SIEMENS

Wie passt eine der größten Industriemaschinen der Welt in einen 15 Quadratmeter großen Raum? Kein Problem für Dr. Thomas Baudisch und sein Team, das sich FINE nennt. Die Abkürzung steht für „Functional and integrative engineering of mechatronic systems“, und es geht um die Entwicklung mechatronischer Systeme im virtuellen Raum. Sie können so tun, als ob in ihrem Labor auf dem Gelände der Siemens-Forschungsabteilung Corporate Technology (CT) im Münchner Stadtteil Neuperlach ein bis zu 14.000 Tonnen schwerer Schaufelradbagger steht. 90 Meter hoch sind diese Kolosse aus Stahl, und mit 200 Metern fast so lang wie eine Rheinbrücke. Die gesamte Elektronik, die für den Antrieb und die Steuerung der Schaufelradbagger notwendig ist, passt allerdings in die drei Schaltschränke im Siemens-Labor. Und die Aktionen des Schaufelradbaggers simulieren die Wissenschaftler auf dem Computer, der mit einem dicken Kabel an die Schaltelemente angeschlossen ist.
Ein großes Poster an der Wand des Labors zeigt einen Schaufelradbagger beim Abbau von Braunkohle. „So haben wir immer vor Augen, mit was für einem Ungetüm wir es zu tun haben“, scherzt Baudisch. Seit November 2008 entwickelt der Projektleiter mit einem interdisziplinären Team – Fachleute aus den Bereichen Maschinenbau, Informatik, Mathematik und Elektrotechnik – eine maßgeschneiderte Simulationsanlage für Schaufelradbagger des Energiekonzerns RWE. „Unsere Bagger sind zwischen 15 und 50 Jahre alt“, erklärt Thomas Nieß, der bei RWE für die Elektrotechnik der Förderanlagen verantwortlich ist. Wird der Stahlaufbau der Schaufelradbagger gut gepflegt, also vor Korrosion geschützt, und werden die Schweißnähte regelmäßig ausgebessert, ist er so gut wie unverwüstlich. Anders sieht es mit der Elektrotechnik aus, die den Bagger steuert. Spätestens nach 40 Jahren sind die Leitungsanlagen durch UV-Licht und Verschleiß so kaputt, dass sie komplett ausgetauscht werden müssen. „Mittlerweile sind die Innovationszyklen für die Elektrotechnik sowieso kürzer geworden, so dass wir die Anlage schneller ersetzen und in immer kürzeren Abständen nachrüsten müssen“, sagt Nieß. Das ist ein Trend in allen Branchen, der auch vor dem eher als konservativ geltenden Bergbau nicht Halt macht.

Neue Technik – neue Extras. So ist jetzt der Zeitpunkt gekommen, um die Schaufelradriesen auf den neuesten Stand der Technik zu bringen. RWE entwickelt zusammen mit Siemens in Köln eine komplett neue Automatisierungstechnik für 16 Bagger, die der Energiekonzern im Rheinischen Revier, also dem Städtedreieck Aachen, Mönchengladbach und Köln, in seinen Braunkohletagebauen in Betrieb hat. "Diese neuen Programme müssen wir vortesten, damit wir die Stillstandszeiten der Bagger bei der Implementierung möglichst gering halten", erklärt Nieß. Genau hier kommt das Forscher-Team von Siemens ins Spiel. Es entwickelt einen Simulator, mit dem die neue Automatisierungstechnik getestet wird. "Simulationen sind überall in der Industrie auf dem Vormarsch", sagt Roland Rosen, der bei CT innerhalb des Global Technology Fields "Modellierung, Simulation and Optimierung" das Programm "Digital Product" leitet. Sie seien Teil des Trends zum digitalen Produkt, der bedeutet, dass künftige Produkte vom Konzept über die Entwicklung bis zur Dokumentation und Inbetriebnahme komplett im Computer entstehen.
Durch die neue Software können die Bagger viele Aufgaben, die bisher vom Geräteführer gesteuert wurden, selbständig ausführen. Per elektronischem Befehl erfährt das Steuerungssystem des Baggers etwa, welches Geländesegment die Schaufeln gewinnen sollen, und positioniert den Ausleger selbstständig. Über GPS kontrolliert die Steuerungstechnik, ob der Standort korrekt ist. Sensoren messen den Abstand zur Böschung und geben Alarm, wenn dieser zu gering ist. "Das ist sehr wichtig um dem Geräteführer ein Assistenzsystem für seine tägliche Arbeit an die Hand zu geben", erklärt Baudisch. Das Steuerungssystem erkennt auch, wie viel Kohle die Bagger-Schaufeln aufnehmen und reguliert die Schwenkgeschwindigkeit, mit der sie sich durchs Material graben, damit die Menge des Materials, das auf dem Förderband abtransportiert wird, immer konstant bleibt.
Viele neue Funktionen sollen dafür sorgen, dass die Bagger möglichst effizient arbeiten und nicht ausfallen. Denn Stillstand macht sich deutlich bemerkbar: "Ein Bagger fördert bis zu 240 000 Tonnen Kohle am Tag", sagt Nieß. Die riesigen Geräte sind relativ robust, dennoch haben sie einige sensible Stellen, die automatisch kontrolliert werden.
So wird ein Sensor beispielsweise den Stromfluss des Antriebs für die Ketten der Raupenfahrwerke überwachen. Der Stromfluss muss ein bestimmtes Profil aufweisen. Ändert sich dieses, deutet das auf eine Störung am Raupenfahrwerk hin. Der Antrieb wird sofort gestoppt, um zu verhindern, dass weitere Schäden entstehen. "Mit unseren Algorithmen bilden wir im Simulator den Motorstrom und mögliche Fehler nach, um die Kontrollfunktion der Steuerung testen zu können", erklärt Baudisch. "Simulieren bedeutet Nachbildung, Analyse und Optimierung des physikalischen und automatisierungstechnischen Verhaltens einer Anlage in einem bestimmten Zeitraum", sagt Rosen. Dafür können verschiedene mathematische Modellierungsmodelle eingesetzt werden, beispielsweise zeitdiskrete Modelle oder Gleichungen. Die Daten werden mit einer Software ausgewertet und die Veränderungen der relevanten Parameter wie Geschwindigkeit oder Gewicht auf virtuellen Messinstrumenten angezeigt.
Der Simulator wird aber nicht nur zum Testen der neuen Automatisierungstechnik gebraucht. "Damit wollen wir auch unseren Nachwuchs schulen", erklärt Nieß. In der Regel werden Facharbeiter aus der Elektrotechnik oder dem Maschinenbau zu so genannten Großgeräteführern ausgebildet. Weil sie keine Vorkenntnisse haben, sollen sie nicht gleich mit dem echten Bagger üben, zum einen weil dieser ja für den Abbau gebraucht wird, und zum anderen um die teure Anlage zu schonen. "Dafür muss unser Simulator jedoch noch ein wenig mehr können als bisher", sagt Baudisch.
Die Siemens-Forscher werden den Simulator mit einer Bewegungs-Plattform koppeln, damit die zukünftigen Baggerführer sich beim Trainieren wie in einer echten Baggerkabine fühlen. "Das funktioniert genauso wie ein Flugzeugsimulator", erklärt Baudisch. Wenn der Simulator im Frühjahr 2011 fertig ist, können die Baggerführer vor allem diejenigen Einsätze üben, die nicht automatisch gesteuert werden können. So müssen etwa die Grundwasserbrunnen, die überall im Tagebau stehen, weiträumig frei geschnitten werden. Auch die Trassen, auf denen sich die Bagger im Gelände bewegen, werden von den Baggerführern freihändig angelegt.

Simulation der Zukunft. Der Aufbau der Simulationsmodelle ist heute noch mit erheblichem Aufwand verbunden. Zunächst müssen die für die Modellbildung benötigten Informationen aus technischen Zeichnungen, Stromlaufplänen, Weg-Zeit-Diagrammen und ähnlichen Quellen zusammengetragen werden. Diese Daten werden um fachbereichs- und prozessspezifisches Know-how wie Reibung, Materialkennwerte, Schneidprozess oder Regelungsmodelle angereichert. Daraus erstellt der Simulationsingenieur heute mit erheblichem manuellen Aufwand das Simulationsmodell. Noch – denn die Siemens-Forscher denken bereits über die Zukunft der Simulation nach. "Wir werden Methoden entwickeln, die sich alle Daten, die für das Simulationsmodell notwendig sind, selbstständig zusammensuchen und zu einem Gesamtsimulationsmodell zusammensetzen", zeigt Baudisch die weitere Entwicklung auf. "Erste Prototypen für die virtuelle Steuerungsinbetriebnahme existieren bereits. Wann die Methoden generell im Entwicklungsprozess angewendet werden können, lässt sich im Moment noch schwer abschätzen", sagt Rosen. Die Wissenschaftler von Siemens haben jedenfalls die Zukunft bereits fest im Blick.