Intelligente Maschinen und Kalibrierlösungen in der Welt von Industrie 4.0

von Thomas Rücker, Peter Sherwin
Originally published in Heat Processing, June 2016

 

Der industrielle Ofen von morgen ist eine intelligente Maschine – sicherer, kommunikativer, flexibler und effizienter – schnellere Reaktionen auf neue Anforderungen. Basierend auf intelligenten Produkten maximiert er die Effizienz durch vorbeugende Wartung und intuitive Zusammenarbeit mit Mitarbeitern bei gleichzeitiger Minimierung des umgebungsbedingten Bedarfs und der Gesamtbetriebskosten.

Zwei Trends, die heute viel diskutiert werden, sind im Begriff, einen tiefgreifenden Wandel in der gesamten Industrie weltweit zu entfesseln: Industrie 4.0, der deutsche Ansatz für intelligente Fertigung und industrielles Internet der Dinge (IIoT – Industrial Internet of Things) mit dem Schwerpunkt auf angeschlossene Instrumente und Analyse. Diese Trends und die zugrunde liegenden Technologien unterstützen eine Vielzahl von Branchen – dies wirkt sich auf Gebäudeautomatisierung, Transport, Medizin, Militär, Sicherheit und dem Einzelhandel aus. In diesem Beitrag liegt der Fokus auf den Auswirkungen auf den Industrieofenbau. Es gibt einige offensichtliche Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen IIoT und intelligenter Fertigung (Industrie 4.0), sowie Gebiete mit Übereinstimmungen. Intelligente Fertigungs- oder Industrie-4.0-Initiativen konzentrieren sich auf flexible Fertigung, steigenden Automatisierungsgrad und Digitalisierung. Dies ist nicht die nächste industrielle Revolution, sondern eine Evolution. Langfristig wird diese Entwicklung komplette Fabriken neu gestalten und die Art, wie sie funktionieren. Solche Entwicklungen erfordern eine Vielzahl von Technologien und Ideen, die einen massiven Einfluss auf die Endkunden und Hersteller haben wird. Dies wird einige Zeit dauern und Industrie 4.0 / IIoT, mit allen angeschlossenen Produkten, wird grundlegende Voraussetzung.

Die IIoT-Vision verbindet intelligent angeschlossene Ressourcen (der Dinge), welche unterschiedliche intelligente Funktionalität beinhalten, beginnend von einfachen Sensoren und Aktoren, Regelung, Optimierung bis hin zum voll autonomen Betrieb als Teil eines größeren Systems. Diese Systeme basieren auf offenen und standardisierten Internet- und Cloud-Technologien, die sicheren Zugriff auf Geräte und Informationen ermöglichen, um große Datenmengen und Analysen zu nutzen und so als bestmögliche Bereitstellung für geschäftliche Aktivitäten zu dienen. Die Einführung von IIoT-Lösungen, die mit einem „Paket & Wiederverwendung“-Ansatz anstatt einem „Eliminieren & Ersetzen“-Ansatz arbeiten, ermöglicht eine bessere Steuerung aller Businessaktivitäten. Darüber hinaus führt dieser Ansatz in Richtung eines intelligenten Fertigungsunternehmens mit hoher Effizienz, Sicherheit und Nachhaltigkeit.

INTELLIGENTE PRODUKTION

Während die langfristigen Auswirkungen des IIoT manchmal schwer vorherzusagen sind, dienen drei verschiedene operative Voraussetzungen als Plattform für die Entstehung intelligenter Fertigungsunternehmen [1].

  • Smart Enterprise Control – IIoT-Technologien werden eine enge Integration von intelligenten vernetzten Maschinen und intelligenten verbundenen Fertigungsressourcen mit dem größeren Unternehmen ermöglichen. Das erleichtert die Produktion, da man flexibler, effizienter und damit rentabler ist. Intelligente Unternehmenssteuerung kann als mittel- bis langfristiger Trend beobachtet werden. Es ist kompliziert zu implementieren und die Schaffung neuer Standards erfordert das Zusammenführen der IT- und OT-Systeme.
  • Asset Performance Management – Bereitstellung von kostengünstigen Funksensoren, einfache Cloud-Konnektivität (einschließlich WAN) und Datenanalyse verbessert die Leistungsfähigkeit der Anlage. Diese Tools ermöglichen eine Sammlung der Daten aus dem Feld und die Konvertierung der verwertbaren Informationen in Echtzeit. Dies führt zu besseren Businessentscheidungen und zukunftsorientierten Entscheidungsprozessen.
  • Neue Art von Bediener – Die Mitarbeiter der Zukunft werden mobile Geräte, Datenanalyse, Anwendungen und transparente Konnektivität zur Steigerung der Produktivität verwenden. Da immer weniger qualifizierte Arbeitnehmer mit Kernkompetenzen zur Verfügung stehen, benötigen junge nachrückende Ersatzarbeitskräfte die Informationen immer zur Hand. Diese Informationen werden in Echtzeit in einem vertrauten Format geliefert. So entwickelt sich die Anlage mehr benutzerorientiert und weniger maschinenbasierend.

Bild 1: Intelligente Maschine

INTELLIGENTE MASCHINEN (INDUSTRIEÖFEN & ÖFEN)

Industrieöfen & Öfen werden ihren Level der Intelligenz erhöhen, um vorausschauender Planung Rechnung zu tragen und sich flexibleren Geschäftsanforderungen anzupassen. Der Begriff „intelligente Maschine“ impliziert eine Maschine, die besser verbunden, flexibler, effizienter und sicherer ist. Sie kann schnell auf neue Anforderungen reagieren. Basierend auf intelligenten, vernetzten Produkten, maximiert sie die Effizienz durch intuitive Zusammenarbeit mit ihren Nutzern. Eine intelligente Maschine (Bild 1) sollte auch gleichzeitig eine Minimierung der eigenen Gesamtbetriebskosten durch vorbeugende Wartungsverfahren vorweisen können.

Bild 2: Regelsystem E+PLC400 von Eurotherm

EFFIZIENZ

Erkenntnisse
Mit dem Einsatz von Sensoren und dem systeminternen Wissen über seine eigenen Fähigkeiten und Funktionen wird eine intelligente Maschine mittels Schlüsselkomponenten sowie Umgebungsbedingungen überwacht. Eingebettete Intelligenz bezieht sich auf vor- und nachgelagertes Verhalten sowie die Anpassung der eigenen Parameter innerhalb der Businessvorgaben. Mit der Bereitstellung technisch relevanter Informationen für die Bediener mit Datenabgleich zum Hersteller werden Fertigungsanlagen in gewissem Sinne zuverlässiger, flexibler und effizienter. Diese Optimierung kann in Bezug auf Energie, Zeit, OEE (Anlageneffektivität), Ausfall, Qualität oder andere Parameter über vorgelagerte Systeme auf der Grundlage von Analysen mit Sollwertvorgaben implementiert werden.

Im Folgenden werden spezifische Wärmebehandlungsanwendungen vorgestellt:

  • Zusätzliche Sensoren in Bedienpulten dienen zur Kontrolle und Überwachung der Temperaturen in Terminals; es ist nachgewiesen, dass das Regeln dieser Temperatur (über Schaltschrankventilatoren oder Klimageräte) das Driftverhalten für das Kalibrieren erheblich verbessern kann.
  • Regelsysteme werden immer mehr durch Verwendung der Prozess-Materialspezifikationen (Beispiel: Stahl-Legierungszusammensetzung) verbessert, um die Prozessparameter zu verfeinern. Die Einbettung von Auto-Kalibrier-Technologie in 3GASIR Sensoren mit Online-Aufkohlung verbessert die Genauigkeit beträchtlich (Bild 2).
  • Die diskrete Überwachung der Qualität (keine Informationen), die Wartung (Ausfallzeiten) und Produktionsaktivitäten (Verweildauer) kann nun verbessert werden. Durch den Einsatz von IIoT-Lösungen mit Koordination und Kombination dieser separaten Schritte in einzelnem und allgemeinem Equipment ermöglicht die Verbesserung der Gesamtanlageneffektivität (engl. O.E.E KPI) für eine bessere Erkenntnis für die Gesamtleistung der Anlage.
  • Leistungssteller (bzw. Thyristoren) wurden entwickelt, um eine präzise Methode für die Steuerung der Stromkreise in Heizanwendungen bereitzustellen. Auch wurden sie entworfen, um die Beschränkungen und Lebensdauer mechanischer Schütze zu eliminieren. Die heutige SCR-Technologie wird zusammen mit einem Regler eingesetzt und stellt einen Systemansatz für Leistungsbedarfsteuerung zur Verfügung. Eine Reihe von Leistungsstellern kann mehrmals pro Sekunde durchschalten und die Energie verteilen. Wenn die Einheiten gleichzeitig durchschalten, dann erhöht das den Energiebedarf.
  • Mithilfe der Leistungssteuerung erfolgt eine verbesserte Verteilung der Energie über verschiedene Lasten in der Anlage, indem nach Prioritätsverfahren und ggf. mit Lastabsenkung reagiert wird. Diese intelligenten angeschlossenen Geräte eignen sich für Einzel- oder Multi-Zonen-Ausrüstung und können auch über mehrere vernetzte Anlagen genutzt werden.

Ein hohes Level der Maschinenüberwachung (Bild 3) ermöglicht auch eine vorbeugende Wartung vom Lieferanten/Hersteller. Man vermeidet Komponentenausfall und ist eng mit den Informationen zu Ausfallzeiten oder Schäden an der Maschine oder Komponenten verbunden. Darüber hinaus können Stillstandzeiten für Wartungsarbeiten vorausgeplant werden, um die Auswirkungen auf die Produktion zu minimieren.

Bild 3: Digitale Überwachung von Anlagen und Maschinen

Datenmanagement
Intelligente Maschinen müssen ein geeignetes Maß an Intelligenz mit schnellen Datenzugriffen und dezentraler Peripherie vorweisen. Die Übermittlung aller Daten an eine zentrale Steuerung für die Analyse wird schnell zu Verzögerungen führen, da diese Struktur nicht skalierbar ist. Sensoren, Komponenten und Maschinen sollten Daten nur dann freigeben, wenn sie außerhalb der eingestellten Parameter zur besseren allgemeinen Datenverwaltung führen würden. Die Verbesserung der Datenverfügbarkeit mit einem erweiterten Netzwerk/Community wird eine Entscheidungsfindung beschleunigen und Produktionsrückstände verringern (wo kritische Informationen zu Verzögerungen oder zu Fehlern führen könnten).

  • Es ist üblich, die Regel-Instrumentierung als Equipment für einen Ofen praktisch zur schnellen präzisen Prozessregelung und zur Datenerfassung vor Ort (zur Vermeidung von Datenverlusten) mit Remote-Lösungen einzusetzen. Die Prozessdaten werden mit zentralen Systemen über zuverlässige „Store-and-Forward“-Systeme verbunden. Die Anforderungen der Wärmebehandlung, getrieben von der Luft-und Raumfahrtindustrie (NADCAP/AMS2750E) und Automobilindustrie (TS16949/CQI-9 Issue 3) schreiben eine transportable Datenerfassung und Langzeitspeicher für Feldtestinstrumente vor (Bild 4).

  • Datenmanagementsysteme müssen zusätzlich über ein Sicherheitsmanagement und eine Audit-Trail-Funktionalität verfügen. Diese intelligenten Datenmanagementsysteme und digitalen Schreiber sind Mini-Produktivitäts-Stationen, welche die Verwaltung von Schlüsselinformationen für Thermoelementverwendung, Kalibrierung, Tests, Wartung und Planung der Anlagen direkt auf dem Gerät ermöglichen. Die endgültige Verwahrung von Daten ist auch ein wichtiger Gesichtspunkt. Bis dato wurde weitgehend Hardware zum Speichern von Daten verwendet, aber diese Methode ist sehr zeitaufwendig und teuer. Die sichere Cloud wird zunehmend eine hilfreiche und praktikable Option. Eine bessere Datenverwaltung kann in kostengünstiger Weise für langfristige Lagerung (z. B. langfristige Aufbewahrungsfristen von mindestens 30 Jahren) umgesetzt werden.

Bild 4: Feldtestinstrumente

SICHERHEIT

Grundlegende Designs integrieren verbesserte Maßnahmen für die Sicherheit für die Bediener und minimieren das Sicherheitsrisiko durch intelligente Vernetzung. Eine Verbesserung für die Leistungsdaten der Maschine und der Lebensdauer können nicht mit der Reduzierung der Sicherheit der Maschine oder Fertigungsstraße erreicht werden. Ein Anlagenbauer sollte die Fähigkeit besitzen, eine gute Mischung aus Sicherheitskomponenten und Steuerung zu erstellen. Dies erlaubt ihm, eine Lösung für die Endkunden bzgl. Anwendungsanforderungen, Verbesserung der Gesamtleistung und Produktivität zu erzeugen. Datensicherheit ist heute die größte Hürde für Endkunden, neue Netzwerktechnologien und Arbeitsprozesse einzuführen. Das wahrgenommene Risiko durch die Vernetzung von Komponenten und Maschinen in der Produktion ist hoch. Besonders mit IIoT und höheren Ebenen der Konnektivität muss Sicherheit auf zahlreichen Ebenen betrachtet werden. Sicherheit muss mehrere Ebenen wie Hardware, Software und Services integrieren. Anlagenbauer (und Automatisierungsanbieter) haben die Verantwortung, Endkunden über Sicherheitslücken zu informieren und Netzwerkinfrastruktur zur Minimierung des Risikos einzusetzen. Bei Schulungen von Endkunden können die Vorteile der intelligenten Maschinen und das Beibehalten der Sicherheit mit I/PKonnektivität, Anwendungsfälle und Erfolgsgeschichten hervorgehoben werden.

FLEXIBILITÄT

Plug & Work
Neue intelligente Maschinen müssen mit den bestehenden Anlagen oder mit Maschinen von mehreren Herstellern kompatibel sein; Endkunden wollen Instrumente einsetzen, welche innerhalb kurzer Zeit installiert werden können. Die Integration in das System muss einfach sein.

Industrielle, fest eingebaute Hardware in der Wärmebehandlung sollte dem direkten Anschließen von Sensoren und digitalen Signalen von anderen lokalen Instrumenten dienen. Die Hardware hilft bei der Erfassung der Daten und bietet eine Methode für einen sicheren Link auf anlagenbasierte Businesssysteme. Eine Datenanalyse sowie die sichere Dokumentation in einem weit entfernten Rechenzentrum ist somit möglich.

Modularität
Der Lebenszyklus der heutigen Maschinen erlaubt kein übermäßiges oder einmalig zweckgebundenes Design. Die rasche Entwicklung zwingt die Hersteller durch schnelle Time-to-Market-Zyklen zur Veränderung in Design und Modularität. Dieser Trend ist ebenfalls in der Software und in Teilen von modernen Maschinen zu sehen. Intelligente Maschinen profitieren von Vorlagen mit bewährtem Design, einfacher Softwarefunktion bis hin zu voll funktionsfähigen Modulen, Mechanik, Elektrik, Antrieb, Schnittstellen, Funktionen und Verhalten.

Wiederverwendbares Design
Maschinenbauer verwenden gerne Konzepte, welche geprüft, zuverlässig und validiert sind. Modularität ist ein „Enabler“, welcher für die Wiederverwendung von Software und Hardware in einem anderen Kontext ein Umdenken erfordert. Das Konzept der Ofen-TVDA-Lösungen (Total Validated Documented Architectures) wird als Baustein für Ofenanwendungen in Zukunft eingesetzt werden. Das Konzept von eindeutigen und strikten Schnittstellen mit klar definiertem Verhalten, welches geprüft werden kann, kommt aus der IT-Welt und findet seinen Platz mit einigen Anpassungen in der Automatisierung. Dies ist ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal für intelligente Maschinen.

ANSCHLUSSMÖGLICHKEITEN

Kommunikation
Intelligente Maschinen kommunizieren direkt mit dem umfassenden (Ethernet-basierten) Netzwerk. Dies ermöglicht Datenaustausch und Produktionsplanung, was weit über die Funktionen der traditionellen, eigenständigen Maschinen und Automation hinausgeht. Intelligente Maschinen werden die Lücke zwischen Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (OT) schließen. Dabei werden Produktionsdaten zur Verfügung gestellt und können in zahlreichen Managementeinstellungen (z.B. Warenwirtschaftskontrolle, Bediener, Planung, Wartung, Energiemanagement und Produktwechsel) verarbeitet werden. Eine grundlegende Voraussetzung dafür ist: Anforderungen und Normen mit den Informationen und Parametern in einen sinnvollen Zusammenhang und eine gemeinsame Sprache zu setzen.
Qualitätsstandards in der Wärmebehandlung haben bei der Entwicklung der direkten Kommunikationsverbindungen zwischen Steuerungen/Regelungen und Aufzeichnungsinstrument zur Beseitigung von Störungen bei konventionellen Methoden geholfen. Ethernet-basierte Modbus-TCP wurde für Punkt-zu-Punkt-Kommunikation verwendet, um die Prozessdaten zur Prozessdatenaufzeichnung zu übertragen. Diese Kommunikation von Instrument zu Instrument wurde ein Merkmal der IIoT-Entwicklung in den letzten zehn Jahren. Zur Weiterentwicklung und Steigerung der Automatisierung ist es wichtig, die Verbindungen zwischen den Geräten, Bediener, Einkauf und Lieferkette zu verbessern. Workflow-Typ-Anwendungen sind in diesem Bereich die treibende Kraft. Im Folgenden einige Beispiele:

  • Produktionsanwendungen mit Einbettung von regulierten IP (Beispiel CQI9-Prozesstabellen) in Software-Workflow-Lösungen stellen eine Verbindung zwischen der Anlage und allen wichtigen Entscheidungsträgern in Echtzeit her. Dies gewährleistet die ständige Erfüllung der Auflagen und löst eine Warnung bei einer Verletzung von Anforderungen/Normen auf Basis von „Charge zu Charge“ aus.
  • Software-Lösungen für Konformität und Kalibrierung ermöglichen einfache Planungen, Terminierung und Bereitstellung für Instrumentenkalibrierung und Ofentests zur Minimierung von Ausfallzeiten. Die Anwendungen verbessern Prozesseffizienz und verringern das Risiko durch menschliches Versagen durch die Nutzung von Abfragemechanismen für eine einfache Kalibrierung, welche Schritt für Schritt erfolgen kann. Kalibrierung & Konformitätsstatus sind für jede Überwachung online sofort verfügbar und können bei Audits direkt verwendet werden. Die digitale Speicherung ersetzt auch alle damit verbundenen Probleme mit der Aufbewahrung von Datenaufzeichnung mittels Papier. Bei Bedarf hat man durch Scannen des QR-Codes einen Sofortzugriff auf Zertifikate zu dem Ofeninstrument mittels Smartphone.
  • Die Kalibrierdaten (Nicht-Prozess) können auch in Echtzeit mit Hersteller/Zulieferer über Secure Data Centers zur Bewertung des Zustands der Anlage bzgl. Driftverhalten und anderer Daten zur Verfügung gestellt werden. Somit kann die Wartung besser koordiniert werden.

Digitale Mobilität
Maschinenbediener und Ingenieure befassen sich immer mehr mit dem Konzept der Verwendung von mobilen Geräten am Arbeitsplatz. Mitarbeiter müssen nicht mehr in der Nähe einer Maschine sein, um sie zu überwachen oder ihre Produktivität zu sehen. Diese Geräte bieten Bedienern die Flexibilität, einen Rundgang zu machen und dabei noch gleichzeitig verschiedene Maschinendaten zu sehen. Ingenieure können auch Probleme diagnostizieren und bieten Support aus der Ferne. Die Implementierung einer Lösung wird ebenfalls schneller möglich sein. Dies reduziert Ausfallzeiten und vermeidet Komponentenausfall.

  • Instrumente mit Webserver-Fähigkeit wurden im allgemeinen Einsatz in der Wärmebehandlung in den letzten zehn Jahren eingesetzt und so entstand ein Standard für komplexere Datenmanagementsysteme mit mehreren Maschinen entweder auf lokaler Ebene oder im Remote-Zugriff (in der Regel über eine VPNVerbindung). Technische Entwicklungen stellen nun solche Features als Grundfunktion der Instrumentierung zur Verfügung.
  • Erweiterte Reality-Applikationen bieten Benutzern die Möglichkeit, einen virtuellen Blick auf ihre Produktionsumgebung zu werfen. Eine Beispielanwendung ist eine virtuelle Ansicht vom Inneren des Schaltschrankes des Ofens mit Statusinformationen der Instrumentierung (Umgebungsbedingung, Alarmstatus usw.). Dies führt zur schnelleren Diagnose bei Wartungsproblemen und in bestimmten Fällen kann ein Produktionsstopp mittels direktem Zugriff auf die Steuerung/Regelung vermieden werden.

MITARBEITER-ANFORDERUNGEN

Die Kenntnisse, um ein IIoT-basiertes System zu planen und zu betreiben, unterscheiden sich von denen eines klassischen Automatisierungssystems. Eine erhebliche Anzahl an Schulungen wird für vorhandene Bediener und Wartungspersonal solcher Systeme notwendig sein. Die gute Nachricht ist, IIoT-Systeme verwenden die Technologien, welche den Nutzern im Alltag vertraut sind, und somit wird die neue Generation von jungen Anwendern keine Probleme haben, sich daran anzupassen. Die größte Herausforderung für Lieferanten der Automatisierung wird Entwicklung und Vertrieb geeigneter Diagnose/Debug-Tools sein, die die Hauptursache für Probleme schnell identifizieren können. Damit wird sichergestellt, dass ein fehlerhaftes oder gestopptes System schnell wieder hergestellt werden kann.

FAZIT

Traditionelle Wärmebehandlungsöfen waren historisch von hohen Kosten und begrenzten Kommunikationstechnologien geprägt. Neue intelligente Maschinen nutzen etablierte Kommunikationsprotokolle, IIoT-Instrumente und eine Cloud in Verbindung mit Lebenszyklusüberwachung und Rechner- Performance-Verbesserungen. Somit werden neue Möglichkeiten für die Interaktion mit allen Mitarbeitern ermöglicht. Die neue IIoT-Technologie mit ihrer Umsetzung wird im Laufe der Zeit weiterentwickelt. Bevor eine großflächige Umstellung auf intelligente Maschinen erfolgt, erfordert es für die Mitarbeiter eine Weiterbildung und Führungskräfte benötigen eine klare Demonstration der Resultate, wenn sie in Verbesserungen investieren sollen. Die neuen Technologien müssen sich im Laufe der Zeit in einem industriellen Umfeld bewähren und Hemmnisse, wie z. B. Sicherheitsaspekte, zu überwinden.

 

LITERATUR
[1] Conway, J.. Schneider-Electric: The Industrial Internet of Things: An evolution to a smart manufacturing enterprise , 2015
[2] Dr. Beudert, R. et al. Schneider-Electric: Understanding smart machines: How they will shape the future, 2015
Eurotherm by Schneider Electric© 2017