Intelligenz nachrüsten Mit Retrofit zu Industrie 4.0

Die wenigsten Unternehmen können eine perfekte Produktionshalle nach Maßstäben von Industrie 4.0 auf die grüne Wiese stellen. Das Problem haben Automatisierer und Softwarehäuser erkannt und offerieren Produkte zum Auf-, Nach- und Umrüsten.

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Es muss nicht immer eine neue Maschine sein. Oft reicht eine Erweiterung, um eine Anlage zu vernetzen.
Es muss nicht immer eine neue Maschine sein. Oft reicht eine Erweiterung, um eine Anlage zu vernetzen.
(Bild: Pixabay / CC0 )

Es kommt eher selten vor, dass eine Fabrik komplett neu geplant, errichtet und ausgestattet wird, um digitale Workflows umzusetzen und Maschinen zu vernetzen. Gerade der typische deutsche Mittelstand hat im Inland oft alte Standorte mit einem sehr heterogenen Maschinenpark – sowohl was das Alter als auch was die Hersteller angeht. Das stellt Unternehmen und Industrie-4.0-Dienstleister vor große Herausforderungen, denn Ziel ist, sukzessive alle Maschinen zu vernetzen und Prozesse zu digitalisieren.

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Oftmals wird dem Mittelstand pauschal unterstellt, er würde die digitale Transformation verschlafen oder sich mit der Umsetzung schwer tun. Betrachtet man sich die Studie „Industrie 4.0 im Mittelstand“ von Deloitte aus dem letzten Jahr, dann zeigt sich ein etwas differenzierteres Bild: So leben bereits 28 % der Unternehmen in einer vollständigen Vernetzung, mit 29 % allerdings fast ebenso viele ohne eine solche. Vielleicht ist das branchen- oder produktabhängig – das wurde nicht untersucht. Letztendlich geht es aber immer um zwei große Fragen, die zu beantworten sind:

  • Wie lässt sich der bestehende Maschinenpark so auf- beziehungsweise umrüsten, dass sich die einzelnen Maschinen miteinander vernetzen lassen?
  • Wie setzt man die Aufgabe, digitale Prozesse zu „installieren“, zeit- und kosteneffizient mit den vorhandenen Mitarbeitern um?

Eine große Herausforderung – auch in Zukunft – liegt in der unterschiedlichen „Lebensdauer“ von Mechanik und Software: So ist die Mechanik in Maschinen auf viele Jahre und Jahrzehnte ausgelegt, während Software und IT-Systeme schnell veralten. Um also nun eine veraltete Fabrik oder Fertigungslinie zu vernetzen und die Prozesse zu digitalisieren, müssen sowohl die Maschinen intelligent werden als auch deren Informationen und Daten in eine intelligente Software fließen, die daraus einen Mehrwert schafft. Auch bestehende Steuerungen müssen nach- beziehungsweise aufgerüstet werden. Daher ist es nicht verwunderlich, dass gerade ein großer Markt für Retrofit-Lösungen entsteht.

Sensoren vernetzen

Gerade Automatisierer haben die Lücke bereits entdeckt und bieten Produkte an, die sozusagen „Industrie 4.0 zum Nachrüsten“ ermöglichen sollen. Eine der ersten Hilfestellungen, um eine Maschine an die digitalen Möglichkeiten anzuschließen, war wohl die Smart-Bridge von Pepperl+Fuchs. Mit dem Adapter können ältere Sensoren nicht nur Prozessdaten an die Maschinensteuerung senden, sondern sie kommunizieren per Bluetooth auch mit den übergeordneten Informationssystemen. Diese werten dann alle relevanten Daten aus.

Dazu wird der Adapter in die Verdrahtung zwischen Sensor und Maschinensteuerung eingeschleift, von wo er sich die Sensordaten rückwirkungsfrei abgreift und eine drahtlose Verbindung zu einem mobilen Endgerät aufbaut. Einen eigenen Stromanschluss benötigt der Adapter nicht, er nützt die Energie, die über die Sensorzuleitung kommt. Die ausgelesenen Sensordaten werden auf einem Tablet oder Smartphone über die Smart-Bridge-App dargestellt. Über die App können Anwender auch die Einsatz­parameter der per Smart-Bridge angeschlossenen Sensoren ändern. Da der Datenaustausch über eine Bluetooth-Verbindung geschieht, muss weder eine zusätzliche Verkabelung angebracht noch die in Steuerung eingegriffen werden.

Komplett ohne Einbau funktioniert der Enlight Quick Collect von SKF, der allerdings auch eher die Arbeit von Instandhaltern erleichtern soll. Das Produkt besteht aus drei Komponenten: einem tragbaren Sensor, einem mobilen Endgerät und der Quick-Collect-App. Der Sensor erfasst Maschinendaten, wie Schwingungs- und Temperaturwerte, und überträgt sie mit herkömmlicher Mobilfunktechnik an ein Smartphone oder Tablet. Die dort installierte Quick-Collect-App führt eine Basisanalyse der Messungen in Echtzeit durch und informiert den Anwender umgehend über mögliche Probleme. Zudem speichert die App die gewonnenen Erkenntnisse für tiefergehende Analysen ab und ermöglicht das Weiterleiten entsprechender Infos.

Bosch Rexroth hat an einer alten Drehmaschine bewiesen, dass sich auch alte und sehr alte Maschinen miteinander vernetzen lassen.
Bosch Rexroth hat an einer alten Drehmaschine bewiesen, dass sich auch alte und sehr alte Maschinen miteinander vernetzen lassen.
(Bild: Stefanie Michel)

Maschinen zum sprechen bringen

Auch das IoT-Gateway von Bosch Rexroth arbeitet ohne Eingriffe in die Steuerung. Trotzdem sollen sich mit ihm auch Jahrzehnte alte Bestandsmaschinen mit geringem Aufwand vernetzen lassen. Die unscheinbare Box besteht aus der Embedded-Steuerung Indracontrol XM, welche die Software des Gateways ausführt. Die Architektur basiert auf offener Software mit Linux als Betriebssystem und einer Java Virtual Machine, die das Bereitstellen von Java-Anwendungen ermöglicht. Über ein Sensorpaket von Bosch lassen sich in Echtzeit Prozessdaten, wie Temperatur, Druck, Vibration oder Stromverbrauch, erfassen. Dank integrierter Software-Apps, wie der Device- und der Processing-App, können Anwender das IoT-Gateway auf einfache Weise webbasiert anpassen.

Was das IoT-Gateway macht? Es sammelt diverse Sensor- und Steuerungsdaten und leitet sie an eine zentrale Datenbank zur Analyse. Das funktioniert auch bei älteren Steuerungen, ohne diese umprogrammieren zu müssen, ebenso bei Drittsteuerungen von Beckhoff, Siemens und Rockwell. Um nun aus den Daten Informationen oder Handlungsempfehlungen zu erhalten, werden sie mit vorhandenen IT-Systemen – beispielsweise MES oder spezieller Auswertesoftware – verbunden. Durch seine hohe Konnektivität kann das IoT-Gateway mit vielen übergeordneten IT-Systemen ebenso einfach kommunizieren wie mit Cloud-Plattformen.

Die Umsetzung einer solchen Digitalisierungs­anwendung hat Bosch Rexroth anhand der eigenen Motorenfertigung im Werk Lohr demonstriert und exemplarisch in fünf Schritte aufgeteilt:

1. Einflussgrößen festlegen: Um beispielsweise eine Maschine zu optimieren, sind bestimmte Parameter wichtig, welche die Produktqualität beeinflussen.

2. Auswahl und Nachrüsten der Sensorik: Für die Überwachung der Maschine erforderliche Informationen müssen von Sensoren erfasst werden, um Maschinenausfälle zu vermeiden.

3. Anbinden der Sensorik an das IoT-Gateway: Über das Gateway gelangen die gesammelten Sensordaten zu den übergeordneten IT-Systemen.

4. Anbindung der übergeordneten IT-Systeme: Mithilfe der Processing-App wird der Datentransfer festgelegt.

5. Verbesserungspotenziale erschließen: Aus den Daten lassen sich immer neue Maßnahmen ableiten, die Verbesserungen in der Fertigung bringen.

Die offene Plattform PAC verbindet die Steuerungsebene mit der MES- und/oder ERP-Ebene.
Die offene Plattform PAC verbindet die Steuerungsebene mit der MES- und/oder ERP-Ebene.
(Bild: ZNT-Richter)

Eine andere Möglichkeit zum Nachrüsten von Kommunikationsschnittstellen hat ZNT-Richter entwickelt. Sein Process Automation Controller (PAC) ist eine offene Plattform, mit der die Steuerungsebene mit dem MES oder ERP verbunden wird. PAC kann neben der Datensammlung und -aggregation auch Automatisierungsaufgaben auf der Arbeitsbereichs­ebene übernehmen.

Zu diesen gehören die maschinenübergreifende Fertigungssteuerung sowie die Integration von beispielsweise Prozessregelung und -optimierung, Maschinenprogrammverwaltungen oder Material­fluss-­Steuerungen. Die Plattform entlastet auch die MES-Ebene von Automatisierungsabläufen in Echtzeit, denn angeschlossene Maschinen lassen sich im Bedarfsfall vom MES abkoppeln. Das wiederrum ermöglicht flexible Start-und-Stop-Zyklen einzelner Anlagen, ohne den gesamten Produktionsprozess stillzulegen. Die Ausführungen aufwendiger Auswertungen können durch PAC übernommen werden, Rohdaten lassen sich direkt in eine Prozessdatenbank schreiben.

Maschinen lernen eine Fremdsprache

Als Kommunikationsstandard für die vernetzte Fabrik entwickelt sich OPC UA heraus. Aber nicht jede Maschine beherrscht diese Sprache. Dem Problem sind Forscher des Fraunhofer-IOSB in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Codewerk nachgegangen. Das Ergebnis ist die Nachrüstbox Plug-and-Work-Cube.

Die Lösung besteht aus dem Siemens-IPC „Nanobox“ und einem Assistenzsystem, mit dem die Produktionsausrüstungen ohne Modellierungs-Know-how beschrieben werden können. Auf der Nanobox befindet sich ein aggregierender OPC-UA-Server mit Automation-ML als Informationsmodell und der Möglichkeit zur automatischen Kopplung an Siemens-­SPSen und unterlagerte OPC-UA-Server. Das Assistenztool ist eine Windows-Anwendung, die in den offiziellen Automation-ML-Editor als Plug-in integriert ist. Mit ihr kann die Konfiguration für den aggregierenden OPC-UA-Server erstellt werden.

Kleine Veränderung, große Erleichterung

Manchmal hakt es aber schon an einfacheren Stellen: Wie komme ich an Diagnosedaten eines Stellventils oder wie erfahre ich, wann meine Produkte aus der Trocknung können – ohne eine komplette Automatisierungsstruktur einzubauen? Um individuelle Lösungen hat sich der Sensorik- und Sicherheitstechnikhersteller Turck Gedanken gemacht. Das Stellventil gehört zu einem Schwenk­antrieb. Hier dreht sich alles darum, ob das Ventil offen oder geschlossen ist, also die Zeit von dem Moment an, in dem das Ventil angetriggert wird, bis zum Signal „Ventil ist offen“.

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Turck hat ein TPM-Modul mit der Funktion „Field logic controler“ versehen. Diese misst, wie lange das Ventil zum Öffnen braucht. Durch die Daten ergeben sich mehrere relevante Informationen. Beispielsweise können Anwender erkennen, ob eine Wartung nötig ist. Die Analysedaten werden in Kurven dargestellt, die direkt am Modul ausgewertet werden können. Eine zusätzliche Steuerungseinheit ist nicht nötig.

Ein weiteres Beispiel einer simplen Lösung ist die Überwachung der Trocknungszeit bei der Steckverbinderfertigung. Der Hersteller hatte den Trockenraum nicht automatisiert; wann eine Ladung Steckverbinder fertig war, lag in der Hand der Mitarbeiter. Turck hat lediglich eine Signalleuchte, RFID-Schreib/Leseköpfe und ein kleines Modul installiert.

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Die Aufgabe der Installation besteht darin, zu registrieren, wann welcher Wagen ankommt, wie lange er in der Station ist, und diese Werte mit der einprogrammierten Wartezeit zu vergleichen. Diese richtet sich nach der Trocknungszeit, die es braucht, um die Qualität der Steckverbinder zu sichern. An der Signalleuchte am Terminal sieht es der Anwender sofort, wenn ein Wagen aus dem Raum geholt werden kann. Dafür braucht es keine Steuerung und keine komplette Automatisierungsstruktur.

Mit vernetzter Sensorik und neuer Software wurde eine alte Werkzeugmaschine zum modernen Prüfstand umgebaut.
Mit vernetzter Sensorik und neuer Software wurde eine alte Werkzeugmaschine zum modernen Prüfstand umgebaut.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

Eine Werkzeugmaschine im Retrofit

An eine Umrüstung mit mehr Aufwand, aber auch umfangreicherem Ergebnis haben sich Contact Software und das Fraunhofer-IPK getraut. Das Team führte bei einer Werkzeugmaschine eine Retrofit durch. Allerdings wurde es auch ein Umbau, die Maschine ist nun ein Prüfstand. Grundlage ist ein Sensornetzwerk auf Basis von MEMS, das Daten zur Laufzeit erfasst, sammelt und auswertet. Außerdem wurde die Maschine an die Plattform Contact Elements angeschlossen. Dadurch können nun Betriebsdaten aus dem Live-Monitoring und Bauzustände des Prüfstands und der Prüflinge in einem digitalen Zwilling zusammengeführt werden. Ergänzt wird dieser durch eine digitale Lebenslaufakte. Sie dokumentiert die Bauzustände und unterstützt Prüfabläufe digital. Für die Messdatenanalyse wurde weitere Software eingespielt.

Schlussendlich kommt es bei einem Retrofit also auf eine vernetzte Sensorik und eine durchgängige Kommunikation an. Beide Themen haben sich Automatisierungshersteller und Forschungsinstitute endlich zur Brust genommen und sie arbeiten auch weiterhin daran, für bestehende Anlagen sinnvoll umsetzbare Nachrüstlösungen zu finden.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal MaschinenMarkt erschienen.

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Über den Autor

 Simone Käfer

Simone Käfer

Redakteurin für Additive Fertigung