Wie weit die Themen Energieeffizienz, Digitalisierung und Dekarbonisierung in der Antriebstechnik reichen, zeigt Schiebel mit seinen elektrischen Stellantrieben. Innovative Motorentechnologie, im Haus entwickelte Software, zukunftsweisende Wartungskonzepte und der Einsatz maschinellen Lernens bestimmen schon heute die Entwicklung künftiger Systeme.

Schiebel, ein österreichischer Hersteller für elektrische Stellantriebe, hat sich schon immer dem ausschließlichen Einsatz elektrischer Energie verschrieben. Diese Entscheidung bringt für Anwender zahlreiche Vorteile. Der Aufbau pneumatischer oder hydraulischer Infrastrukturen entfällt vollständig, während elektrische Energie nahezu überall verfügbar ist. Sie kommt direkt zur Bewegung der Armatur zum Einsatz, ohne Umwandlung in eine Hilfsenergie. Damit gehören rein elektrisch betriebene Stellantriebe zu den Systemen mit dem geringsten CO₂-Footprint. Energieverluste durch Umwandlung und Transport entfallen, wodurch sich der Wirkungsgrad deutlich erhöht.

Um die elektrische Energie effizient einzusetzen, optimiert Schiebel mit einer ganzen Reihe verschiedener Maßnahmen laufend den mechanischen Teil der Stellantriebe. Während sich Anwender von Stellantrieben mit einfacheren und daher kostengünstigeren Getrieben mit einem Wirkungsgrad von 30 bis 40 Prozent begnügen müssen, erreichen Stellantriebe mit hocheffizientem Getriebe einen Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent. Dazu kommt der Einsatz von Kugelgewindetrieben an Stelle von Spindeln in Linearantrieben. Auch hier ist die Auswirkung auf den Wirkungsgrad enorm. Dieser steigt dank des hocheffizienten Kugelgewindetriebs von rund 50 auf knapp 95 Prozent. Dieser Fakt gestattet in sehr vielen Anwendungsfällen die Auswahl einer kleineren Stellantriebsgröße mit geringerer Leistungsaufnahme und folglich weniger Energieverbrauch. Zudem ist der Kugelgewindetrieb nahezu verschleißfrei. Das kommt einer deutlich verlängerten Lebensdauer des Stellantriebs und somit dem Nachhaltigkeitsaspekt zugute.

Kleiner, leichter, wirkungsvoll

Wichtigen Vorschub zum Thema Energieeffizienz leistet das innovative Motorkonzept der CM-Antriebe. Hier setzt Schiebel auf permanenterregte bürsten lose Gleichstrom-Motoren (Brushless DC Motor) in Kombination mit einer BLDC-Motorsteuerung. Im Vergleich zu Lösungen mit Asynchronmotoren eignet sich der langlebige BLDC-Motor auf Grund seiner Drehmoment-/Drehzahlcharakteristik hervorragend für den Einsatz im Stellantrieb. Zudem ist er kleiner, leichter und hat einen, dank sehr geringer Wärmeverluste, enorm hohen Wirkungsgrad. Die Drehzahlvariabilität der BLDC-Motore bietet Vorteile hinsichtlich Lager- und Ersatzteilhaltung sowie Servicierung. Idente Antriebe lassen sich softwareseitig für unterschiedliche Drehzahlanforderungen auslegen – eine Eigenschaft, die Drehstromasynchronmotoren nicht bieten.

Um diese enorme Leistungsersparnis zu erreichen, hat Schiebel eine Pulsweitenmodulation in die Elektronik integriert. Dabei erzeugt das Unternehmen ein Rechteck-Spannungsimpuls, dessen Weite, Breite bzw. Länge variabel einstellbar ist. Die Pulsweitenmodulation ermöglicht bei der Failsafe-Bremse ein einsatzabhängiges Senken der Versorgungsspannung von 24 VDC auf bis zu 18 VDC – ohne dass dies Auswirkungen auf die Funktionalität, Verfügbarkeit und Sicherheit hat. Mit dieser verhältnismäßig kleinen, aber technisch komplexen Maßnahme erreicht Schiebel einen sehr großen Nutzen, trägt so zu niedrigeren Total Cost of Ownership bei und verringert dadurch die Dauer des Return on Investment. Der energietechnische Vorsprung von elektromechanischen Failsafe-Systemen gegenüber Hydraulik- oder Pneumatiklösungen vergrößert sich so weiter.

Betriebsdatenerfassung in der Software SMARTTOOL (Quelle: Schiebel)

Langfristig zuverlässig

Elektrische Stellantriebe arbeiten grundsätzlich sehr zuverlässig – auch und vor allem langfristig betrachtet. Mit seiner Fail-Safe-Technologie erfüllt das Unternehmen zudem höchste Anforderungen an den sicheren Betrieb von Anlagen in der Prozessindustrie. Fail-Safe-Antriebe sorgen für ein sicheres Schließen bzw. Öffnen im Störfall. Auch dann, wenn die Versorgung mit elektrischer Energie ausfällt, da das Erreichen der Sicherheitsstellung mittels einer mechanisch vorgespannten Feder erfolgen kann. Um für Fail-Safe- Antriebe und elektrische Stell- und Regelantriebe nicht nur einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, sondern auch die Verfügbarkeit zu erhöhen, hat Schiebel das Thema Preventive Maintenance Firmware implementiert. Die allgemeinen Betriebsdaten und die Verfügbarkeit können dann ersichtlich aufgerufen und dargestellt werden.

Der Vorteil für den Anwender liegt auf der Hand. Ein unerwarteter Ausfall eines Stellantriebs auf Grund von Wartungsmängeln ist in der Regel mit einem hohen Aufwand verbunden und kostet den Anlagenbetreiber sehr viel Geld. Ungeplante Anreisen von Servicepersonal über weite Strecken insbesondere zu dezentralen Anlagen verursachen einen hohen CO₂-Ausstoß, der sich aber in den meisten Fällen vermeiden lässt. Dazu kommt noch die eventuelle Zeitverzögerung bis zur Lieferung benötigter Ersatzteile. Denkt man bei der Anlage zudem an Trink- oder Abwasser, rückt schnell das Thema Versorgungssicherheit ins Blickfeld.

Stellantriebe sollen in Zukunft aus Fehlern lernen (Quelle: Schiebel)

Breite Datenbasis

Um den verlässlichen und sicheren Betrieb eines Stellantriebs ohne unerwartete Unterbrechungen zu gewährleisten, sammelt die Firmware verschiedene Informationen über dem Antrieb, und zwar sowohl über den mechanischen, als auch über den elektronischen Teil. Konkret erfasst wird beispielsweise,

• wie oft sich der Antrieb in Richtung Schließen bzw. Öffnen bewegt hat,
• ob die Endpositionen auch tatsächlich erreicht wurde,
• wie oft ein Partial-Valve- Stroketest erfolgreich durchgeführt wurde, bzw. ob es dabei Probleme gab.

Weiters wird z. B. erfasst, wie oft die Fail- Safe-Funktion angesprochen hat oder wie häufig der Stellantrieb auf Grund des Erreichens des Abschaltmoments gestoppt wurde. Darüber hinaus liefert die Firmware detaillierte Daten über eine eingeführte Drehmomentklassifizierung, die im laufenden Betrieb zeitanteilig in Open/Close angefallen sind. Betriebs- und Einschaltzeiten und Verfügbarkeit werden protokolliert. Auch die thermische Belastung der Leistungselektronik oder des Motors wird überwacht und evaluiert, ob bzw. wie oft ein Überschreiten der Temperatur über einen definierten Grenzwert aufgetreten ist und welchen Einfluss dies auf die thermische Alterung hat. Schließlich wird auch das Auftreten von Unterspannungsevents auf der Netzseite erfasst, analysiert und gemeldet.

Zeit als Einflussgröße

Essenziell ist, dass zusätzlich die Zeit bzw. Zeiträume einfließen, innerhalb derer bestimmte Ereignisse auftreten. Dank dieser Daten können zuverlässige Aussagen über die Verfügbarkeit, Wartungsintervalle, den Anlagenzustand oder die zu erwartende Restlebensdauer des Stellantriebs getroffen werden. Definiert sind diese Zeiträume zum einen herstellerseitig von Schiebel, zum anderen ist es dem Betreiber des Antriebs jederzeit möglich, diese durch eigene Vorgaben individuell zu ändern oder zu ergänzen. Dieser Ansatz gibt dem Betreiber alle Möglichkeiten, um die Wartungsintervalle ganz spezifisch auf die Bedürfnisse seiner Anlage zuzuschneiden und so einen sicheren und nachhaltigen Betrieb mit hoher Verfügbarkeit zu gewährleisten. So erkennt das System frühzeitig, wenn etwa der Tausch einer bestimmten Komponente in absehbarer Zeit fällig wird.

Selbstverständlich lassen sich die Informationen dieses Health Monitorings, ebenso wie alle anderen Daten, über gängige Bussysteme in übergeordnete Leitsysteme übernehmen – Schiebel stellt hier der erforderlichen Schnittstellen standardmäßig zur Verfügung. Betreiber gewinnen so ein Höchstmaß an Transparenz, Planbarkeit und Verfügbarkeit der eingesetzten Antriebe und somit über den Gesundheitszustand sowie das Risiko eines Ausfalls der Gesamtanlage. Das in die von Schiebel im Haus entwickelte Smarttool-Bediensoftware integrierte Antriebscockpit stellt jederzeit – auch via Internet – den Blick auf die aktuellen Betriebsdaten des Stellantriebs sicher. Sämtliche Änderungen am Antrieb bzw. in dessen Parametrierung werden im Blackboxfile gespeichert. Eine weitere, insbesondere die Inbetriebnahme unterstützende Softwarefunktion ist die Alarmsimulation. Diese simuliert mit Hilfe eines digitalen Zwillings definierte Betriebssituationen bzw. Störfälle, ohne dass der Antrieb selbst bewegt werden muss. Inbetriebsetzungen werden so wesentlich vereinfacht, da zum Beispiel Anlagentestläufe nicht mehr durch real durchgeführte Antriebsbewegungen beeinflusst werden.

Maschinelles Lernen bei Stellantrieben

Stellantriebe sollen in Zukunft aus Fehlern lernen. Die Datenbasis der Blackboxfiles verdeutlicht, welche Maßnahmen zu welchen Auswirkungen auf den Antrieb führen – kurz-, mittel- und langfristig. Schiebel arbeitet daher daran, in die Software eine Funktion zu implementieren, die dem Anwender sofort Feedback gibt, welche Folge eine Änderung eines kritischen Parameters auf Funktion oder Restlebensdauer hat. So könnten effektiv mögliche ungünstige oder gar falsche Einstellungen verhindert werden. Zweite aktuelle Stoßrichtung von Schiebel hinsichtlich des maschinellen Lernens ist, die tatsächliche interaktive Restlebensdauer zu bewerten – basierend auf aktuellen Prozess- und Umgebungsbedingungen. „Das Schaffen einer validen Datenbasis wird hier noch einige Zeit in Anspruch nehmen“ aber der Weg in die Zukunft elektrischer Stellantriebe ist klar vorgezeichnet.

Michael Piller

Head of Sales & Service

SCHIEBEL Antriebstechnik GmbH