Smart Factory: Abtauchen in die Datentiefe

Der Begriff Industrie 4.0 ist im Maschinenbau in aller Munde. So arbeitet auch Bachmann Electronic im österreichischen Feldkirch an neuen Automatisierungslösungen, die den schweren Maschinenbau der Vision der intelligenten Fabrik ein Stück näher bringen.

Eine davon ist ein neues Software-Konzept, das ohne großen Mehraufwand die Datentiefe in der vertikalen Ebene auf ein neues Niveau hebt und die Informationen weltweit über Anlagen- und Eigentümergrenzen hinweg zielgruppenspezifisch nutzbar macht.

Das Schlagwort Industrie 4.0 beschreibt in erster Linie den Trend, dass die Informationstechnologie zunehmend Einzug in die Fertigungstechnik erhält. Am Ende dieser Entwicklung steht die intelligente Fabrik (Smart Factory), die sich durch effizientere, flexiblere und ressourcenschonendere Fertigungsprozesse auszeichnet.

Durch eine zunehmende Vernetzung sollen außerdem Kunden und Partner mehr in Geschäfts- und Wertschöpfungsprozesse eingebunden werden. Technologische Grundlage hierfür sind mit IT-Technologie ausgestattete Komponenten, cyber-physische Systeme genannt, die sich im so genannten Internet der Dinge miteinander verbinden.

Die Entwicklung hin zur intelligenten Fabrik hat aus Sicht der Automatisierung vor allem zwei betrachtungswürdige Dimensionen, nämlich den horizontalen und den vertikalen Informationsfluss. Während der horizontale Informationsfluss die Vernetzung bzw. den Datenaustausch über Anlagenteile und Hersteller hinweg beschreibt, betrifft der vertikale Datenfluss die intelligente Datennutzung innerhalb einer Anlage bzw. über verschiedene Standorte hinweg.

Bachmann fokussiert sich in seiner Entwicklungsarbeit in einem Anwendungsfeld auf Automatisierungslösungen zur Optimierung des vertikalen Datenflusses, mit dem Ziel, die Maschinenüberwachung und das Servicemanagement zu optimieren sowie ungeplante Stillstandzeiten zu vermeiden.

Und diese Vision trägt erste erntereife Früchte in Form des Software-Frameworks Flotten-Management-System (FMS). Dieses beruht auf einem neuartigen Konzept, das Daten aus der Tiefe der Maschinen-Sensorik und -aktorik holt und diese zu weltweit nutzbarem Wissen veredelt, das auf globaler Ebene eine zustandsbasierte Wartung über Anlagen- und Eigentümergrenzen hinweg ermöglicht.

Insbesondere in der Schwerindustrie wie in der Hütten- und Walzwerktechnik sowie Umform- und Urformtechnik ist eine effiziente Maschinenüberwachung und -wartung von allerhöchster Bedeutung. Denn hier laufen die Maschinen oft 20 bis 30 Jahre. Das bedeutet, dass Systemoptimierungen während der Laufzeit die Regel sind. Umso wichtiger ist es sowohl für den Maschinenbauer als auch für den Betreiber, möglichst viel über den „Gesundheitszustand“ der Maschinen zu wissen.

Bisher wird in der Schwerindustrie vor allem präventive Wartung betrieben. Das heißt, Verschleißteile wie die Hauptzylinder einer Druckgussmaschine oder die Lager einer Walze werden nach bestimmten Zyklusvorgaben präventiv ausgetauscht, unabhängig von deren Verschleißzustand.

Bei dieser Vorgehensweise kann es dazu kommen, dass diese stark beanspruchten Komponenten zu früh, zu spät oder zu einem ungünstigen Zeitpunkt – beispielsweise mitten während der Produktion für einen Großauftrag – ausgetauscht werden, wodurch unnötige Kosten entstehen. Optimaler ist die zustandsbasierte Wartung, wo nur dann Bauteile ausgetauscht werden, wenn es wirklich notwendig ist, und sich die Wartungseinsätze wesentlich besser planen lassen

Das neue Software-Konzept von Bachmann beruht auf fünf Schritten, mit denen sich die Nutzung des vertikalen Informationsflusses innerhalb einer Anlage sowie über verschiedene Standorte hinweg optimieren lässt. Dabei setzt es zunächst bei den Standards und den Daten an, die bereits verfügbar sind.

Am Anfang steht die Datenerfassung. Das Software-Modul FMS nutzt hierfür die ohnehin vorhandene Sensorik und Aktorik der Maschinen. Je nachdem, welche Daten genau erfasst werden sollen, ist höchstens eine „selektive“ Nachrüstung neuer Messpunkte notwendig. Somit entstehen grundsätzlich keine Mehrkosten gegenüber dem standardmäßigen Betrieb einer Maschine.

Im zweiten Schritt erfolgt die Datenaggregation, bei der die gesammelten Daten in mehreren Stufen zu nutzbaren Informationen verdichtet und zwischengespeichert werden. Dabei überprüft das FMS die gewonnenen Messwerte direkt auf Grenzwertüberschreitungen und gibt gegebenenfalls Alarmmeldungen weiter.

Zudem lassen sich auf Basis der Daten integrale und differentiale Trends ableiten, indem das System die Messwerte über einen längeren Zeitraum beobachtet und vergleicht. Ausreißer und Messfehler lassen sich so schnell identifizieren und der Bediener kann sowohl Einzelwerte als auch Kurvenverläufe gezielt anpassen. Alle gewonnenen Informationen werden sicher gespeichert.

Um die Lösung möglichst praxisnah und kosteneffizient zu gestalten, hat sich Bachmann bei der Entwicklung des Software-Konzepts an dem Einheitsblatt 24582 des Fachbereichs Werkzeugtechnik des VDMA orientiert. Das bedeutet, dass das FMS zunächst Maschinendaten abfragt, die in der Maschinensteuerung standardmäßig ohnehin vorhanden sind. Im Bereich der Hüttentechnik wären dies Werte wie die Anzahl der Pumpenanläufe oder Ventilschaltspiele, Anlauf-/Hochlaufzeiten von Pumpen und Laufleistung von Zylindern.

Der Anwender kann die Verdichtung der Daten anhand vorgefertigter Funktionsbausteine wie Betriebsstundenzähler, Schaltspielzähler, Grenzwertüberwachung, Energieverbrauch oder Trend anwenden oder aber mithilfe kundenspezifischer Funktionen. Die Funktionsbausteine sind frei konfigurierbar und mehrfach instanzierbar, das heißt, derselbe Baustein kann parallel in mehrfacher Ausführung laufen. Zudem setzt die Software die aggregierten Daten in Korrelation mit Betriebsdaten wie dem aktuellen Betriebszustand oder dem Zeitstempel.

Im dritten Schritt macht das Software-Modul die Daten lokal nutzbar. Das heißt, das System tauscht die lokal gesammelten Daten über ein so genanntes Systemvariablen-Interface (SVI) innerhalb der Anlage aus. Dies geschieht mittels Kopplung des FMS über das SVI mit anderen Applikationen oder Modulen wie dem M1 webMI pro zur Anlagenvisualisierung oder via OPC-UA mit der Betriebsführung bzw. dem MES-System.

So lassen sich beispielsweise über das integrierte Alarmmanagement Warnhinweise sofort an der richtigen Service- oder Wartungsanzeige darstellen oder der Betrieb kann aufgrund stark verschlissener Komponenten gedrosselt werden, um ungeplante Ausfälle zu vermeiden bzw. einen günstigeren Zeitpunkt für die notwendigen Wartungsmaßnahmen abzuwarten.

Neuartig ist vor allem das verteilte Datenmanagement des Software-Konzepts. So ermöglicht das FMS das Datenmanagement von vielen Maschinen gleichzeitig, und das erstmals über Unternehmensgrenzen hinweg und mit unterschiedlichen Berechtigungen. Das bedeutet, der Maschinenbauer kann die Daten der Druckgussmaschine X weltweit nicht nur beim Kunden A, sondern auch bei den Kunden B und C abfragen, sodass er verlässliche, vergleichbare Informationen über die unterschiedliche Nutzung der Maschine gewinnt.

Möglich macht dies das neue Prinzip der "private cloud" auf Basis der atvise-Technologie. Dieses verbindet die Vorteile der weltweit verfügbaren Cloud zur Datenspeicherung und zum Datenaustausch mit der Möglichkeit der zielgruppenspezifischen Vergabe von Nutzungsrechten mithilfe eines einfach zu bedienenden, vorkonfigurierten Web-Portals. Dies ist vor allem von Nutzen, wenn die Daten nicht nur beim Maschinenbauer angelegt werden, sondern auch Endkunden einen kontrollierten Zugriff erhalten sollen.

Im fünften und letzten Schritt erfolgt die Datenauswertung mithilfe flexibler, skalierbarer Nutzeroberflächen. Diese können zudem benutzerabhängig gestaltet werden, um die Sichtweisen unterschiedlicher Interessensgruppen innerhalb des Unternehmens wie Service oder Entwicklung abzubilden. Nicht zuletzt sind die Ergebnisse übertragbar, das heißt, sie lassen sich einfach exportieren und verteilen.

Die Vorteile des neuartigen Software-Konzepts liegen auf der Hand. Mittels FMS erhöht dieses sowohl die Menge der weltweit gesammelten Daten als auch die Qualität der daraus gewonnenen Informationen. Auf diese Weise können Maschinenbauer und Endanwender unnötige Kosten für Wartung reduzieren sowie ungeplante Stillstandzeiten minimieren, sodass die Betriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO) einer Maschine sinken.

Die Planbarkeit des Services bei der zustandsbasierten Wartung reduziert nicht nur die Kosten, sondern erhöht auch die Maschinenverfügbarkeit. Denn das Software-Modul erkennt Fehler und Verschleißerscheinungen frühzeitig und kommuniziert diese im Sinne eines proaktiven Schutzes direkt an die richtigen Stellen, sei es die Betriebsführung, das Serviceteam des OEM oder die Warnleuchte einer Anlage. 

Ein weiterführender visionärer Aspekt des Konzepts ist die Idee, die durch die Datenaggregation gewonnenen kundenübergreifenden Informationen zur tatsächlichen Maschinennutzung als Ansatzpunkt für die optimale Auslegung zukünftiger Maschinen zu verwenden. Dieses Wissen versetzt den Maschinenbauer zudem in die Lage, seine Endkunden gezielt hinsichtlich der bestmöglichen Verwendung seiner Maschine zu beraten.

Darüber hinaus liefern die Nutzungsdaten die Basis für eine zielgerichtete Produktentwicklung – momentan werden nur 20-50% der entwickelten Funktionen einer Maschine später auch genutzt – mit einer erhöhten Hitrate, also weniger Blindentwicklungen und damit sinkenden Entwicklungskosten. Aufgrund der besseren Planbarkeit der Serviceeinsätze ist denkbar, dass der Maschinenbauer dem Maschinenbetreiber verlängerte Garantiezeiten oder neue Service-Angebote im Austausch gegen die Erlaubnis zum Datenzugriff bietet.