Bahnwaschanlage Simulation ersetzt den Testlauf

Anbieter zum Thema

Danotherm Electric A/S

Mitsubishi Electric Europe B.V. Factory Automation

MPDV Mikrolab GmbH

aPriori Deutschland

UberCloud

Wie man qualitativ hochwertigere Maschinen in kürzerer Zeit und mit weniger Fachkräften, dafür mithilfe von Automatisierungstechnik, einem digitalen Zwilling und Low-Code-Programmierung auf den Markt zu bringt, machen ein Maschinenbauer, ein Ingenieurbüro und ein Technologiekonzern am Beispiel einer Bahnwaschanlage vor.

Genug der düsteren Prognosen! Dass sich der deutsche Maschinen- und Anlagenbau aktuell in anspruchsvollen Fahrwassern befindet, bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Erklärung. Alle wissen, was die Stunde geschlagen hat. Doch hilflos ausgeliefert sind die Unternehmen dieser Krise nicht. Gerade der technologische Fortschritt auf dem Gebiet der Digitalisierung – vor allem die weitere Verzahnung von IT und OT – bietet enormes Potenzial, um Wettbewerbsfähigkeit auch langfristig zu erhalten und auszubauen.

Digitalisierung als unternehmerische Kernkompetenz

Bei dieser Erfolgsgeschichte geht es um die BHB Waschanlagen Vertriebs GmbH aus dem baden-württembergischen Holzmaden. Schon seit 1983 werden hier Waschanlagen für Schienenfahrzeuge produziert, und mit seinen 20 bestens ausgebildeten Mitarbeitenden ist das familiengeführte Unternehmen ein fast schon typischer Vertreter der in Deutschland so einzigartigen Mittelstandskultur. Tobias Straub, der den Betrieb im Jahr 2019 von seinem Schwiegervater und Firmengründer Dieter Bossler übernommen hat, kennt die aktuellen Herausforderungen seiner Branche daher sehr genau: „Krise hin oder her, die Zeiten haben sich gewandelt. Wer heute ein wettbewerbsfähiges und für Fachkräfte attraktives mittelständisches Unternehmen führen möchte, muss bereit sein, sich technologisch weiterzuentwickeln. Gerade die Digitalisierung ist zu einer entscheidenden Kernkompetenz geworden.“ Straub, Jahrgang 1983 und von Haus aus klassischer Maschinenbauingenieur, hat die digitale Transformation daher zur Chefsache erklärt und den Umstieg auf vernetzte Hardwarekomponenten und eine neue Softwarearchitektur in den vergangenen Jahren aktiv vorangetrieben. Mit einer neuen Straßenbahnwaschanlage für die Verkehrsbetriebe Zürich hat diese Entwicklung nun einen vorläufigen Höhepunkt erreicht.

Straßenbahnen nachhaltig und effizient waschen

Die Waschanlage für Straßenbahnen – oder „Trams“, wie es in der Schweiz heißt –, die das Unternehmen im Zürcher Stadtteil Oerlikon errichtet hat, zeichnet sich durch ein hohes Maß an Effizienz und Nachhaltigkeit aus. Komplett ausgestattet mit Automatisierungskomponenten von Mitsubishi Electric sind sämtliche Betriebsabläufe und Funktionen darauf ausgerichtet, bei minimalem Ressourcenaufwand ein bestmögliches Reinigungsergebnis zu liefern. Insgesamt können auf der Anlage acht unterschiedliche Waschprogramme gefahren werden, die sich je nach Fahrzeugtyp (in Zürich gibt es drei Tram-Varianten) und Reinigungsintensität unterscheiden. Gesteuert wird alles von der Kompaktsteuerung Melsec FX5U-64MR/DS aus dem Hause Mitsubishi Electric.

Dass die Waschanlage eine so hohe Ressourceneffizienz aufweist, ist, neben der Aufbereitung von Brauch- und Regenwasser, vor allem auf die eingesetzte Antriebstechnik zurückzuführen. Sowohl für die Bewegung der horizontal und vertikal rotierenden Bürsten als auch für die exakte Regelung der verschiedenen Pumpen kommen moderne Frequenzumrichter der FR-E800 Serie von Mitsubishi Electric zum Einsatz. Da diese, im Gegensatz zu einer einfachen Motorschaltung per Schütz oder Relais, eine flexible Motorregelung ermöglichen, können Drehzahl und Drehmoment jederzeit über eine Veränderung der Hertz-Frequenz an die jeweiligen Prozessgegebenheiten angepasst werden. So verbleibt der Arbeitspunkt der Motoren stets im optimalen Bereich der Motorkennlinie, und ein idealer Anpressdruck der Bürsten sowie eine nahezu verlustfreie Energieumwandlung sind zu jedem Zeitpunkt der Wäsche sichergestellt.

Kompakter, smarter, effizienter

Die Zukunft der Frequenzumrichter

Im Fall der Pumpen ist es mithilfe der Frequenzumrichter zudem möglich, Wassermenge und Wasserdruck jederzeit im optimalen Bereich zu halten (drei Bar an der jeweiligen Düse). Je nach dem, wie viele Sprührohre gerade mit Wasser versorgt werden müssen, lässt sich die Pumpenleistung per Anpassung der Frequenz dynamisch verändern. In Kombination mit den flexibel regelbaren Bürsten ist die Anlage somit in der Lage, auch bei geringem Energie- und Wasserverbrauch eine hohe und gleichbleibende Reinigungsqualität zu erreichen.„Oft ist es schon mit einfachen Mitteln möglich, das Automatisierungsniveau einer Maschine erheblich zu verbessern“, erklärt Michael Brandecker, der bei Mitsubishi Electric als Vertriebsingenieur tätig ist. „Gerade Frequenzumrichter bieten da enormes Potenzial. Ohne dass viel zusätzliches Know-how oder Aufwand vonnöten wäre, können Maschinenbauer ihre Maschinen damit deutlich attraktiver für ihre Kunden machen. Mehr Qualität und weniger Betriebskosten ziehen immer.“

Vier statt zwei – das erfolgreiche Waschwagen-Quartett

Dass die Waschanlage in Zürich neue Maßstäbe in puncto Effizienz setzen kann, hängt neben der Wasser- und Antriebstechnik auch mit dem grundsätzlichen Aufbau der Anlage zusammen. Denn um möglichst viele Fahrzeuge in kurzer Zeit hochwertig reinigen zu können, kommen in der Waschhalle der Zürcher Verkehrsbetriebe nicht – wie sonst üblich – nur zwei, sondern gleich vier sogenannte „Waschwagen“ zum Einsatz. Diese schienengeführten Waschwagen, an denen die beweglichen Bürsten sowie die Sprührohre für Wasser und Reinigungsmittel montiert sind, fahren während des Waschvorgangs rechts und links an der fest positionierten Straßenbahn entlang und sind für die Wäsche zuständig. Da in Zürich nun vier solcher Waschwagen in Betrieb sind, konnte die Waschzeit im Vergleich zu anderen Anlagen des Herstellers spürbar reduziert werden.

„Auch beim Straßenbahnbetrieb gilt: Zeit ist Geld“, sagt Straub mit Blick auf die besonderen Merkmale seiner Anlage. „Aber, und das war eine der besonderen Herausforderungen bei diesem Projekt, je mehr Waschwagen zum Einsatz kommen, desto komplexer sind auch die Abläufe und desto höher sind die Anforderungen bei Programmierung und Inbetriebnahme. Und das sind zwei entscheidende Kostentreiber.“ Wie in so vielen anderen mittelständischen Betrieben in Deutschland stand man also auch in Holzmaden vor der Gretchenfrage: Wie kann es gelingen, den gewachsenen Kundenansprüchen gerecht zu werden und gleichzeitig in puncto Kosten konkurrenzfähig zu bleiben? Bei einem Ingenieurbüro aus Stuttgart fand man die Antwort.

„Wir arbeiten schon seit langem sehr vertrauensvoll mit der Firma Atina und Nawid Zarrabi zusammen“, berichtet Straub. „Und von dort ging auch der entscheidende Impuls aus, das Projekt in Zürich für den nächsten Schritt unserer eigenen digitalen Transformation zu nutzen.“ Die Folge: Mit Unterstützung des ebenfalls familiengeführten Ingenieurbüros wurde nicht nur der Umstieg zur sogenannten Low-Code-Programmierung vollzogen, sondern auch erstmals ein digitaler Zwilling für die Inbetriebnahme eingesetzt.

Low-Code-Programmierung – 200 statt 4000 Zeilen

Im Unterschied zur klassischen SPS-Programmierung, bei der mit strukturiertem Text gearbeitet und hartkodiert wird, kommt ab sofort eine leicht verständliche Skriptsprache für die Erstellung von Waschprogrammen zum Einsatz: Per Excel-basiertem Editor werden nur noch bestimmte Befehle und Werte, etwa zur Positionierung der Maschine oder zur Öffnung von Magnetventilen, in eine Tabelle eingetragen, ohne dass komplizierter Code geschrieben werden muss. Anschließend lässt sich das fertige Programm als CSV-Datei exportieren und direkt in die Mitsubishi-Steuerung integrieren.

„Für die Schnittstellen braucht es zwar weiterhin die klassische Programmierung, aber für alles andere sind praktisch keinerlei SPS-Skills mehr erforderlich“, erklärt Nawid Zarrabi, der die Skriptsprache mit seinem Ingenieurbüro für die Waschanlagen-Experten entwickelt hat. „Das reduziert den zeitlichen Aufwand für die Erstellung eines Waschprogramms erheblich, und auch spätere Anpassungen lassen sich deutlich schneller und einfacher umsetzen.“ Statt wie bisher aus rund 4000 Zeilen Text bestehen die mithilfe der Skriptsprache parametrierten Waschprogramme nur noch aus maximal 200 Zeilen. Für die Wiederverwendbarkeit der Programme, aber auch für deren generelle Lesbarkeit, ist das ein entscheidender Faktor. „Sollte es mal zu Störungen an der Anlage kommen, müssen wir nicht immer sofort einen Fachexperten nach Zürich schicken“, macht Straub deutlich. „Auch Personen ohne fundierte Programmierkenntnisse können das Programm verstehen und Zusammenhänge erkennen.“

Angesichts dieser Mehrwerte war es auch für Mitsubishi Electric, auf deren SPS-Steuerung die Low-Code-Programmierung umgesetzt wurde, keine Frage, den eingeschlagenen Weg zu unterstützen. „Uns ist es sehr wichtig, dass wir unseren Partnern aus dem Maschinenbau Steuerungshardware zur Verfügung stellen, die Möglichkeiten für eine vereinfachte Programmierung zulässt“, macht Brandecker deutlich. „Die Anwender können dann ihr eigenes Programmiertool nutzen, das voll auf ihre individuellen Anforderungen zugeschnitten ist. Das macht unsere Technologien, aber auch das gesamte Thema der digitalen Transformation, erheblicher zugänglicher und einfacher. Und hier sehe ich uns Hersteller auch in einer wichtigen Verantwortung.“

Virtuelle Inbetriebnahme verkürzt drastisch die Projektlaufzeiten

Die Einführung einer Low-Code-Skriptsprache ist aber nur eine von zwei Innovationen, die in Holzmaden für die Effizienzsteigerung in Sachen Programmierung und Inbetriebnahme umgesetzt wurde. Zusätzlich kommt inzwischen auch ein dreidimensionaler, digitaler Zwilling zum Einsatz, mit dem sich die realen Bewegungsabläufe der verschiedenen Waschprogramme exakt simulieren lassen. Werden also in die Excel-Tabelle neue Parameter eingetragen, lässt sich deren Effekt unmittelbar in der 3D-Simulation überprüfen. Umgekehrt ist es aber auch möglich, bestimmte Werte, die für die perfekte Parametrierung eines Waschprogramms notwendig sind, mithilfe des digitalen Zwillings zu ermitteln.

Ein Beispiel: Da der digitale Zwilling sogar in der Lage ist, die Durchdringung von Objekten zu simulieren, lässt sich genau bestimmen, wie sich die Motorstromsignatur eines Antriebs in Abhängigkeit vom Durchdringungsgrad von Bürste und Fahrzeug verändert. Die so ermittelten Motorstromwerte können dann verwendet werden, um das Verhalten der Bürsten (bzw. den Regelalgorithmus ihrer Antriebe) bereits vor dem Bau der Anlage so exakt zu parametrieren, dass es bei der Inbetriebnahme keine bösen Überraschungen gibt. Und genau das ist der entscheidende Vorteil.

„Meine Kollegen und ich gehen mit einer ganz anderen Sicherheit auf die Baustelle, wenn wir vorher schon wissen, es funktioniert“, beschreibt Straub die Vorteile der neuen Technologie. „Was vorher mehrere anstrengende Wochen in Anspruch genommen hat, dauert auf Basis des digitalen Zwillings heute nur noch ein paar Tage. Wir bauen die Anlage auf, und bis auf ein paar Kleinigkeiten läuft alles wunderbar. Und, da wir den normalen Betrieb kaum stören, ist das natürlich auch für unsere Kunden ein gigantischer Vorteil.“

Innovation trifft Automation

Der digitale Zwilling, der bei BHB künftig auch für weitere Projekte zum Einsatz kommt, wurde ebenfalls von dem Stuttgarter Ingenieurbüro entwickelt und basiert auf der herstellerunabhängigen Simulationssoftware fe.screen-sim des bayerischen Automatisierungsexperten F.EE. „Durch Hinzufügen eigener Module und CAD-Dateien haben wir eine hochgradig individualisierte Simulationssoftware gestaltet, in der die drei unterschiedlichen Fahrzeugtypen der Zürcher Straßenbahn sowie die mechanischen und elektrotechnischen Komponenten der Waschanlagen als originalgetreue, virtuelle Zwillinge existieren“, fasst Zarrabi zusammen. „Und diesen digitalen Komponenten können wir dann Signale von einer realen Steuerung senden und schauen, ob das entworfene Programm auch wirklich lauffähig ist. Die komplette Inbetriebnahme und alle damit verbundenen Fehler machen wir also am Schreibtisch.“

Alle Probleme, die unseren Wirtschaftsstandort derzeit plagen, lassen sich sicherlich nicht mit neuen, digitalen Technologien lösen. Dennoch stellt dieses Beispiel unter Beweis, dass es mit den richtigen Partnern und ein wenig Mut zu Innovationsbereitschaft nach wie vor möglich ist, unabhängiger von den schwierigen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zu agieren. Mithilfe von Low-Code-Programmierung und digitalem Zwilling können die Spezialisten aus Holzmaden nicht nur besonders effiziente Maschinen mit kürzeren Inbetriebnahmezeiten anbieten, sondern sind auch in der Lage, sich als Arbeitgeber im War-for-Talent attraktiver aufzustellen. Weniger Zeit auf Reisen und dafür eine kreativere Maschinenentwicklung mit 3D-basierten Simulationstools sind gerade für jüngere Ingenieurinnen und Ingenieure überzeugende Argumente.

Partnerschaften als Schlüssel zum Erfolg

„Für uns ist es immer wieder faszinierend zu sehen, was kreative Köpfe aus unseren Technologien alles herausholen können“, freut sich Automatisierungsexperte Brandecker abschließend. „Wenn es auch in anderen Fällen gelingt, dass Hersteller, Systemintegratoren und Maschinenbauer ihr Know-how bündeln und Innovationen so vorantreiben können wie es uns in diesem Fall gelungen ist, dann muss es einem um den Wirtschaftsstandort Deutschland echt nicht bange sein.“

Volker Vogler ist Business Development Manager bei Mitsubishi Electric Industrial Automation.