Modernste Bahnwaschanlage mit Digital Twin, Low Code & Automation
Die weitere Verzahnung von IT und OT bietet enormes Potenzial, um Wettbewerbsfähigkeit auch langfristig zu erhalten und auszubauen. HB Waschanlagen, das Ingenieurbüro Atina und Mitsubishi Electric haben zusammen mit einer auf modernster Automation basierenden Technik, einem Digitalen Zwilling und Low-Code-Programmierung eine hocheffiziente Bahnwaschanlage für Zürich entwickelt und in Betrieb genommen. Lesen Sie unseren Anwenderbericht:
Digitalisierung als Kernkompetenz bei BHB
Die BHB Waschanlagen Vertriebs GmbH aus dem baden-württembergischen Holzmaden baut schon seit 1983 Waschanlagen für Schienenfahrzeuge. 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 und hat die digitale Transformation zur Chefsache erklärt und den Umstieg auf vernetzte Hardwarekomponenten sowie eine neue Softwarearchitektur aktiv vorangetrieben. Mit einer neuen Straßenbahnwaschanlage für die Verkehrsbetriebe Zürich hat diese Entwicklung nun einen vorläufigen Höhepunkt erreicht.
Steuerung und Antriebstechnik von Mitsubishi Electric
Die Waschanlage für die Trams, welche die BHB im Zürcher Stadtteil Oerlikon errichtet hat, ist vor allem deshalb so besonders, weil sie sehr effizient und nachhaltig ist. 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 unterschiedliche Tram-Varianten) und Reinigungsintensität unterscheiden. Gesteuert wird alles von der Kompaktsteuerung Melsec FX5U-64MR/DS aus dem Hause Mitsubishi Electric.
Dass die Waschanlage von BHB eine so besonders hohe Ressourceneffizienz aufweist, ist neben der Aufbereitung von Brauch- und Regenwasser vor allem auf die eingesetzte Antriebstechnik zurückzuführen. So kommen für die Bewegung der horizontal und vertikal rotierenden Bürsten und für die exakte Regelung der verschiedenen Pumpen moderne Frequenzumrichter der FR-E800 Serie mit flexibler Motorsteuerung von Mitsubishi Electric zum Einsatz.
Mit ihr lassen sich Drehzahl und Drehmoment jederzeit über eine Veränderung der Hertz-Frequenz an die jeweiligen Prozessgegebenheiten anpassen. 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.
Im Fall der Pumpen ist es mithilfe der Frequenzumrichter zudem möglich, Wassermenge und Wasserdruck mit 3 Bar an der jeweiligen Düse jederzeit im optimalen Bereich zu halten. Je nachdem wie viele Sprührohre gerade mit Wasser versorgt werden müssen, ist die Pumpenleistung per Anpassung der Frequenz dynamisch veränderbar. In Kombination mit den flexibel regelbaren Bürsten ist die Anlage somit in der Lage, auch bei geringem Energie- und Wasserverbrauch eine sehr hohe und gleichbleibende Reinigungsqualität zu erreichen.
„Oft ist es schon mit einfachen Mitteln möglich, das Automatisierungsniveau einer Maschine erheblich zu verbessern“, erklärt Michael Brandecker, Vertriebsingenieur bei Mitsubishi Electric. „Gerade Frequenzumrichter bieten da enormes Potenzial. Ohne zusätzlichem Know-how oder Aufwand können Maschinenbauer ihre Maschinen damit deutlich attraktiver für ihre Kunden machen.“
Effizient mit 4 statt 2 Waschwagen
Um möglichst viele Fahrzeuge in kurzer Zeit hochwertig reinigen zu können, kommen in der Waschhalle der Zürcher Verkehrsbetriebe nicht wie sonst üblich zwei, sondern gleich vier Waschwagen zum Einsatz. An den schienengeführten Waschwagen sind die beweglichen Bürsten sowie die Sprührohre für Wasser und Reinigungsmittel montiert. Die Wagen fahren während des Waschvorgangs rechts und links an der fest positionierten Straßenbahn entlang und sind für die Wäsche zuständig. Die Waschzeit wurde mit den vier Wagen im Vergleich zu anderen Anlagen von BHB spürbar reduziert.
„Auch beim Straßenbahnbetrieb gilt: Zeit ist Geld“, sagt BHB-Geschäftsführer Tobias 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 man den gewachsenen Kundenansprüchen gerecht wird und gleichzeitig in puncto Kosten konkurrenzfähig bleibt, konnte das Ingenieurbüro Atina aus Stuttgart beantworten. „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.“ Zusammen hat man nicht nur der Umstieg zur Low-Code-Programmierung vollzogen, sondern auch erstmals einen digitalen Zwilling für die Inbetriebnahme eingesetzt.
Low-Code-Programmierung und digitaler Zwilling
Im Unterschied zur klassischen SPS-Programmierung, bei der mit strukturiertem Text gearbeitet und hartkodiert wird, kommt bei BHB ab sofort eine leicht verständliche Skriptsprache für die Erstellung von Waschprogrammen zum Einsatz. Per Excel-basiertem Editor werden hierbei 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 müsste. 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 in seinem Ingenieurbüro für BHB entwickelt hat. „Das reduziert den zeitlichen Aufwand für die Erstellung eines Waschprogramms natürlich 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 und 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 hat auch Mitsubishi Electric auf seiner SPS-Steuerung die Low-Code-Programmierung umgesetzt. „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.“
Dreidimensionaler Zwilling verkürzt Projektlaufzeiten drastisch
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.
Beispiel: Verhalten der Bürsten simulieren
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 von Atina trifft Automation
Der digitale Zwilling, der bei BHB künftig auch für weitere Projekte zum Einsatz kommt, wurde vom Ingenieurbüro Atina 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 BHB-Waschanlagen als originalgetreue, virtuelle Zwillinge existieren,“ fasst Zarrabi zusammen.
„Und diesen digitalen Komponenten können wir dann Signale von einer realen Mitsubishi-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.“
Mithilfe von Low-Code-Programmierung und digitalem Zwilling ist BHB in der Lage, besonders effiziente Maschinen mit einer kürzeren Inbetriebnahme anzubieten. „Für uns ist es immer wieder faszinierend zu sehen, was kreative Köpfe aus unseren Technologien alles herausholen können“, freut sich Automatisierungsexperte Brandecker abschließend.
