PC-based Control verbindet Gebäude und Fertigung
Smarte Planung und durchgängige Automation
Das jüngste Werk der Firma Pollmann, Hersteller von Schiebedach-Kinematiken und elektromechanischen Türschlossern, steht im österreichischen Vitis und wurde mit einem digitalen Zwilling virtuell geplant. Mit den wichtigsten zu erwartenden Kennzahlen gefüttert, konnten Planer und Errichter zusammen mit dem Bauherrn die realen Abläufe im 3D-Modell durchspielen, im Vorfeld anpassen und mit PC-based Control von Beckhoff durchgängig umsetzen. Das Ergebnis ist eine intelligente Vernetzung von Maschinen- und Industriebau.
Bild: ©Kurt Hoerbst1888 von Franz Pollmann als Handwerksbetrieb zur Herstellung feinmechanischer Geräte und Uhren im österreichischen Karlstein gegründet, haben auch mehr als 130 Jahre später die Entwicklung und Fertigung neuer Produkte bei Pollmann Tradition. Die Kernkompetenz liegt in Mechatronikbauteilen für die Automobilindustrie.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Intelligente Vernetzung
Im Maschinenbau ist es mittlerweile üblich, mithilfe von 3D-Modellen zu planen und zu simulieren. In der Architektur inklusive Gebäudeautomation hingegen sind es bisher wenige Anbieter, die den Einsatz digitaler Zwillinge bei Planung und Ausführung der zu errichtenden Objekte einsetzen. Hierzu zählen Firmen Peneder Bau-Elemente und Stiwa. "Als Maschinenbauer und Softwareunternehmen sind wir es gewohnt, das Produktionsumfeld zu verbessern", betont Thomas Führer, Leiter des Geschäftsbereichs Gebäudeautomation bei Stiwa AMS. Daher weiß er, dass die Umgebungsbedingungen die Gesamtanlageneffektivität einer Maschine stark beeinflussen: Wie viel Platz steht rund um die Maschine zur Verfügung? Welche Bedingungen herrschen in einer Produktionshalle? Wie ist es um den internen Materialfluss und die Laufwege der Mitarbeiter bestellt? "All diese Dinge gilt es bei der Planung eines Smart Industrial Building ebenso zu beachten wie die Energieflüsse", zeigt Führer Hebel zur Effizienzsteigerung auf.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGUmfangreiche Grundanforderungen
Da Pollmann nur dann expandiert, wenn ein konkreter Kundenauftrag vorliegt, stand von Anfang an eine besonders sportliche Vorgabe im Raum: Spätestens zehn Monate nach dem ersten Spatenstich sollte das Werk II in Vitis in den Vollbetrieb gehen. "Die kleinen Bauteile, in denen viel Technologie und Entwicklungsarbeit steckt, werden nach wie vor im Headquarter in Karlstein hergestellt, aber für die größeren Bauteile in hoher Stückzahl wie Gehäuse und Deckel für Türschließsysteme benötigten wir zusätzliche Fertigungskapazität", verrät Standortleiter Manfred Jäger. Grundanforderungen waren eine weitgehend automatisierte Produktion mit möglichst wenig Logistikaufwand, ein nachhaltiger Umgang mit Energie und allen anderen Ressourcen, strukturierte Personen- und Warenströme sowie eine flexible Erweiterbarkeit des Produktionsstandorts. Die erste Ausbaustufe in Vitis umfasst auf 9.400m² die Produktion, ein Hochregallager mit derzeit 5.500 Pallettenplätzen sowie Büros, Technik- und Sozialräume. Der gemeinsam erarbeitete Masterplan ist so ausgelegt, dass sich das Werk schnell auf bis zu fünf Hallen ausbauen lässt. Dazu wurden Versorgungsleitungen sowie Personen- und Warenströme in einer zentralen Logistikachse zusammengeführt. Um die nächste Ausbaustufe einzuleiten, reicht es aus, diese Magistrale entsprechend zu verlängern "Wir selbst hätten weder an eine Nord/Süd-Ausrichtung des Gebäudes gedacht, noch wären wir auf die Idee gekommen, für einen mittig platzierten Infrastrukturkanal zu sorgen, von dem links und rechts die Achsen zu den einzelnen Verbrauchern wegführen," zeigt sich Pollmann erfreut.
Gebäude als Maschine betrachtet
Bei einer produktionsbasierten Planung stehen die Fertigungsprozesse mit ihren Energie- und Materialflüssen sowie alle produktivitätsrelevanten Umgebungsbedingungen im Fokus. "Das Gebäude wird als Maschine verstanden", skizziert Thomas Führer die Herangehensweise von Peneder und Stiwa mit maschinenbautypischen Methoden und Software-Werkzeugen: Neben dem 3D-Modell des Gebäudes wurde auch ein digitaler Zwilling als Building Information Model (BIM) entworfen, mit dem sich Proportionen, Materialien, Licht, Formen und Farben genauso wie die geplanten Produktions- und Betriebsabläufe auf ihre Stimmigkeit hin testen ließen. BIM ist eine virtuelle Planungsmethode, bei der die jeweiligen Teilmodelle der unterschiedlichen Disziplinen in einem zentralen 3D-Modell zusammengeführt werden. Peneder, tätig im Industrie- und Gewerbebau, nutzt BIM durchgängig von der Planung bis zum Betrieb. "Virtuell mittels BIM geplant, ist bei der Ausführung und beim späteren Betrieb eines Gebäudes viel gewonnen," bestätigt Christian Pillwein, Branchenmanager Building Automation bei Beckhoff Österreich.
Geschlossene Regelkreise
Allein die geschlossenen Regelkreise zwischen Produktion, Logistik und Gebäudetechnik senken die Energiekosten deutlich. Christian Pillwein führt hier die bedarfsgerechte Lüftung als Beispiel an: Die intelligente Verknüpfung der Fertigung mit der Gebäude- und Energieversorgung stellt sicher, dass nur so viel Luft in die Halle eingeblasen wird, wie aufgrund der momentan aktiven Maschinen tatsächlich notwendig ist. Denn aufgrund von Umrüstzeiten oder Wartungen sind fast nie alle Maschinen gleichzeitig in Betrieb. Selbst bei vorbildlich agierenden Unternehmen liegt die Gesamtanlageneffektivität bei durchschnittlich 75 Prozent. "Die Differenz von 25 Prozent birgt enormes Energiesparpotenzial und lässt sich mit einer bedarfsorientierten Regelung der Gebäudeautomation sehr gut heben", unterstreicht Thomas Führer. Hardwareseitig läuft das Regelungsgeschehen bei Pollmann über Beckhoff-Komponenten. Als Leitstand-Server befindet sich ein Schaltschrank-Industrie-PC C69xx im Einsatz, während die HKL-Zentrale, die Lüftung sowie die Raumautomation über fünf Embedded-PCs CX50xx gesteuert werden. Die diversen Sensoren und Aktoren werden über rund 700 Ethercat- und Busklemmen von Beckhoff sowie über Subsysteme wie KNX, M-Bus und MP-Bus sowie Modbus TCP und RTU in PC-based Control und Twincat eingebunden. "Die Herausforderung bei diesem Projekt war, ein bedarfsorientiertes, intelligentes Regelungskonzept zu entwickeln, das die Fertigungs- mit der Gebäudeautomation vereint", betont Pillwein. Da Pollmann in beiden Bereichen auf PC-based Control setzt, war dieser technologische Schulterschluss möglich. "Wir können nicht nur die gebäudetechnischen Anlagen überwachen und regeln, sondern auch Betriebsdaten in Echtzeit erfassen", erklärt Thomas Führer, worüber sich vor allem Rainer Hobiger, Leiter Facility Management des neuen Standorts, freut: "Über unser Online-Werks-Cockpit sehen wir, welche Maschinen laufen und wie gut sie dies tun." Denn ein plötzlich auftretender erhöhter Energieverbrauch kann nur zwei Dinge bedeuten: Eine höhere Stückzahl oder Verschleiß. "Da sich auch die Stückzahlen nachverfolgen lassen, können wir nach einem kurzen Soll/Ist-Vergleich sofort die Instandhaltung losschicken", sagt Hobiger.
Nachhaltige Herangehensweise
Neben der auslastungsabhängigen Belüftung sorgen weitere Maßnahmen für einen nachhaltigen Umgang mit Energie: Die Nord/Süd-Ausrichtung des Gebäudes hält die solaren Einträge und damit den Energiebedarf zum Kühlen gering. Die Abwärme der Spritzgießanlagen wird am gesamten Standort zur Raumtemperierung genutzt; die Abwärme aus der Antriebskühlung direkt, aus der Werkzeugkühlung indirekt über Kältemaschinen. Aus den Kältemaschinen selbst und den Druckluft-Kompressoren wird ebenfalls Wärme rückgewonnen. "In Summe waren bei uns mehrere Temperaturkreisläufe von der eingesetzten Technik unter einen Hut zu bringen", erklärt Werksleiter Manfred Jäger, warum Pollmann für die Realisierung dieses Projekts unbedingt einen - wie er es ausdrückt - "Gebäudeautomatisierer wollte, der auch die Industriebrille aufhat".
Industriestandard im Gebäude
"Für mich ist Hardware vor allem Mittel zum Zweck, um in Kombination mit Software bestimmte Abläufe zu schaffen und Nutzen zu stiften", sagt Thomas Führer. Er will die Hardware möglichst wenig spüren; sie soll einfach funktionieren. "Beckhoff bietet ein interessantes, auf einem Industriestandard basierendes Technologieportfolio, das ebenso für integrale Gebäudeautomation geeignet ist. Denn mit PC-based Control ist man in alle Richtungen völlig offen." Ein Beispiel: Für Analysen oder Wenn/Dann-Algorithmen nutzt Stiwa mittlerweile Oracle-Datenbanken, die im Hintergrund auf den Beckhoff-Industrie-PCs laufen. Führer lobt die Offenheit auch in Richtung der Feldebene: "Jede Feldkomponente, egal welchen Herstellers, ist über eine entsprechende Schnittstelle oder über ein entsprechendes Bussystem in die Gesamtlösung integrierbar". Mehr als 400 verschiedene Ethercat-Klemmen tragen mit dazu bei. Beckhoff selbst war bei Pollmann bereits vor dem Neubauprojekt bekannt. "Wir sind gemeinsam groß geworden", erinnert sich Manfred Jäger an die ersten gemeinsamen Projekte. Nun geben Steuerungen von Beckhoff bei Pollmann nicht mehr nur bei einzelnen Maschinen den Takt vor, sondern auch bei der zentralen Gebäudeautomation des Werks II in Vitis.
Intelligente Vernetzung
Im Maschinenbau ist es mittlerweile üblich, mithilfe von 3D-Modellen zu planen und zu simulieren. In der Architektur inklusive Gebäudeautomation hingegen sind es bisher wenige Anbieter, die den Einsatz digitaler Zwillinge bei Planung und Ausführung der zu errichtenden Objekte einsetzen. Hierzu zählen Firmen Peneder Bau-Elemente und Stiwa. "Als Maschinenbauer und Softwareunternehmen sind wir es gewohnt, das Produktionsumfeld zu verbessern", betont Thomas Führer, Leiter des Geschäftsbereichs Gebäudeautomation bei Stiwa AMS. Daher weiß er, dass die Umgebungsbedingungen die Gesamtanlageneffektivität einer Maschine stark beeinflussen: Wie viel Platz steht rund um die Maschine zur Verfügung? Welche Bedingungen herrschen in einer Produktionshalle? Wie ist es um den internen Materialfluss und die Laufwege der Mitarbeiter bestellt? "All diese Dinge gilt es bei der Planung eines Smart Industrial Building ebenso zu beachten wie die Energieflüsse", zeigt Führer Hebel zur Effizienzsteigerung auf.
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 2 (März) 2023 - 01.03.23.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
