Vakuumtechnik für die digitale Fabrik

Kompaktterminal SCTMi: Durch den modularen Aufbau können bis zu 16 Einzelejektoren individuell gesteuert und konfiguriert werden. Die Parametrierung erfolgt per App. (Bild: J. Schmalz GmbH)

Der elektrische Vakuum-Erzeuger ECBPi mit IO-Link und NFC wurde für die mobile Robotik und stationäre Handhabungsaufgaben mit kollaborativen Robotern (Cobots) entwickelt. (Bild: J. Schmalz GmbH)

Die Vakuum-Komponenten sind über Schnittstellen wie IO-Link, Ethernet oder NFC schnell in die Anwendungsumgebung eingebunden. Sie ermöglichen eine lückenlose Prozessüberwachung, eine frühe Fehlererkennung und eine rechtzeitige, planbare Wartung. (Bild: J. Schmalz GmbH)

Damit elektrische Vakuum-Erzeuger, -Greifer oder Kompaktejektoren sichtbar für die smarte Fabrik werden, müssen sie in Echtzeit digitale Energie- und Prozessdaten zur Verfügung stellen. Schmalz integriert dafür Schnittstellen wie IO-Link, Ethernet oder NFC in seine Vakuum-Komponenten und schafft so die intelligente Basis für die vernetzte Fertigung.

Cyber-physische Systeme sind die Protagonisten der vierten industriellen Revolution. Sie verknüpfen reale mit virtuellen Objekten, also Maschinen mit informationsverarbeitenden Systemen. Die Innovationsstufe im Vergleich zur Automatisierungswelle durch Elektronik und IT ab den 1970er Jahren ist die systemübergreifende Kommunikation. Durch sie können Energie- und Prozesskontrolle sowie vorausschauende Wartung realisiert werden – wenn die Geräte über entsprechende Schnittstellen verfügen.

Speziell für die Vernetzung in der Vakuum-Automation entwickelt die J. Schmalz GmbH Vakuum-Komponenten, die energie- und performancerelevante Daten nicht nur erfassen und in die Cloud schicken, sondern auch überwachen und analysieren. Dank IO-Link oder Industrial Ethernet-Schnittstellen gelingt den Smart Field Devices die durchgängige Kommunikation von der Sensor- und Aktorebene zur übergeordneten Steuerung (SPS) und weiter in die Leitebene. Dabei funktioniert die Kommunikation in beide Richtungen: Neben der Übermittlung von Daten zum Zustand oder Energieverbrauch können über die Steuerung Parameter geändert und auf das intelligente Feldgerät übertragen werden.

Neben der IO-Link- und Industrial-Ethernet-Schnittstelle integriert Schmalz in seine intelligenten Vakuum-Komponenten auch eine NFC-Schnittstelle (Near Field Communication). Um über kurze Strecken Informationen drahtlos auszutauschen, findet eine Punkt-zu-Punkt-Kopplung zwischen dem Smart Field Device und dem NFC-fähigen mobilen Endgerät des Anwenders statt. Für die Übertragung ist keine eigene Energiequelle in der Komponente nötig. Stattdessen ist eine Spule verbaut, die über das Smartphone erregt wird. Die Spule induziert eine Spannung in einen Prozessor, der dann über eine Antenne seine Informationen sendet. Der Nutzer kann somit sowohl Prozessdaten wie auch Wartungs- und Serviceinformationen am Smartphone direkt ablesen. Das Device spricht quasi Klartext mit dem Anwender: Kommt es zu einem Stillstand, liefert es eindeutige Hinweise zur Fehlerquelle statt kryptischer Fehlercodes. Auch das Parametrieren der Komponente kann über das Smartphone erfolgen. Dafür hat Schmalz die App ControlRoom programmiert. Parameteränderungen, die über NFC vorgenommen werden, können direkt auf das Gerät übertragen, oder von einem Gerät auf ein anderes kopiert werden.

Ein weiterer Vorteil von NFC ist die direkte Zuordnung von Produkt zu Smartphone. Zwei Geräte werden nur über eine sehr kurze Strecke von maximal zwei Zentimetern verbunden. So kann sich der Anwender sicher sein, keine benachbarten Geräte unbeabsichtigt zu parametrieren.

Von der Luftströmung zum Datenstrom

Welchen Nutzen die Digitalisierung auf der Komponentenebene für die Vakuum-Anwendung haben kann, zeigt beispielhaft der Blick in das Kompaktterminal SCTMi. Dieses bündelt bis zu 16 einzelne Vakuum-Erzeuger zu einer kompakten Einheit, die lediglich über einen elektrischen und einen Druckluftanschluss verfügt. Schmalz ermöglicht so die gleichzeitige, unabhängige Handhabung von unterschiedlichen Teilen mit nur einem System. Das Vakuum wird mit einer Venturi-Düse erzeugt und von einem Sensor erfasst. Den genauen Vakuum-Wert kann der Anwender über die IO-Link-Prozessdaten oder am Display des Erzeugers auslesen.

Über die zyklischen Prozessdaten werden auch die Ejektoren gesteuert und aktuelle Informationen vom SCTMi zurückgemeldet. Ebenso stehen dem Anwender über die IO-Link-Verbindung Einstellwerte, Parameter sowie Mess- und Analysedaten zur Verfügung. Zudem leiten die Diagnose- und Prognosefunktionen der Vakuum-Komponenten Informationen über den Zustand der Anlage ab und erkennen Trends in der Qualität und Leistung. An eine interne oder externe Cloud übermittelt, werden die Daten aufbereitet und analysiert und generieren wirklichen Mehrwert: Erkennt das System aus der Toleranz laufende Werte oder schleichende Veränderungen, können diese schnell und übersichtlich dem Anwender angezeigt werden. Beispielsweise überprüft das System für die Predictive-Maintenance-Auswertungen die Leckage sowie den Staudruck.

Condition-Monitoring-Ereignisse werden beispielswiese ausgelöst, wenn die Werte des Staudrucks abweichen, die Evakuierungszeiten der Ejektoren ihre Grenzwerte überschreiten oder Sensorspannungen außerhalb des Arbeitsbereiches liegen. Die Energy-Monitoring-Funktion hat den Energieverbrauch der angeschlossenen Vakuum-Systeme im Blick. Diese Überwachung basiert auf dem gemessenen Luftverbrauch, der unter Berücksichtigung von Systemdruck und Düsengröße berechnet wird. Anwender können über die IO-Link-Prozessdaten einen extern erfassten Druckwert vorgeben. Wenn dieser Wert zur Verfügung steht, kann der Ejektor zusätzlich zum prozentualen auch den absoluten Luftverbrauch messen.

Schnell integriert

Durch diese vielfältigen Funktionen kann der Anwender seine Anlage effizient halten, Maschinenstillstände vermeiden und die Anlagenverfügbarkeit erhöhen. Doch IO-Link bietet ihm auch schon bei der Integration des Kompaktterminals in die Systemumgebung entscheidende Vorteile: Schmalz stellt dem Anwender eine umfangreiche IO-Link-Konfigurationsdatei IODD (IO Device Description) zur Verfügung, die unter anderem Informationen zur Identifikation, Geräteparameter, Prozess- und Diagnosedaten sowie Kommunikationseigenschaften beinhaltet. Ebenso wird der Austausch von Geräten vereinfacht, da das IO-Link-Protokoll einen Automatismus zur Datenübernahme enthält. Beim Austausch eines Gerätes durch ein neues des gleichen Typs werden die Einstellparameter des alten Gerätes automatisch vom Master in das neue Gerät gespeichert.

Des Kompaktterminal SCTMi ist Teil des stetig wachsenden Programms an intelligenten Feldgeräten. Ihre Prozess- und Zustandsdaten machen Industrie-4.0-Konzepte möglich. Anwender profitieren von einer schnellen Inbetriebnahme, dem zuverlässigen Betrieb und geringeren Ausfallrisiken. Neben speziellen Kompaktejektoren hat Schmalz auch den elektronischen Vakuum-Druckschalter VSi – er misst und überwacht Unter- und Überdrücke in Automatisierungs- und Handlingsystemen – sowie den Spezialgreifer SNGi-AE und den elektrischen Vakuum-Erzeuger ECBPi mit IO-Link und NFC für die digitale Fabrik ausgestattet.