Netzwerk der digitalen Fabrik, TE Connectivity

Anbindung älterer Maschinen an das Netzwerk der digitalen Fabrik. Bild: TE Connectivity

Die digitale Transformation der Fabriken, wozu auch Ansätze wie Industrie 4.0 und das IIoT (Industrial Internet of Things) gehören, ermöglicht effizientere Fertigungsprozesse und damit eine deutliche Steigerung der Produktivität. Den Schlüssel bilden eine automatische Erfassung und die Analyse von Daten. Sie sorgen für hohe Transparenz. Dazu müssen die Anlagen jedoch vernetzt sein. Im Folgenden wird erläutert, wie sich dies bei älteren Maschinen mit vergleichsweise geringen Kosten bewerkstelligen lässt und welche Erfahrungen das Unternehmen TE Connectivity (TE) in eigenen Fabriken gesammelt hat.

Die herkömmlichen Methoden

Üblicherweise werden drei unterschiedliche Methoden genutzt, um Maschinen an ein Netzwerk anzubinden. Eine besteht darin, sie mit zusätzlichen Sensoren auszustatten, über die sich via Gateways ergänzende Informationen beispielsweise in ein Manufacturing Execution System (MES) übertragen lassen. Alternativ können Daten auch über die Schnittstelle der Maschinensteuerung zur Verfügung gestellt werden. Die dort vorhandenen Informationen beziehen sich im wesentlichen auf den Status der Maschinen. Schließlich können auch smarte Geräte wie etwa Motoren, Sensoren oder Aktoren eingesetzt werden, die nicht nur ihre jeweiligen Automatisierungsaufgaben erfüllen, sondern darüber hinaus auch prozessbezogene Informationen an ein IT-System weitergeben, beispielsweise für eine vorausschauende Wartung.

Die Digitalisierung des bestehenden Maschinenparks

Zwar ist die zuletzt genannte Methode sicherlich der effektivste Weg, jedoch sind in den meisten Maschinen heute noch keine smarten Geräte vorhanden. Natürlich ließen sie sich nachrüsten, aber das ist aufwendig und kostspielig. Allerdings ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Geräte selbst smart werden, sondern dies lässt sich auch über Netzwerkkomponenten erreichen wie etwa IoT Omnigate, dessen Prototyp TE auf der SPS IPC Drives 2016 vorgestellt hat. Diese Komponenten stellen zu jedem Gerät eine 1-zu-1-Beziehung her und übertragen sowohl die erforderlichen Daten an die Steuerung als auch prozessbezogene Informationen an IT-Systeme, wozu ein zweiter Kommunikationspfad aufgebaut wird.

Wie Unternehmen von der digitalen Transformation profitieren, lässt sich etwa anhand der Themen Ressourcenoptimierung, maschinelles Lernen und Instandhaltung veranschaulichen. Energie ist in nahezu jeder Fabrik ein zentraler Aspekt für die Produktionskosten. Deshalb werden energieintensive Prozesse ständig optimiert. Hier gilt: Lerne etwas über den Energieverbrauch, überwache ihn und führe Maßnahmen durch, um den Verbrauch zu reduzieren. Dies ist ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess, der Jahr für Jahr wiederholt werden muss.

Solche kontinuierlichen Verbesserungsprozesse bilden die Grundlage für die meisten Operational-Excellence-Methoden und -Programme. Moderne Datenerfassung innerhalb der Ideen der digitalen Fabrik müssen diese Dynamik abbilden. Mit den Methoden der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ist dies nur mit hohem Aufwand möglich. Aus diesem Grund bieten sich separate und flexible Datenerfassungssystem an, die sich in existierende Infrastruktur einbinden lassen.

Anbindung an unternehmensweite IT-Systeme

IoT OmniGate, TE Connectivity
IoT OmniGate, Bild: TE Connectivity

Mittels einer dezentralen und detaillierten Analyse können auch Prozesszeiten exakt überwacht werden, um Anomalien zu erkennen, die in hochaggregierten Daten überhaupt nicht auffallen würden. Wenn etwa ein Ventil nach mehreren Millionen Schaltzyklen verschleißt, nimmt die Zuverlässigkeit langsam ab und es kann ab und zu hängen bleiben, bewegt sich dann hin und her und läuft danach wieder ganz normal. Dadurch erhöht sich die Zeit des jeweiligen Prozessschrittes. Durch die Analyse solcher Anomalien lässt sich herausfinden, welcher Schritt betroffen ist und was getan werden muss, um den Fehler zu beheben. Wenn nur die gesamte Zykluszeit der betroffenen Maschine unter die Lupe genommen wird, ist dies nur schwer möglich, da es immer irgendwelche Schwankungen gibt. Wenn dann der Fehler auffällt, ist es meistens schon zu spät, sprich die Produktion steht.

Der Verschleiß eines Ventils ist auch ein gutes Beispiel für das Thema Instandhaltung. Denn wenn sich feststellen lässt, dass es irgendwann hängen bleiben wird, ist eine vorausschauende Wartung möglich. Auch wenn es noch nicht erforderlich ist, sofort einzugreifen, kann der Serviceeinsatz schon geplant werden. Vielleicht muss die betroffene Maschine ohnehin in absehbarer Zeit gewartet und deshalb abgeschaltet werden. Bei dieser Gelegenheit kann dann auch das verschlissene Ventil ausgetauscht werden, sozusagen in einem Aufwasch.

Da in der digitalen Fabrik kontinuierlich Daten von Prozessen und Maschinen gesammelt werden und in unternehmensweiten IT-Systemen zur Verfügung stehen, kann ein Servicetechniker, der sich etwa aufgrund eines akuten Problems gerade im Produktionsbereich aufhält, auch die Informationen der letzten Stunden, Tage oder Monate sofort anschauen und muss diese nicht erst aufwendig aus der Maschine auslesen. Auf diese Weise lässt sich die Ursache des Fehlers schneller identifizieren, wodurch Stillstandszeiten verkürzt werden. Außerdem lässt sich durch die unternehmensweite Verfügbarkeit von Daten aus dem Produktionsbereich der Arbeitsaufwand des Wartungspersonals grundsätzlich reduzieren. Denn ein Servicetechniker kann ein Problem schon analysieren, bevor er sich vor Ort an die Arbeit macht, und das für die Reparatur erforderliche Material im Voraus zusammenstellen.

Digitale Pilotprojekte

Obwohl die digitale Transformation noch wie Zukunftsmusik klingt, ist sie in einigen Fabriken von TE bereits heute teilweise Realität. Hierzu wurden einerseits IT-Systeme vereinheitlicht sowie um neue MES-Funktionen für die Analyse von Prozessdaten erweitert. Andererseits wurden Maschinen über das Netzwerk an diese Systeme angebunden und so die Produktivität etwa durch intelligente Track-and-Trace-Anwendungen und die Visualisierung von prozessbezogenen Informationen in der Fertigung gesteigert. Die Anbindung der Maschinen erfolgte vor allem durch zusätzliche digitale Sensoren und Gateways sowie die Umprogrammierung der SPS-Schnittstellen. Letzteres ist nicht nur relativ aufwendig, sondern auch mit Risiken für die spätere Verfügbarkeit der Maschinen verbunden.

In Zukunft werden deshalb innovative Netzwerkkomponenten wie das bereits erwähnte IoT Omnigate sozusagen der Königsweg sein, um Maschinen an ein Netzwerk anzubinden. Denn mit ihnen lassen sich sowohl steuerungsrelevante Daten übertragen als auch – über einen zweiten Kommunikationspfad – prozessbezogene Informationen an IT-Systeme weiterleiten. Da es sich bei diesen Komponenten letztlich um Gateways handelt, die verschiedene standardisierte Datenprotokolle wie OPC UA oder MQTT unterstützten, können sie nachgerüstet werden, ohne dass die Leistung und die Verfügbarkeit der Maschinen dadurch beeinflusst wird.

Außerdem wird es darauf ankommen, die Kommunikations- und Datenstrukturstandards der Automatisierung und der IT zu vereinheitlichen. Denn die Anbindung älterer Maschinen an das Netzwerk ist nur der erste, wenn auch sicherlich schwierigste Schritt auf dem Weg zur digitalen Fabrik. Nach und nach werden neue Maschinen hinzukommen, die dann zu den vorhandenen kompatibel sein sollten, da sonst wieder zusätzlicher Aufwand entsteht. Deshalb arbeitet TE in verschiedenen Entwicklungsprojekten mit Partnern wie der OPC Foundation, SAP, der Software AG, ifm und Pepperl+Fuchs unter anderem auch an der Standardisierung entsprechender Schnittstellen. eh

Kurz zusammengefasst

Die Digitalisierung der Fabriken eröffnet vielfältige Möglichkeiten für einen Quantensprung in der Produktivität. Denn dadurch lassen sich prozessbezogene Daten, die heute oft schon vorhanden sind, in IT-Systeme weiterleiten und dort analysieren. Um auch ältere Maschinen an das Netzwerk anzubinden, können – wie Pilotprojekte von TE gezeigt haben – entweder zusätzliche digitale Sensoren installiert oder die SPS-Schnittstellen umprogrammiert werden. Das erfordert jedoch ein umfassendes Steuerungs-Know-how und ist nicht ganz ohne Risiko. Eine ebenso praktische wie wirtschaftliche Alternative bieten Netzwerkkomponenten, die sich leicht in die vorhandenen Infrastrukturen integrieren lassen und sowohl Daten an die Steuerung übertragen als auch prozessbezogene Informationen an IT-Systeme weiterleiten. Mit IoT Omnigate hat TE eine entsprechende Komponente entwickelt, die voraussichtlich Anfang dieses Jahres erstmals in eigenen Fabriken eingesetzt werden soll.