsschritte dienen der darauffolgenden Entwicklung einer Gesamtarchitektur und einzelner Modelle zur Umsetzung einer möglichst standardisierten und aber gleichzeitig generalisierten Inbetriebnahme fluidtechnischer Systeme. Dies liefert die Grundlage einer automatisierten Orchestrierung und Ausführung der Inbetriebnahme durch informationstechnische Systeme. Nach der Modellierung entstehen prototypisch umgesetzte Mockups, zur Simulation und Validierung einer automatisierten Inbetriebnahme von verteilten Systemteilnehmern in einer serviceorientierten Architektur. Um funktionale Merkmale der entstehenden Teilmodelle ausführen zu können wird an einer performanten Laufzeitumgebung für verteilte Systeme gearbeitet, die die Integration mit weiteren Modellen wie B2MML und AutomationML ermöglicht. 11 Darstellung von Plug-and-Produce im RAMI4.0 54 O+P Fluidtechnik 9/2019

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK SENSORGERECHTE KONSTRUKTION ELEKTROMAGNETISCHER VENTIL- AKTOREN Dip.-Ing. Thomas Kramer, Institut für Mechatronischen Maschinenbau der TU Dresden, Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), IGF-Nr. 19093 BR/1 ZIELSETZUNG Ziel des Vorhabens ist die Verbesserung der sensorlosen Positionsbestimmung von elektromagnetischen Ventilaktoren durch die gezielte Anpassung der Magnetgestaltung und der Ansteuerung. Der Informationsgehalt soll erhöht werden, indem der Arbeitsbereich bzw. die Genauigkeit der Positionsbeobachtung maximiert wird. Für eine industrielle Nutzung werden darüber hinaus Gestaltungsgrundlagen sowie Werkzeuge erarbeitet, um bestehende bzw. zukünftige elektromagnetische Aktoren zielorientiert hinsichtlich ihrer Sensorfähigkeit zu entwickeln bzw. weiterzuentwickeln. Um die Hauptfunktionalität der Aktoren nicht unberücksichtigt zu lassen, werden Kompromisse zwischen Sensor- und Aktorfunktionalität aufgezeigt. Das Potential der Methodik wird anhand eines Demonstrators beispielhaft dargestellt. Mit der verbesserten Positionsbeobachtung werden neue Anwendungsfelder erschlossen, die nach derzeitigem Stand nur unzureichend erfüllt werden können. Damit wird der Vorteil und Nutzen dieser Methodik zusätzlich herausgestellt. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Mit Hilfe von zwei repräsentativen elektromagnetischen Ventilaktoren wurde das elektromagnetische Verhalten, insbesondere unter dem Fokus des Einflusses der nichtlinearen Effekte Wirbelstrom, magnetische Hysterese und magnetische Sättigung analysiert. Auf dieser Grundlage wurden Maßnahmen zur Verbesserung der Positionsbeobachtung abgeleitet. Anhand der Beispielventile und des gezielten Einsatzes der Gestaltungsmaßnahmen wurden Vorzugsvarianten erarbeitet, wovon eine als Demonstrator aufgebaut und vermessen wurde. Die Ergebnisse zeigen das verbesserte Sensorverhalten anhand der Kennfelder und anhand der Positionsbeobachtung im dynamischen Betrieb. Folgende Arbeiten beschäftigen sich mit der Berücksichtigung der Bewegungsinduktion und des temperaturabhängigen Widerstands sowie der Ermittlung und Selbstkalibrierung der Kennfelder. 12 13 Blechgeometrie (links) und der aufgebaute Demonstrator Kennfeld der gemittelten differentiellen Induktivität (links) und dynamische Positionsbeobachtung bei dreieckförmiger Vorgabe des PWM-Tastverhältnisses (rechts), mit fPWM 200 Hz. Die geschätzte Ankerposition stimmt weitgehend mit der gemessenen überein O+P Fluidtechnik 9/2019 55