Intelligente Schnellkupplungen für vernetzte Anwendungen

Im Zuge der Entwicklungen zur vernetzten Fabrik in der „Industrie 4.0“ und dem „Internet of Things“ (IoT) spielen intelligente Schnellkupplungen zur Überwachung und Steuerung von Produktionsprozessen eine wesentliche Rolle. Kupplungssysteme gewährleisten seit Jahren in zahlreichen automatisierten Industrieprozessen das schnelle, einfache und sichere Verbinden und Trennen von Leitungen. Die einheitlichen Systeme und das automatisierte Kuppeln ermöglichen ein Höchstmaß an Flexibilität und das zuverlässige Anschließen und Auswechseln von Anlagen- und Maschinenmodulen ohne zusätzlichen Werkzeugeinsatz.

Seit der Erfindung von Webstuhl und Dampfmaschine führen immer wieder neue Entwicklungen Umbrüche herbei und zwingen zu neuen strategischen Ausrichtungen – sowohl für den Faktor Mensch, als auch in Produktionsprozessen. Die zunehmende Digitalisierung hat den Anstoß für die vierte industrielle Revolution gegeben. Die „Industrie 4.0“ ist charakterisiert durch die digitale Vernetzung des kompletten Produktionsprozesses – von der Produktentwicklung bis hin zu Logistik und Versand. In der „Smart Factory“ wird analoge mit digitaler Technik kombiniert und schrittweise ersetzt. Der Mensch ist nicht mehr Teil der Produktion, sondern begleitet diese lediglich. Eine Erweiterung erfährt die „Industrie 4.0“ hierbei zunehmend durch das „Internet of Things“ (IoT) zum sogenannten „Industrial Internet of Things“ (IIoT). Ziel ist die durchgehende Automatisierung von Produktionsprozessen, um schnell und flexibel auf Veränderungen des Marktes eingehen, verstärkt individualisierte Produkte herstellen und in Hinblick auf die Ressourcenoptimierung effizient produzieren zu können.

Durch die Verschmelzung von Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (Operational Technology, OT) können Fertigungsprozesse optimiert und vorab bestimmten bzw. veränderten Anforderungen angepasst werden. Hierbei sind Maschinen nicht mehr darauf programmiert, einzelne hochspezialisierte Aufgaben zu erfüllen, sondern erheben, verarbeiten und greifen auf eine Vielzahl von Daten zu, um sich an veränderte Produktionsprozesse anzupassen. Auf diese Weise sind in der Fertigung automatische Korrekturen möglich bzw. die intelligente Steuerung von Aufträgen. Smarte Maschinen und Bauteile, die über sensible Sensoren Informationen erfassen, ermöglichen die Maschinenzustandsüberwachung (Condition Monitoring) sowie die vorbeugende (Preventive Maintenance) und vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) in diversen mechanischen und elektrischen Anwendungen. Auf diese Weise ist es möglich, die Maschinen proaktiv warten zu können, ungeplante Stillstandzeiten zu vermeiden und langfristig Kosten zu senken. Kupplungssysteme als Komponenten der klassischen Automatisierung können auch hier Schlüsselfunktionen erfüllen.

Ob im Maschinen- und Anlagenbau oder der Chemie- und Pharmaindustrie: Das automatisierte Verbinden und Trennen von Leitungen trägt wesentlich zur Produktionssteigerung bei. Mono- und Multi-Schnellkupplungen werden in der Regel hinsichtlich ihres Verwendungszwecks, der Anschlüsse, der Druckverhältnisse, dem in der Leitung geförderten Medium und dem Verbindungsmechanismus voneinander unterschieden, wobei die diversen Kupplungssysteme ein hohes Maß an Flexibilität, Zuverlässigkeit, Effizienz und Sicherheit bieten. In der Kombination mit smarten Technologien ergeben sich weitere Vorteile: Technisch aufgerüstete Kupplungssysteme erfassen wichtige Daten über den Maschinenzustand oder gewährleisten Unverwechselbarkeit beim Kuppeln von Schlauch- und Rohrleitungen nicht nur rein mechanisch.

Eine Weiterentwicklung im Bereich der „Industrie 4.0“ sind intelligente Schnellkupplungen, die in vielseitige Hard- und Softwarelösungen integriert werden können. In sensiblen Branchen mit hohen Sicherheitsstandards, wie zum Beispiel der chemischen und pharmazeutischen Industrie, ist das Verbinden von falschen Medienleitungen zwingend auszuschließen. Mit unverwechselbaren Kupplungssystemen können schwerwiegende Konsequenzen im Vorhinein verhindert werden.

Neben der mechanischen Kodierung von Kupplung und Nippel gibt es inzwischen eine elektrische RFID-Transponder-Kodierung auf den Kupplungshälften. Mit der RFID-Antenne auf der Festhälfte und dem RFID-Transponder auf der Loshälfte ist die elektronische Überwachung der Medienleitungen beim Kuppeln möglich. Erst mit der Verifizierung der richtigen Kupplungshälften wird von der Anlagensteuerung der Mediendurchfluss freigegeben. Des Weiteren können mit der elektrischen Kodierung wichtige Daten erhoben, übertragen und auf dem RFID-Transponder gespeichert werden. Ein neues Anwendungsfeld neben der Chemie- und Pharmaindustrie ist die Wasserstoffbetankung für Fahrzeuge (PKW oder Truck), wo die Schnellkupplung neben der Wasserstoffleitung auch die Kommunikation zwischen Tankstelle und Fahrzeug übernimmt, um die Steuerung des Tankvorgangs zu begleiten.

Das regelmäßige und permanente Erfassen des Maschinenzustands bildet die Basis für ein zuverlässiges Condition Monitoring. Durch Messung und Analyse relevanter Daten, wie Schwingung, Drehmoment oder Lage, wird ein hohes Maß an Sicherheit und Effizienz gewährleistet. Eine entsprechende Sensorik an sicherheitsrelevanten Bauteilen senkt Mehrkosten und steigert den Nutzen, indem ihr Zustand und Verschleiß durchgehend kontrolliert wird. Smarte Kupplungen ermöglichen es, Daten mit möglichst geringem Aufwand zu erheben. Sie benötigen ohnehin nur geringen Bauraum und können mit Sensorik zusätzliche Funktionen im Bereich der Messtechnik übernehmen. So wird Drehmoment, Drehzahl, Beschleunigung, Rotation oder Lage im Raum erfasst. Während der gesamten Messung erfüllt die Kupplung weiterhin alle ihre mechanischen Eigenschaften. Die Aufnahme und Verarbeitung der Messdaten erfolgen direkt, wobei die relevanten Informationen nahezu in Echtzeit verfügbar sind. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Messdaten mehrerer Bauteile im Zusammenspiel zu analysieren.

Die Auswertung der Messdaten erlaubt beispielsweise Rückschlüsse auf den korrekten Einbau und eine bessere Beurteilung des dynamischen Verhaltens, beispielsweise in einem rotierenden Antriebsstrang. Dadurch lassen sich Ausfall- und Stillstandzeiten reduzieren oder gar vermeiden und zugleich die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Anlage erhöhen. Anhand der Datenanalyse lassen sich unvorhersehbare Maschinenschäden vermeiden, die Lebensdauer der Maschine und ihrer Komponenten optimal nutzen sowie der Zeitpunkt einer notwendigen Wartung voraussagen, wodurch letztlich Kosten eingespart werden können. Zukünftig bietet sich zudem die Möglichkeit, die Daten zu vernetzen. Aktuell müssen Wartungs- und Stillstandzeiten oft noch manuell erfasst werden, langfristig wäre es mit der digitalen Überwachung der Antriebsteile denkbar, dass eine erforderliche Wartung automatisch im Produktionsplan eingetaktet wird.

Der Einsatz von smarten Maschinen und Bauteilen wie Schnellkupplungen, sorgt für eine maximale und effiziente Flexibilisierung in der Fertigung. Die Vernetzung der Maschinen und die Echtzeitanalyse von großen Datenmengen schafft mehr Transparenz im gesamten Produktionsprozess. Das betrifft sowohl den Zustand von Maschinen und Anlagen als auch die Produktqualität. Langfristig ist es durch die effizientere Organisation von Arbeitsprozessen, der höheren Anlagenauslastung und der vorausschauenden Wartung möglich, die Produktivität und den Durchsatz einer Fabrik zu steigern während sich Stillstandzeiten und Kosten verringern. Nicht zuletzt ergeben sich durch die intelligente Vernetzung von Produktion und Produkten neue Geschäftsmodelle, wie zum Beispiel die Fertigung von hochindividualisierten Produkten nach Kundenwunsch. Im Umkehrschluss ist die Entwicklung zur Smart Factory mit etlichen Herausforderungen verbunden, das betrifft nicht nur den zunächst hohen Investitionsaufwand bei der Umrüstung.

Das systematische Sammeln und Analysieren großer Datenmengen (Big Data), beispielsweise im Maschinen- und Anlagenbau, erfordert neben entsprechenden Bauteilen in den Maschinen und Anlagen außerdem entsprechende Fachkräfte oder zusätzliche Qualifikationen der Mitarbeiter. Gerade im Zuge des Fachkräftemangels können sich in diesem Zusammenhang Engpässe ergeben. Ein Sicherheitsrisiko ergibt sich durch die Vernetzung von Maschinen und Anlagen im industriellen Internet of Things. So sind Industrie- und Fertigungsanlagen ein häufiges Ziel von Cyberattacken. Hier gilt es hinsichtlich Datentransfer und Fernwartungszugriffen wirksame IT-Sicherheit in den Produktionsnetzen zu gewährleisten, etwa durch unterschiedliche Sicherheitszonen, Firewalls, Datendioden oder sichere Fernwartungslösen wie einem Rendezvous-Server.