Energie-Management für ein hydraulisches Hybrid-Hubwerk

Ausgangssituation:

Basierend auf den im abgeschlossen Förderprojekt „Digitalhydraulik“ gewonnenen Erkenntnissen wurde ein Demonstrator zur Energierückgewinnung in Hub-Senk-Anwendungen aufgebaut. Dieser umfasst neben dem Mehrstufenspeicher-Prototypen und einem Hubgerüst ein Aggregat mit drehzahlvariablem Pumpenantrieb. Damit steht eine flexibel einsetzbare Versuchseinrichtung zur Verfügung. Sie ermöglicht einerseits die Untersuchung der Potentiale zur Energiespeicherung und -rückgewinnung durch das Ausschöpfen der vollen Komplexität des Systems; andererseits können jedoch auch technisch einfachere Systemarchitekturen abgebildet werden. Somit erlaubt die Versuchseinrichtung die Abschätzung der Potentiale und die Einordnung der erzielten Ergebnisse durch eine graduelle Reduktion der Komplexität bis hin zu marktüblichen Lösungen.

Zielsetzung:

Das Projekt soll an die geleistete Vorarbeit anknüpfen und die Untersuchungen am entstandenen Demonstrator-System „hydraulisches Hybrid-Hubwerk“ fortsetzen. Ziel des Projekts ist es, das Potential des hydraulischen Hybrid-Hubwerks systematisch zu erforschen. Die Untersuchungen sollen sich dabei nicht alleine auf die quantitative Beurteilung der Energierückgewinnung beschränken, sondern insbesondere auch technische Aspekte der Realisierung berücksichtigen.

Problemstellung:

Bei der Wahl des Betriebsmodus spielen neben der Forcierung eines gewünschten Systemzustands ebenso die Kenntnis des aktuellen Systemzustands und die Prädiktion künftiger Systemzustände eine wesentliche Rolle. Zudem sind statische Kenngrößen und Beschränkungen sowie das dynamische Verhalten der einzelnen Komponenten von wichtiger Bedeutung für den stabilen und effizienten Betrieb des Systems. Dies motiviert die Beschreibung des Gesamtsystems durch geeignete mathematisch-physikalische Modelle. Diese Modelle bilden unter anderem die Grundlage zur Entwicklung von Algorithmen zur Steuerung bzw. Regelung des Gesamtsystems sowie zur modellbasierten Rekonstruktion nicht gemessener Systemgrößen.

Die zu entwickelnden Algorithmen sollen in einem modellbasierten Energiemanagement-System münden, dessen Aufgabe es ist, durch ein günstiges Zusammenspiel der einzelnen Komponenten einen zuverlässigen Betrieb des Gesamtsystems bei einer möglichst hohen energetischen Effizienz sicherzustellen. Dabei soll insbesondere auch berücksichtigt werden, inwiefern sich die Komplexität des Gesamtsystems auf ein notwendiges Maß reduzieren lässt bzw. welche Auswirkungen eine graduelle Reduktion der Komplexität auf die Erreichung der Gesamtziele hat.

Vorgehen:

Mathematische Modellierung des Gesamtsystems

  • Entwicklung von Algorithmen (Energiemanagement-System)

    • zur Wahl eines günstigen Betriebsmodus

    • zur Schätzung nicht gemessener Systemgrößen

    • zur Prädiktion künftiger Systemzustände

    • zur Regelung der Hubgeschwindigkeit, insbesondere unter Berücksichtigung der Umschaltvorgänge im System

  • Experimentelle Validierung aller Untersuchungen am Demonstrator

  • Vergleich von Lösungsansätzen unterschiedlicher Komplexitätsgrade

Projektbearbeitung: Dipl.-Ing. Christian Stauch
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Rudolph

Veröffentlichungen:
C. Stauch, J. Rudolph, Energy Saving Using a Multi-Chamber Accumulator: Experimental Results and Proof of Concept, in: Proc. 14th Scandinavian International Conference on Fluid Power, SICFP15, Tampere, Finland, May 19-22, 2015.

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ICM-Wind

Intelligente Zustandsüberwachung von Windturbinen

Projektbeschreibung:

Zur Vermeidung kostspieliger Schäden und Ausfälle von Windkraftanlagen gewinnt die zustandsbasierte Wartung gegenüber festgelegten Wartungsintervallen immer weiter an Bedeutung. Im Rahmen dieses Projekts wurden die über einen Zeitraum von zwei Jahren aufgezeichneten Sensordaten des Hydrauliksystems sowie die Betriebsdaten von Windturbinen des Windparks Marpingen (Abo Wind) analysiert und geeignete Verfahren zur Zustandsbewertung identifiziert. Die Auswertung erfolgte mithilfe statistischer und semantischer Verfahren und ermöglicht eine Früherkennung von Fehlern und Wartungsvorhersagen, die auch auf andere Anlagen übertragbar ist.

Projektteam: Prof. Dr. Andreas Schütze, Dipl.-Ing. Torsten Bley, Ayetullah Günel

Industrieprojekt von HYDAC Filter Systems GmbH in Kooperation mit dem Deutschen Forschungszentrum für künstliche Intelligenz (DFKI)

FluidSens

Optische Messtechnik zur Überwachung von Fluidparametern – Alterung von technischen Fluiden

Projektbeschreibung:

Die aufwendige und meist ungenaue Messbarkeit des Schmiermittelzustands in modernen Anlagen bzw. Maschinen ist bisher eine Schwachstelle in deren Betrieb. Zur Vermeidung von Schäden an diesen Anlagen ist eine möglichst kontinuierliche Überwachung der Ölqualität unerlässlich. Hinzu kommt der ökologische Vorteil durch geringeren Ressourcenverbrauch und reduzierte Umweltbelastung, wenn die Lebensdauer von Schmiermitteln, Hydraulikölen und andere technischen Fluiden optimal ausgenutzt werden kann.

Ziel dieser Entwicklung ist ein integriertes und miniaturisiertes Komplettsystem aus einer Mehrkanal-IR-Messzelle mit dazugehöriger Elektronik, welches dem Nutzer Rückmeldung gibt, sobald ein Ölwechsel durchgeführt werden muss und zusätzlich unterschiedliche Alterungsprozesse erkennen und quantifizieren kann. Das Sensorsystem soll hierbei direkt in im Systemkreislauf bzw. im Bypass eingebaut werden und sowohl im Druckkreislauf als auch im Rücklauf platzierbar sein.

Projektteam: Prof. Dr. Andreas Schütze, Dipl.-Ing. Eliseo Pignanelli, Dipl.-Ing. Torsten Bley

Finanziert durch EFRE

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Digitalhydraulik

Problemstellung:

Die Digitalhydraulik umfasst Systeme, die anhand aktiver diskreter hydraulischer Elemente und Teilsysteme gesteuert bzw. geregelt werden. Diese Eigenschaft grenzt die Digitalhydraulik von der weit verbreiteten und oftmals ähnlich bezeichneten digital gesteuerten Hydraulik ab, bei der digitalelektronische Steuerungen in konventionelle Hydrauliksysteme integriert werden.

Von besonderem Interesse sind Systeme, die sich durch technische oder wirtschaftliche Vorteile bezüglich Energieeffizienz, Kosteneffizienz oder Robustheit gegenüber konventionellen Systemen auszeichnen. Diesen Vorteilen stehen Probleme mit hochdynamischen Effekten gegenüber, die durch schnelle Schaltvorgänge entstehen und deren Vermeidung bzw. Beherrschung ein tiefgreifendes Systemverständnis verlangen.

Ziele:

Ziel des Projekts ist eine grundlegende Untersuchung ausgewählter digitalhydraulischer Systeme mit Methoden und Werkzeugen der Systemtheorie und der Regelungstechnik. Die im Rahmen des Projekts gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu dienen, industrielle Einsatzmöglichkeiten für die betrachteten Systeme aufzuzeigen, einzugrenzen und aus technischer Sicht zu bewerten. Das Projekt dient der Schaffung einer theoretisch-methodischen Wissensbasis, die im Anschluss als Grundlage zur Entwicklung von wettbewerbsfähigen digitalhydraulischen Komponenten und Systemen genutzt werden soll.

Vorgehen:

Die Arbeitspakete im ZeMA-Anteil des Kooperationsprojekts umfassen:

• Modellbildung

• Systemanalyse und Optimierung

• Entwicklung von Konzepten zur Ansteuerung

• Simulation

• Experimentelle Untersuchungen

• Dokumentation der Forschungsergebnisse

Ein aktuell im Rahmen des Forschungsprojekts untersuchtes System ist der mehrstufige Kolbenspeicher. Der wesentliche Vorteil gegenüber konventionellen hydropneumatischen Speichern besteht darin, dass die gestufte Anpassung des Druckverhältnisses den Einsatz zur Energiespeicherung und zur Energierückgewinnung in Systemen mit enger begrenzten Lastdruckbereichen erlaubt.

Ansprechpartner: Christian Stauch

Veröffentlichungen:

C. Stauch and J. Rudolph, Flatness Based Control for a Digital Hydraulic System, in: Proc. 9th International Fluid Power Conference, Aachen, Germany, March 24-26, 2014, pp. 466-477, 2014.

C. Stauch, F. Schulz, P. Bruck, and J. Rudolph, Energy Recovery Using a Digital Piston-Type Accumulator, in: Proc. 5th Workshop on Digital Fluid Power, DFP12, Tampere, Finland, October 24-25, 2012, pp. 57-73, 2012.

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NaMiFlu

Nanotechnologie basiertes Mikrosystem zum insitu-Fluidmonitoring

Teilvorhaben: Charakterisierung von Nanostrukturen und des Mikrosensorsystems zur Beurteilung von Betriebsstoffen

Problemstellung

Die Zustandsüberwachung von technischen Flüssigkeiten, insbesondere Ölen, stellt eine wichtige Herausforderung im Zuge der Kosten- und Ressourcen-Effizienz dar. Sensoren auf Basis der Mikrosystemtechnik sind hierfür prädestiniert, da sie leicht in technische Anlagen integriert werden können.

Ziele

Diese können effizient durch die Integration von Nano-Strukturen überwunden werden: Sie erlauben eine hochfeste Verbindung unterschiedlicher Materialien wie Silicium und Keramik und sie haben wesentlichen Einfluss auf die optischen Eigenschaften des Silicium-Luft-Übergangs, der in der Infrarot-Messstrecke von großer Bedeutung ist. Erst der Einsatz der Nano-Oberflächen mit Strukturgrößen weit unterhalb der relevanten Wellenlängen erlaubt ein extrem kompaktes, hochfestes Mikro-Sensor-System, das auch den optischen Anforderungen in vollem Umfang genügt.

Vorgehen

  • Optische Untersuchung der Nanostrukturen und IR-Komponenten,

  • Untersuchung von Abscheide- und Ätzprozessen,

  • Erarbeitung von Auswertealgorithmen,

  • messtechnische Charakterisierung

Projektbearbeitung: Dipl.-Ing. Eliseo Pignanelli, Dipl.-Ing. Torsten Bley

Projektleiter: Prof. Dr. Andreas Schütze

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ICM-Hydraulik

Intelligente Zustandsüberwachung von hydraulischen Anlagen

Problemstellung

Bisherige Ansätze zur konventionellen Zustandsüberwachung von Hydraulikanlagen untersuchen Sensorwerte meist quantitativ und isoliert voneinander und spiegeln somit nur Teilaspekte des Systems wider. Um den Zustand des Systems umfassend beurteilen zu können, wird Expertenwissen benötigt, um aus den komplexen Signalmustern der vielfältigen Sensordaten die gewünschte Information zu ermitteln.

Ziele

Im Projekt iCM-Hydraulik sollen Sensordaten verknüpft und Kenntnisse zu Anlagenstruktur, Wechselwirkung zwischen Komponenten und Expertenwissen zu einer intelligenten Zustandsüberwachung gebündelt werden, welche eine ganzheitliche und automatisierte Analyse des Anlagenzustands erlaubt. Ziel des Projektes ist ein modulares Condition-Monitoring-System, welches sowohl modellbasierte und statistische Methoden als auch semantische Technologien verwendet. Mit diesem soll nicht nur die Diagnose der Anlage möglich sein, sondern auch eine Prognose, womit Wartungsarbeiten effizienter geplant werden können.

Vorgehen

  • Konzeption und Aufbau von Prüfständen

  • Konzeption und Umsetzung von Datenerfassungssystemen

  • Versuchsplanung-Signalverarbeitung

  • Statistische Datenanalyse mittels multivariater Verfahren

Projektbearbeitung: Dipl.-Ing. Nikolai Helwig

Projektleiter: Prof. Dr. Andreas Schütze

IProGro

Innovative Produktionstechnologien für Großbauteile

Problemstellung

Unternehmen der Transportbranche, wie z.B. dem Flugzeugbau zeichnen sich vorwiegend durch geringe Stückzahlen und lange Produktlebenszyklen aus. Daher erfolgt hier üblicherweise Baustellenmontage. Eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Produktionssysteme findet nicht statt. Aufgrund dieser personalintensiven Montageumfänge wird die Produktion verstärkt ausgelagert. Um weiterhin wettbewerbsfähig zu bleiben, besteht seitens der Zulieferer am Hochlohnstandort Deutschland ein konkreter Bedarf eigene rekonfigurierbare automatisierte Produktionsanlagen für Großbauteile aufzubauen.

Ziele

Ziel des Forschungsprojektes „IProGro“ ist die Entwicklung Innovativer Produktionstechnologien für Großbauteile. Aufgrund des starken Bezugs zur Luftfahrt und der dort eingesetzten Faserkunststoffverbunde (FKV) werden Produktionstechnologien zur Oberflächenvorbehandlung zusammengestellt und durch ein Inspektionssystem zur Qualitätsüberwachung unterstützt. Um eine rekonfigurierbare und automatisierte Montage zu ermöglichen, werden adaptive Greifer mittels shape memory alloys (SMA) (übersetzt: Formgedächtnislegierungen) entwickelt. Zur Unterstützung der Mitarbeiter sollen zudem Assistenzsysteme speziell für die Großbauteilmontage entwickelt werden. Das Zusammenspiel all dieser Systeme wird in einer Entwicklungsumgebung aufgebaut und erprobt.

Vorgehen

Das Projekt „IProGro“ unterteilt sich in fünf Arbeitspakete(AP):

  • AP 1: Oberflächenbearbeitungstechnologien

  • AP 2: Inspektionssysteme

  • AP 3: Adaptive Greiftechnologien

  • AP 4: Assistenzssysteme

  • AP 5: Aufbau einer Entwicklungsumgebung

Zu Beginn des Projektes untersuchen die einzelnen Arbeitsgruppen den aktuellen Stand der Technik, um daraus erste Szenarien für einen Anwendungsfall zu entwickeln. Nach der Definition dieses Anwendungsfalls werden die am Markt verfügbaren Betriebsmittel ermittelt und Angebote eingeholt, damit die Prozesse in der Demonstratorumgebung dargestellt werden können. Sofern diese nicht vorhanden sind, werden eigene Konzepte entwickelt und in Abstimmung mit den Anwendungspartnern Prototypen erstellt.

Projektbearbeitung: Matthias Vette

Projektleitung: Rainer Müller

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AutoIBN

Problemstellung

Die heute in weiten Teilen manuelle oder halbautomatisierte konventionelle Montage von Kraftfahrzeugen ist sehr kostenintensiv sowie fehlerempfindlich und riskant im Wettbewerb mit Niedriglohnstandorten.

Ziel

eMit dem Leitprojekt AutoIBN hat sich das ZeMA das Ziel gesetzt, durch die Entwicklung innovativer Montage- und Inbetriebnahmeprozesse für Kraftfahrzeuge in Kombination mit neuen Methoden zur Anlagenkonstruktion und –inbetriebnahme neue Impulse zu geben.Das Projekt soll dazu beitragen die Technologieführerschaft am Entwicklungs- und Produktionsstandort Deutschland nachhaltig zu fördern.

Vorgehen

In instituts- und fachübergreifenden Forschungsgruppen werden prototypische Technologien und Vorentwicklungen erarbeitet und validiert. Die erprobten Konzepte bzw. Technologien können dann in enger Zusammenarbeit mit industriellen Partnern für die Anwendung aufbereitet und in den Produktionsprozess transferiert werden.

Das Projekt umfasst folgende Teilprojekte:

  • Adaptive Greiftechnologien: Entwicklung einer automatisierten Radadaption zur Bestimmung der Fahrzeugfahrachse im Fließbetrieb ermöglicht effiziente Justage von Fahrerassistenzsystemen

  • Inspektionssysteme: Entwicklung eines robotergeführten Inspektionssystems mit intelligenter Mess- und Auswertestrategie für die automatisierte In-Line-Nässedetektion

  • Virtuelle Inbetriebnahme: Virtuelles Anlagen-Engineering – Methoden und CAx-Umsetzung von der Anlagenkonstruktion bis zur virtuellen Inbetriebnahme

  • Energieeffiziente Produktionsanlagen: Entwicklung von Methoden und Anwendungen zum energieeffizienten Betreiben von Produktionsanlagen in unterschiedlichen Betriebszuständen

  • Entwicklungsumgebung: Aufbau und Betreuung einer Entwicklungsumgebung für die Abbildung der erforschten Szenarien in einer Demonstrationsumgebung

Projektbearbeitung: Heinz Kappel

Projektleitung: Rainer Müller

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Autostrech

Entwicklung von automatisierten Schraubtechniken für die Montage von Windenergieanlagen

Problemstellung:

Die Montage von Windenergieanlagen stellt höchste Anforderungen an die Schraubtechnik, da Abweichungen der Vorspannkraft nur geringen Schwankungen unterliegen dürfen. Um die Schraubprozesse zuverlässig durchzuführen, werden diese heute überwiegend manuell ausgeführt.

Ziele:

Ziel des Projektes ist eine effiziente Automatisierung dieser Tätigkeiten, von der Werkzeugpositionierung durch einen Roboter bis zur Verschraubung durch ein adaptives Schraubwerkzeug. Letzteres ist heute nicht am Markt verfügbar, was die bisherige Möglichkeit der Automatisierung stark einschränkt.

Vorgehen:

Ausgehend von einer Produkt- und Prozessanalyse werden die Anforderungen an eine automatisierte Schraubstation ermittelt und kritische Parameter sowie deren Störgrößen identifiziert. Somit kann das erforderliche Maß an Adaptivität festgestellt und geeignete Sensoren und Aktoren zum Erreichen der Adaptivität bestimmt werden. Darauf aufbauend werden Konzepte erarbeitet, wie technische Lösungen, einerseits für die Werkzeugpositionierung durch einen Roboter, andererseits für die Verschraubung durch ein Werkzeug, gestaltet sein können. Jeweils geeignete Konzepte werden ausgearbeitet und an einem Demonstrator validiert.

Projektbearbeitung: Leenhard Hörauf

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Rainer Müller

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Cosmos

Entwicklung eines dezentralen Fabrikmanagement-Steuerungssystems

Problemstellung

Viele manuelle Arbeitsschritte konnten bislang schon durch Automatisierungslösungen ergänzt oder ersetzt werden. Die Erfahrung und Sensitivität des Werkers sind bei einigen Tätigkeiten wichtiger Bestandteil des Montageprozesses. Dadurch sind die Möglichkeiten zur Automatisierung begrenzt. Aus diesem Grund sind neue technische Konzepte gefragt, mit denen die Montageprozesse automatisiert an unvorhersehbare Randbedingungen angepasst werden können.

Ziele

Hauptziel des Projektes „COSMOS“ ist das Entwickeln eines dezentralen Steuerungssystems für das Fabrikmanagement. Das Projekt soll somit helfen die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen in europäischen Hochlohnländern durch eine Effizienzsteigerung der Montageprozesse sicherzustellen.Neben der erreichbaren Qualität sprechen die Produktionskosten, die sowohl den Invest als auch den laufenden Betrieb einschließen, für eine Steigerung des Automatisierungsgrades. Unter diesem Gesichtspunkt kann eine Vollautomatisierung der Produktion nicht das angestrebte Ziel sein. Parallel zur technischen Entwicklung der Prozesse müssen daher Kostenmodelle erarbeitet werden, mit denen ein optimaler Automatisierungsgrad ermittelt und realisiert werden kann.

Vorgehen

Die gesamte Fabrik setzt sich aus unabhängigen Produktionsmodulen, sog. „Self-Contained Factory Units“ (kurz: SCFU), zusammen, die sämtliche Planungs- und Ausführungskompetenzen beinhalten, um abgrenzbare Produktionsaufgaben zu lösen. Für die SCFU wird eine Modularisierungsstrategie verfolgt, die sich über das Produkt, die Prozesse und Betriebsmittel bis hin zu einem Kostenmodell durchzieht. Die Selbstadaptivität innerhalb einer SCFU wird dabei durch Betriebsmittel erreicht, deren Fähigkeiten durch ein Zusammenspiel unterschiedlichster Sensoren gesteigert werden, um eine Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Prozesseinflüsse zu erzielen.

Unsere Leistungen:

  • Erhöhung der Flexibilität von Roboteranwendungen durch Selbstadaptivität

  • Entwicklung von funktionsorientierten Geräten mit plug&use – Fähigkeiten

  • Definition von Kostenmodellen zur Einführung eines optimalen Automatisierungsgrades

Projektbearbeitung: Leenhard Hörauf

Projektleitung: Prof. Rainer Müller

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