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Digitalisierung

Digitalisierte Produktion unter erschwerten Bedingungen

| Autor/ Redakteur: Daniel Kleemann* / Sebastian Human

„Die“ Industrie ist nicht immer ein sauberes Laufband, auf dem Dinge digitalisiert zusammengebaut oder herausgesucht werden. In den weitaus häufigeren Fällen herrschen vor Ort Extreme, die Computertechnik stark zusetzen können.

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Industrie 4.0 findet nicht nur in sauberen Hallen statt. Digitaltechnik muss auch zwischen Untertags und Hochsee funktionieren.
Industrie 4.0 findet nicht nur in sauberen Hallen statt. Digitaltechnik muss auch zwischen Untertags und Hochsee funktionieren.
( Bild: Pixabay / CC0 )

Beim Begriff Industrie 4.0 hat man meist eine reine Umgebung vor Augen. Eine Lagerhalle, durch die ein Kommissionierroboter lautlos gleitet. Eine Fertigungsstraße, an der die menschlichen Mitarbeiter dank Mixed Reality die Ausfallzeiten verkürzen. Natürlich, auch das ist Industrie. Aber der Begriff umfasst tatsächlich viel mehr. Er zieht sich über Umgebungen, in denen extreme Bedingungen herrschen und dementsprechend auch erhöhte Gefahren. Auch hier müssen digitale Produkte funktionieren. Doch die Problemstellungen sind mannigfaltig.

1. Staubbelastung

Man muss sich nicht in die kohlestaubige Umgebung eines Bergwerks versetzen, um zu erkennen, dass Staubbelastung ein gigantisches Problem für eine digitalisierte Produktion sein kann. Sie setzt nach und nach Lüfter und Kühlrippen zu, schlägt sich auf Bauteilen nieder. Auf Sensoren verfälschen Stäube die Messergebnisse, Aktoren können sie unbeweglich machen.

Hier besteht eine der größten Herausforderungen darin, alle Sensoren/Aktoren in bidirektionaler Ebene kommunikationsfähig zu gestalten. Simpel ausgedrückt, müssen sie:

  • Eine Verschmutzung überhaupt erkennen und melden.
  • Den Stärkegrad der Verschmutzung erkennen und melden.
  • Filtern können zwischen echten Signalen und solchen, die verschmutzungsbedingt sind.

Zudem müssen die nachgeschalteten Prozessdaten so ausgewertet werden können, dass bei einem zu hohen Verschmutzungsgrad selbsttätig zur Reinigung aufgefordert oder ein entsprechendes Zusatzsystem in Gang gesetzt wird. Nicht zuletzt müssen diese Arbeiten auch in die Wartungspläne aufgenommen werden, damit ein mehrschichtiges Sicherheitsnetz entsteht.

2. Codierung

In keinem Industriezweig läuft noch etwas ohne andere maschinenlesbare Codes. Und die Zukunft wird hier insbesondere unter erschwerten Bedingungen noch problematischer. Denn jetzt, wo das Fraunhofer Institut mit seinem farbigen JAB-Code ein noch datenreicheres Medium geschaffen hat, bekommen Schmutz und Co. auf maschinenlesbaren Etiketten noch schwerwiegendere Bedeutung.

Denn wo diese Codes nicht beständig sind, weil sie verschmutzen, verwittern oder nicht haften, sind alle nachgeschalteten Prozesse ohne Daten. Und je mehr Daten die Codes enthalten (abermals mit Verweis auf den JAB-Code), desto schärfer können sich auch kleinste Schäden auswirken. Hier muss die Lösung lauten, dafür zu sorgen, dass solche Codes, ferner Warnhinweise und alles andere, das maschinenverwertbar ist, auf extrem haltbaren Trägern aufgebracht werden. Dazu sind Etiketten mit Spezialklebern notwendig, die auch unter widrigsten Bedingungen unverrückbar haften. Es müssen Farben verwendet werden, die trotz Schmutz, UV-Strahlung, Salzwasser, Abrieb und so weiter sichtbar bleiben. Und ferner muss sichergestellt werden, dass die Sensorik, die diese Codes liest, in der Lage ist, Probleme nicht nur zu erkennen und zu interpretieren, sondern auch zu melden – wenn „Container A36“ nicht ausgelesen werden kann, weil das Etikett schadhaft/verschmutzt ist, muss dies in einem Alarm resultieren.

3. Sicherheit

Wo extreme Bedingungen herrschen, findet sich meist auch ein erhöhtes Gefahrenpotenzial. Dieser Punkt ist deshalb vielleicht der Wichtigste dieses Artikels. Denn Digitalisierung muss hier fail-safe ausgelegt sein. Wenn etwas falsch läuft, steht nicht nur die Produktion still, sondern sind mitunter Menschenleben oder hohe Sachwerte in Gefahr. Beispiel: Wenn ein durch die heißen, staubigen Umgebungsbedingungen beeinträchtigter Sensor im falschen Moment die falsche Aktion in Gang setzt, ergießen sich mitunter hunderte Tonnen heißen Stahls in eine Walzwerk-Halle.

Fail-safe bedeutet in diesem Fall primär, dass die Technik jederzeit sämtliche relevanten Parameter sowohl als Ist- wie auch als Sollwert zur Verfügung hat. Das ist zunächst eine Aufgabe der Sensorik. Hier kann es deshalb nötig sein, nicht den Weg der Miniaturisierung und Zusammenfassung mehrerer Sensoren in einem Bauteil zu gehen, sondern durch gezieltes Trennen dafür zu sorgen, dass auch dann noch ausreichende Daten zur Verfügung stehen, wenn eines oder mehrere Teile ausfallen.

Ferner bedeutet fail-safe, dass alle Systeme softwareseitig mit einer Handlungslösung versorgt werden, die im Notfall eine schadensreduzierende Aktion einleitet – und zwar nicht nur einfaches Ausschalten, sondern gegebenenfalls auch zusätzliche Schritte, etwa ein Zurückfahren in Ausgangsposition. Und natürlich gehören dazu auch doppelte oder dreifache Verbindungskanäle, die auf unterschiedlichen, getrennten Wegen kommunizieren.

4. Vibrationen

Was Vibrationen anrichten können, lässt sich bei jedem Erdbeben verfolgen. Vielleicht mögen in der Industrie keine solchen Stärken auftreten. Aber die Langzeitwirkung selbst schwächerer Vibrationen auf Digitaltechnik ist ebenfalls ein Problem. Es beginnt damit, dass sie schlicht Sensorergebnisse beeinträchtigen können. Und natürlich können Vibrationen empfindliche, nanometerdicke Halbleiterschaltkreise auch reißen lassen.

Hier liegt das Problem darin, dass es vielfach nicht möglich ist, Digitaltechnik selbst robuster zu machen. Gegen Vibrationen hilft deshalb nur ein sorgfältig entkoppeltes Montieren. Etwa auf Polymer-Montageblöcken, welche die Vibrationen eliminieren, bevor sie das Bauteil erreichen.

5. Temperaturextreme

Bei herkömmlichen Silizium-Halbleitern ist ab einer Temperatur von 125°C Schluss, danach beginnt aus physikalischen Gründen der thermische Durchbruch. Solche Temperaturen herrschen in vielen verschiedenen Industrien – selbst dann, wenn es nicht mal primär um große Hitze geht, wie sie etwa in einem Walzwerk herrscht.

Und auch wenn niedrige Temperaturen ein weitaus weniger großes Problem darstellen, so sind Temperaturextreme dennoch grundsätzlich kritisch; schon wegen des dabei auftretenden Dehnens und Zusammenziehens von Materialien. Das bedeutet folglich:

  • Technik muss zur Gänze (nicht nur in einzelnen Bauteilen) auf sämtliche zu erwartenden Extreme ausgelegt sein.
  • Die Kühlleistung von Kühlkörpern, Lüftern, Flüssigkeitskühlsystemen muss fail-safe ausgelegt sein, also selbst bei Überschreiten der Auslegungstemperatur sowie Verstopfung durch Stäube noch genügend leisten.
  • Die Installation muss so erfolgen, dass Bauteile wegen der Temperaturausdehnung beweglich bleiben.

Ferner muss gewährleistet sein, dass gerade bei Sensoren der Messbereich über die vorausberechneten Temperaturen hinausgeht, damit nie die Gefahr besteht, dass ein System temperaturbedingt „blind“ wird.

* Daniel Kleemann ist Maschinenbauingenieur mit dem Schwerpunkt digitale Entwicklung in der Schwerindustrie.

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