ATE-Frühjahrsexkursion 2014: Alumni zu Gast bei Industrie 4.0

Am 28. März 2014 besuchte der Alumni Technische Fakultät Erlangen (ATE) e.V. das Siemenswerk in der Vogelweiherstraße. Die Studenten, Professoren und Ehemaligen der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg wurden von Large Drives CEO und Mitglied im ATE Jürgen Amedick begrüßt, der sich über das rege Interesse sehr zufrieden zeigte und den Gästen im Anschluss die Business Unit Large Drives vorstellte. Es folgten vier Vorträge, die technisch hochspannende Themen behandelten: „SIMOTICS FD – innovatives Motordesign und Systemoptimierung“, „Stromversorgung und Hybridantriebssysteme für Schiffe“, „Analyse von Antriebssystemen mittels Hardware-in-the-loop Simulation“, „Motorlagerströme bei Umrichterspeisung.“ Den Höhepunkt des Besuches der Alumni bildete der visionäre Vortrag von Industry CEO Prof. Siegfried Russwurm zum Thema „Die Zukunft der Produktion auf dem Weg zu Industrie 4.0“.


Über Siemens Large Drives (LD)
Innerhalb des Siemens-Konzerns ist das Geschäftsgebiet Large Drives ein Teil der Division Drive Technologies und gehört zum Sektor Industry. Hergestellt werden Elektromotoren und Systemlösungen für Antriebssysteme ganz unterschiedlicher Leistungsklassen – vom kleinen Elektromotor mit 1 kW Nennleistung bis hin zu 100 MW Motoren für Gasverflüssigungsanlagen. Der Kundenkreis erstreckt sich über die Prozessindustrie, die Schifffahrt- und die Bahnindustrie bis in den Bereich Wasserstofferzeugung. An den Konzepten und Lösungen von LD arbeiten weltweit etwa 25.000 Mitarbeitern in 26 Werken, welche sich auf 13 Länder verteilen.

Als B2B-Zulieferer sind die Produkte von LD für den Endverbraucher zunächst kaum wahrnehmbar. Nichtsdestotrotz spielen Systemlösungen von Siemens für den komfortablen und zuverlässigen Betrieb zahlreicher Produkte und Anwendungen eine entscheidende Rolle. Während der Werksführung und in den Vorträgen wurden einige prominente Beispiele hierfür aufgezeigt. Fracking ist derzeit in aller Munde – aber kaum jemand erahnt die Komplexität der dahinter stehenden Technik aus Pumpen, Lüfter, Kompressoren und vielem mehr. Siemens Motoren sorgen für deren ausfallsicheren Betrieb. Ein anderes Anwendungsfeld, wo Robustheit ein ausschlaggebendes Designkriterium ist, stellt die Tagebauinfrastruktur dar. Während im Bereich Förderbandtechnik mechatronische Expertise gefragt ist, zählt beim Antrieb der gigantischen Muldenkipper vor allem die schiere Antriebsleistung – immerhin 1 MW pro Fahrzeug. Und wer ahnt beim Sonnenbad an Bord eines großen Kreuzfahrtschiffes in der Karibik, dass der Schiffspropeller von einem großen Elektromotor angetrieben wird und der Schiffsdiesel in Wirklichkeit nur als großer Stromgenerator dient?

Hybridantrieb jetzt auch für Schiffe
Spannende technische Einblicke zu diesem Thema gab Lutz Namyslo in seinem Vortrag über die „Stromversorgung und Hybridantriebssysteme für Schiffe“. So sind dieselelektrische Antriebssysteme (so wird der oben geschilderte Sachverhalt fachlich korrekt bezeichnet) mittlerweile Standard im Bereich Kreuzfahrtschiffe, finden aber auch bei kleineren Schiffen vermehrt Anwendung, wie sie beispielsweise für die Versorgung von Offshore-Plattformen eingesetzt werden. Neben einem höheren Komfort ist insbesondere die präzisere Steuerbarkeit eines elektrischen Antriebs in kritischen Situationen ein großer Vorteil, welcher allerdings durch höhere Betriebskosten erkauft wird. In der Containerschifffahrt, wo Kosteneffizienz als Garant für das Überleben in einem hart umkämpften Wettbewerbsumfeld gilt, ist dies absolut inakzeptabel. Diese werden nachwie vor direkt vom Schiffsdiesel über eine Welle angetrieben. Der Strombedarf, welcher bei einer Beladung mit Kühlcontainern durchaus erheblich sein kann, wird durch den zusätzlichen Betrieb von Dieselgeneratorengedeckt. Um das bestehende System noch effizienter zu machen, hat Siemens eine Erweiterung zum klassischen Energiemanagement entwickelt. Dieses besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten. Zum Einen wird mit dem heißen Abgasstrom des Schiffsdiesels eine Dampfturbine angetrieben, welche den im angeschlossenen Generator erzeugten Strom in das Bordnetz einspeist und so die Energieeffizienz um bis zu 10% erhöht. Zum Anderen wird dieses System durch einen sogenannten Wellengenerator ergänzt. Dabei handelt es sich um einen Elektromotor, der direkt an die Schiffswelle angeschlossen ist und je nach Betriebsmodus entweder als Generator oder als elektrischer Zusatzmotor betrieben wird. Als Booster kann er so die Antriebsleistung kurzzeitig erhöhen. Im Regelbetrieb wird er jedoch meist im Generatormodus betrieben, denn mit dem erzeugten Strom und einer intelligenten Steuerelektronik kann der Betrieb des gesamten Bordnetzes gewährleistet werden. Ein Weiterbetrieb der Dieselgeneratoren ist dann nicht mehr notwendig. Dies spart Kosten und verlängert die personalintensiven Wartungsintervalle.

Sowohl bei Schiffen als auch in der klassischen Elektromobilität gilt: Es gibt nicht die eine perfekte Lösung für alles. In Zukunft wird es mehr und mehr darauf ankommen, auf die individuellen Bedürfnisse des Kunden schnell mit flexiblen Lösungen reagieren zu können.

Testen ist gut, simulieren ist besser…
… und vor allem preiswerter. Diesen wesentlichen Aspekt moderner Simulationsverfahren verdeutlichte Dr. Peter Köllensperger in seinem Vortrag zur „Analyse von Antriebssystemen mittels Hardware-in-the-loop Simulation“. Ziel des Verfahrens ist es, die fertig ausgelegte Regelungstechnik im Labor unter praxisnahen Einsatzbedingungen zu testen. Nun wäre es recht aufwändig und kostenintensiv ein komplettes Endkundensystem aufzubauen, nur um die Steuerung zu testen. Hier kommt Hardware-in-the-loop ins Spiel: das physische System aus sämtlichen Hardwarekomponenten wird dabei durch ein komplexes Modell ersetzt, welches dessen Verhalten simuliert und alle relevanten Regelgrößen in Form elektrischer Signale ausgibt. Daran angeschlossen wird die SINAMICS Regelungstechnik, die nun unter Praxisbedingungen auf Herz und Nieren getestet werden kann.

London bekommt ein neues Wahrzeichen
Wer kennt sie nicht, die legendären roten Doppeldeckerbusse in der Londoner City. Doch die guten alten Routemasterbusse aus den 1960ern sind in die Jahre gekommen und müssen nun peu à peu durch neue Fahrzeuge ersetzt werden. Neue Technik, altes Design, so lautet das Credo. Während die neuen Busse rein äußerlich ihren Vorgängern aus den 1960ern stark ähneln, steckt unter der Haube modernste Siemens Antriebstechnologie made in Germany, als Garant für höchste Effizienz und Umweltfreundlichkeit. Zum Einsatz kommt ein sogenanntes serielles Hybridsystem, welches sich grundlegend von einem parallelen Hybridsystem unterscheidet, wie bei der Werksführung betont wurde. Das Prinzip (ähnlich dem von Schiffen): Der Verbrennungsmotor treibt zunächst einen Generator an und die elektrische Energie wird in einer Traktionsbatterie zwischengespeichert. Ein Elektromotor treibt die Räder an. Das Fahren selbst erfolgt also rein elektrisch, nur der hierfür benötigte Strom wird durch die Verbrennung fossilen Diesels erzeugt. An einem Ausstellungsstück konnten sich die Exkursionsteilnehmer persönlich von der äußert kompakten Bauweise des Elektromotors überzeugen.

SIMOTICS FD – eine neue Generation von Siemens Motoren
Martin Sindelka führte in seinem Vortrag „SIMOTCS FD – Innovatives Motordesign und Systemoptimierung zum geräuscharmen und effizienten Betrieb am Umrichter“ das Publikum in die Geheimnisse der neuesten Entwicklung von Siemens im Bereich Niederspannungsmotoren ein. Schon rein optisch unterscheiden sich diese Motoren deutlich von ihren Vorgängern, wie bei der Werksführung in der Fertigung eindrucksvoll zu sehen war. Haben die Motoren der alten Modellreihe eine runde Form mit Kühlgerippe, so sind die Motoren des neuen Modells rechteckig kompakt gebaut. Verglichen mit dem Vorgängermodell haben sie eine höhere Leistungsdichte und eine geringere Geräuschemission. Die wirkliche Ingenieurskunst steckt dabei im Detail. Bei der Konzeption wurde ganz besonders darauf geachtet, dem Kunden ein hoch flexibles Produkt anbieten zu können, angepasst an seine individuellen Bedürfnisse. Um die prognostizierte Nachfrage von 5.000 Einheiten pro Jahr effizient, kostengünstig und qualitativ hochwertig produzieren zu können, finden derzeit umfassende Umbaumaßnahmen in der Fertigungslinie statt.

Industrie 4.0 – die vierte Industrielle Revolution?
Mit dem Ziel, das Schlagwort Industrie 4.0 zu entmystifizieren, eröffnete Prof. Dr. Siegfried Russwurm, Vorstandsmitglied der Siemens AG und CEO des Sektors Industry, den Abschlussvortrag des Abends „Die Zukunft der Produktion auf dem Weg zu Industrie 4.0“. In seinem faszinierenden Vortrag ging er auf die vielen Anforderungen und Facetten der industriellen Produktion der Zukunft ein. Dabei legte er großen Wert darauf, die Bedeutung der industriellen Produktion für Deutschland auch im weltweiten Kontext zu unterstreichen. Während etliche Staaten (als Beispiele wurden England und die USA genannt) mit viel Geld und Aufwand eine Reindustrialisierung ihrer Volkswirtschaften anstreben, hat Deutschland nach wie vor eine herausragende Ausgangposition mit einem hohen Anteil industrieller Wertschöpfung am BIP. Um die Wettbewerbsfähigkeit weiter zu stärken, muss sich die Industrie den wachsenden weltweiten Herausforderungen stellen.

Doch was steckt überhaupt hinter Industrie 4.0, worum geht es dabei? Industrie 4.0 ist ein Zukunftsprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, an dessen Ziel die intelligente Fabrik der Zukunft stehen soll. Der Kerngedanke ist die zunehmende Vernetzung und Digitalisierung der klassischen Produktionstechnik, um deren Effizienz zu steigern, Innovationszyklen zu verkürzen und die Flexibilität zu erhöhen. Oder, wie es Prof. Russwurm ausdrückte: „Der Wandel in der Produktion erfolgt schneller als je zuvor, mit dem Endziel Losgröße 1.“

Die Bezeichnung Industrie 4.0 wurde bewusst in Anlehnung an die bevorstehende vierte industrielle Revolution gewählt, de facto als fortlaufender Prozess in Anschluss an die drei bisherigen industriellen Revolutionen (Mechanisierung mit Dampf- und Wasserkraft während der ersten, Massenfertigung mittels Elektrizität und Fließbandarbeit bei der zweiten und dem Einsatz von Informationstechnologie zur weiteren Optimierung der Produktion während der dritten).

Die Frage, warum Industrie 4.0 ausgerechnet heute stattfindet, wusste Russwurm kurz und prägnant zu beantworten: Rechenleistung, Bandbreite und Speicher sind heute in Leistungsklassen und zu Preisen verfügbar, wie es vor wenigen Jahrzehnten noch völlig undenkbar erschien. Dieser Umstand ermöglicht das Verarbeiten von Big Data, also riesigen Datenmengen, wie sie mittlerweile voll automatisiert und in vielen Bereichen gesammelt werden. Doch damit allein ist es nicht getan. In Zukunft muss es vermehrt darum gehen, die wichtigen und relevanten Informationen aus dem Datenmeer herauszufiltern und daraus die richtigen Schlüsse abzuleiten. Nicht Big Data ist der Schlüssel, sondern Smart Data, wie Russwurm resümierte. Wichtig sei es, die Ergebnisse in die Optimierung der verwendeten Modelle einfließen zu lassen, um die digitale Planung noch weiter zu verbessern.

Wie weit die digitale Planung bereits fortgeschritten ist, konnte Russwurm an etlichen eindrucksvollen Anwendungsbeispielen aufzeigen. So wird mittlerweile die gesamte Logistikinfrastruktur (beispielsweise an Flughäfen) digital geplant und optimiert, die Dauer für die Installation somit auf ein Minimum reduziert. Auch die Fertigung unterschiedlichster Modelle auf einer Produktionslinie ist im neuen BMW Werk in China bereits Realität. Eine hoch komplexe Planung und Steuerung sorgt für den reibungslosen Produktionsablauf.

Aber wo geht die Entwicklung hin? Was kommt nach der Einführung flexibler Produktionsnetzwerke und der Verschmelzung von realer und virtueller Welt? Auf diese und weitere Fragen ging Russwurm gegen Ende seines Vortrages näher ein. Es wird darum gehen, die Vernetzung und Kommunikation weiter voranzutreiben, bis hin zu einem sich selbst optimierenden System. Dies funktioniert nur, wenn alle Beteiligten dieselbe „Sprache“ sprechen, weshalb Russwurm der Entwicklung von plattformübergreifenden Protokollen eine hohe Bedeutung beimisst. Die zunehmende Autonomie der Produktion wird sich auch auf das Arbeitsumfeld der Mitarbeiter auswirken. Der Mensch wird sich weniger um die Ausführung und Entscheidungsfindung im operativen Tagesgeschäft kümmern, sondern vielmehr als kreativer Planer, Überwacher und Entscheider fungieren, der die Produktionsregeln und Zielgrößen festlegt. Daraus ergeben sich neue Anforderungen an die Ausbildung zukünftiger Generationen, worüber im Anschluss an den Vortrag im Diskussionsteil und beim Get-together mit den anwesenden Hochschullehrern ausgiebig diskutiert wurde.

Ob es sich bei Industrie 4.0 nun um eine echte Revolution handelt, konnte nicht abschließend geklärt werden. Russwurm gab zu bedenken, dass insbesondere in der Produktion Neuerungen nur sehr vorsichtig implementiert werden, da menschliches Verhalten über lange Zeiträume hinweg gleich bleibt. Der Schritt zu Industrie 4.0 wird kommen, aber nur nach und nach umgesetzt werden. Vielleicht ist Industrie 4.0 in diesem Sinne keine Revolution, aber allemal eine Evolution mit weiterreichenden Veränderungen.

Bericht: Christian Schiele
Master-Studierender der Technischen Fakultät im Studiengang Materialwissenschaft und Werkstofftechnik und Mitglied im ATE


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