Digitale Transformation Die Digitalisierung im Qualitätsmanagement voranbringen

Autor / Redakteur: Nils Beckmann / Simone Käfer

Eine digitalisierte Produktion bietet einige Vorteile. Speziell bei pneumatischen Systemen kann man einiges Einsparen.

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IIoT to go: Der Aventics Smart Pneumatics Analyzer von Emerson kann an eine Maschine angeschlossen werden, um die Leistungsdaten zu erhalten.
IIoT to go: Der Aventics Smart Pneumatics Analyzer von Emerson kann an eine Maschine angeschlossen werden, um die Leistungsdaten zu erhalten.
(Bild: Emerson)

Optimieren Unternehmen ihre digitalen Technologien, können sie ihre Effizienz, Produktivität und die Vielseitigkeit ihrer Produktionssysteme und -abläufe verbessern. Dazu werden das Industrial Internet of Things (IIoT) und Industrie 4.0 (I4.0) eingesetzt. Damit werden eine neue Reihe von Systemleistungsdaten der Maschinen gesammelt und anschließend in brauchbare Erkenntnisse umgewandelt. So bekommt der Anwender ein vollständiges Bild über den Zustand seiner Maschine. Er kann sehen, wie die Produktionssysteme funktionieren und wo Veränderungen und Wartungsarbeiten erforderlich sind, kann Probleme korrigieren und Leistung maximieren. Um ein Lösungspaket für die digitale Transformation zu entwickeln, das diese Analyseauswertungen bereitstellt, arbeiten Produzenten und Nutzer aus Industrie mit Originalherstellern (OEM) und Technologielieferanten zusammen.

Die IIoT-Transformation betrifft auch elektrische Antriebe und Hydraulik bis hin zu Linearsystemen. Pneumatische Technologien sind weit verbreitete Systeme, die auch wichtige und vor allem neue Möglichkeiten für den Einsatz digitaler Tools bieten. Mit diesen Systemen kann die Produktionsleistung schneller kontrolliert und überwacht werden. Dafür besitzen die Systeme Sensoren, digitale Schnittstellen und Edge-Computing-Fähigkeiten. Die angereicherten Daten werden in Echtzeit geliefert und bieten den Endverbrauchern Antworten auf Fragen zu:

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  • Beurteilung des Verbrauchs: Wie hoch ist der tatsächliche Bedarf von pneumatischen Druckluftmaschinen bei optimalen Betriebsbedingungen?
  • Zustand der Maschine: Wann müssen Ventile oder Zylinder ausgetauscht werden? Haben sie die maximale Lebensdauer erreicht?

Durch diese Technologien können Energieverschwendung und unkontrollierte Luftemissionen aus pneumatischen Systemen identifiziert und korrigiert werden. Echtzeitdaten über die Funktionsfähigkeit der Systeme können dazu beitragen, handlungsrelevante Erkenntnisse zu gewinnen – Wartungs- und Austauschzyklen können verbessert werden, bevor die Komponenten ausfallen oder Dichtungen verschleißen.

Bessere Leistung, Verfügbarkeit und Qualität durch digitale Transformation

Während die Belegschaft weniger wird und immer öfter überlastet ist, stagniert die Verbesserung der Gesamtproduktivität durch Automatisierung. IIoT ist der nächste Schritt die Produktivität massiv zu steigern. Eine Digitalisierung der Produktion wird Produktivitätskurve durch Echtzeitdaten wieder beschleunigen – aber nur bei richtiger Anwendung.

Eine der größten Herausforderungen, denen sich Hersteller und Technologielieferanten stellen, ist die Modernisierung bestehender Produktionssysteme und Fabriken, damit die Produktionssysteme IIoT-Anwendungen unterstützen. Viele ältere Maschinen verfügen über wenige oder keine offenen Schnittstellen. Doch diese sind nötig, um flexibel auf Daten zuzugreifen. Produktionsinseln mit alten Maschinen, die nicht vernetzt werden können, erschweren es die Ziele zur Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness, OEE) zu erreichen. Denn es fehlen nützliche Daten. Die richtigen digitalen Technologien können dazu beitragen, die OEE-Kennzahl durch die verschiedenen Optimierungen zu verbessern:

  • Verfügbarkeit: Benutzerdaten von pneumatischen Geräten liefern zusammen mit Edge-Gateways Einblicke, um Entscheidungen in der Instandhaltung zu treffen.
  • Leistung: Daten aus der Geräteebene werden zur Messung und Überwachung der Geschwindigkeit und Lebensdauer der Gerät verwendet. Womit man die Leistung und den Durchsatz verbessern kann.
  • Qualität: Die richtigen Daten, die über Edge-Gateways und Visualisierungssoftware bereitgestellt werden, können schnell analysiert und interpretiert werden, um die Ursachen von Qualitätsproblemen zu beseitigen.

Die digitale Transformation erfordert die Verbesserung der wichtigsten operativen Bereiche. Themen wie Sicherheit, Zuverlässigkeit, Produktionsoptimierung, Leitung der Arbeitskräfte sowie die Reduzierung von Emissionen zählen dabei zu den wichtigsten Aspekten. Die positiven Auswirkungen einer digital unterstützte Pneumatik auf die Energieeffizienz und Gesamtkohlenstoffemissionen können dabei beträchtlich sein: Kontinuierliche Analysen können Undichtigkeiten erkennen und verhindern. Zudem kann der Energieverbrauch besser gemessen und dynamisch mit der Produktion optimiert werden. Eine effizientere Energienutzung kann zudem auch zur Verringerung des ökologischen Fußabdrucks beitragen.

Vorteiler einer digitalisierten Pneumatik

Die jüngste Generation der Pneumatik umfasst digitale Technologien, die den Herstellern helfen sollen, die Leistung, die Langlebigkeit und den Wert der Pneumatiksysteme zu optimieren. Gleichzeitig soll sie zu mehr Energieeffizienz beitragen, indem sie die Schadstoffbelastung und CO2-Emissionen in der Luft reduzieren.

Zu den drei Schlüsselbereichen, in denen Fluidsteuerung und pneumatisches Leistungsmanagement bei den IIoT-Anwendungen einen bedeutenden Einfluss haben, gehören:

Luftverbrauch: Druckluft ist eine Energiequelle, deren Verbrauch selten gut gemessen oder optimiert ist. Schätzungen zufolge entfallen 20 bis 30 % des gesamten Energieverbrauchs einer Fertigung auf Druckluft. Ein Gesamtdruckluftnetz hat durchschnittlich Leckagen von 30%. Dies kann daran liegen, dass mehr Druckluft verbraucht wird, als eine Maschine benötigt. Zusätzlich können Leckagen auftreten, die zu erhöhten Energiekosten führen. Des Weiteren sind solche Leckagen auch ein guter Indikator für Verschleiß der Komponenten.

Neue Plattformen bieten eine kontinuierliche Überwachung und Visualisierung des Druckverbrauchs, unter anderem anhand von Skalen mit Tages-, Stunden- oder Prozessschritt-Einteilung. Es gibt sogar Tools, für die Zuordnung von Luftverbrauch und Luftverbrauchskosten für jedes fertiggestellte Objekt.

Die Daten werden von optimalen Positionen im Luftzufuhrsystem erfasst und alarmiert bei Leckagen in Echtzeit. Edge-Gateways erfassen und liefern verwertbare Daten an das Anlagen- und Betriebsmanagement für eine längerfristige Analyse. Die Auswirkungen dieser Lösungen können beträchtlich sein: verbesserte Energieeffizienz und OEE durch effektivere Nutzung von Druckluft und frühzeitiger Leckerkennung, Reduzierung geplanter und ungeplanter Ausfallzeiten und 10 bis 20 % potenzielle Reduzierung der Energiekosten für Druckluft und des CO2-Fußabdrucks.

Überwachung von Ventilen und Zylindern: Für pneumatische Ventile, Zylinder und Aktuatoren gibt es empfohlene Lebenszyklen, die auf der Lebensdauer für eine bestimmte Anwendung sowie auf dem Design und der Konstruktion des Geräts basieren. Diese Lebenszyklen sind für die Fertigungsproduktivität entscheidend. Wenn ein Ventil oder ein Aktuator verschleißt oder versagt, kann dies zu verringerten Zykluszeiten, ungeplanten Ausfallzeiten und potenziellen Qualitätsproblemen führen.

Aus betrieblicher Sicht stellt sich immer wieder die Frage: Wann sollen Komponenten ersetzt werden, wenn sie versagen oder früh genug, um ein Versagen zu verhindern? Die neueste Generation von Pneumatikventilen und -zylindern verfügt über Sensoren, die beim Beantworten der Frage helfen. Diese neueren Produkte überwachen kontinuierlich den Ventil- und Antriebsverschleiß durch die Analyse verschiedener Parameter. Sensoren warnen den Instandhalter per E-Mail oder SMS sobald ein kritischer Wert im Herstellungsprozess überschritten wird. Wenn sofortige Maßnahmen erforderlich sind, können diese ergriffen werden. Dies kann auch ein relevantes Tool sein, wenn es um die Beurteilung der Frage geht, warum die Laufzeit einer bestimmten Maschine im Vergleich zu den bisherigen Werten steigt oder fällt.

Edge Analytics und Visualisierung: Eines der wichtigsten Ziele der digitalen Transformation sind verfolgbare Daten. Informationen über die Leistung von Fertigungssystemen bilden die Grundlage für Entscheidungen zur Verbesserung der OEE und zur Reduzierung von Emissionen. Es gibt eine Reihe von führenden Pneumatikanbietern, die Systeme und Lösungen konfigurieren, um diese Ziele zu erreichen. Durch Edge-Computing-Gateways und Visualisierungssysteme können die Systeme leicht in neue und bestehende Fertigungsplattformen integriert werden.

Wenn Fertigungssysteme über mehrere Quellen für pneumatische Daten von verschiedenen Standorten aus verfügen, ist es schwierig, Verbesserungsmöglichkeiten zu visualisieren. Edge-Computing-Gateways können Pneumatikdaten mit prozessrelevanten Systemdaten korrelieren, die über OPC UA an Cloud-basierte Analyseplattformen gesendet werden. Außerdem unterstützen immer mehr Produkte solche IIoT-Protokolle direkt, so dass die Edge-Computing-Analyse vom Gerät selbst durchgeführt wird. Durch die Visualisierung der Daten an einem Ort werden verwertbare Erkenntnisse wesentlich schneller bereitgestellt. Darüber hinaus sind die Daten besser organisiert und können die Grundlage für die Verbesserung der vorausschauenden Wartungsprozesse bilden. Dadurch können die Produktionsbetriebszeit erhöht, bessere Diagnosen von Prozessstörungen ermöglicht und die Fertigungsqualität verbessert werden.

Ein weiterer Vorteil dieser Edge-Computing-Gateways ist, dass sie für den Einsatz auf älteren Produktionssystemen entwickelt wurden. In vielen Fällen sind sie skalierbar und können ohne Änderungen an der bestehenden Technik weiterentwickelt werden. Einige Unternehmen bieten eine flexible Technologiearchitektur an, die Maschinensteuerung und Edge-Analysen in einer Steuerung kombiniert. Diese Systeme sind PLC-agnostisch. Das heißt, dass keine Änderungen der PLC-Sequenz erforderlich sind und das Ergebnis der Analyse mit Hilfe von Dashboards vor Ort, Cloud Computing oder vorhandenen Softwareplattformen für den Anlagenbetrieb visualisiert wird. Somit eignen sich diese Systeme auch prima zum Retrofit einer Maschine.

Die richtigen, digitalen Transformationsschritte

Die Gelegenheit für revolutionäre Ergebnisse durch die Anwendung der IIoT-Technologien ist tatsächlich vorhanden, aber Technologie ist Evolution, nicht Revolution – auch wenn es den Anschein haben mag, als ob das IIoT viele Visionen der Fertigung übernimmt. Allein der Einsatz von mehr Sensoren und das Sammeln von mehr Daten wird hartnäckige Fertigungsprobleme nicht lösen – insbesondere nicht solche, die mit Energieverbrauch und Emissionen zusammenhängen.

Das Angebot neuer, digital-fähiger Technologien wie pneumatische Systeme kann einen bedeutenden Unterschied machen, wenn Hersteller und Analgenbetreiber ein klares Verständnis der zu lösenden Probleme haben. Verfahren, bei denen die bestehende Infrastruktur genutzt wird, sind leichter zu realisieren. Veränderungen können aber nicht nur durch bessere oder mehr Echtzeit-Analysen erreicht werden: Die Menschen müssen in die Lage versetzt werden, Änderungen an Prozessen und Systemen in Abhängigkeit von der Entwicklung vorzunehmen, die die Daten ihnen vorgeben.

Veränderung können schwierig, aber auch befreiend sein. Einer der besten Schritte ist die Zusammenarbeit mit OEMs und Technologielieferanten, die ein tiefes Verständnis und den Willen haben, den digitalen Wandel in ihren Systemen und Produktportfolios voranzutreiben. Intelligente Geräte, Bewegungskontrollen, Analysen auf Geräteebene, Maschinenkontrollen, Edge Computing Systeme, sowie mehrstufige Analysepakete ermöglichen Pneumatik-Lieferanten mehr Optionen. Die gewonnenen Erkenntnisse können helfen, die effektivsten Methoden zur Anwendung der neuesten Technologien auf Herausforderungen oder Probleme zu entwickeln. Sie können auch dazu beitragen, dass die Ziele der Emissionsreduzierung, der Verbesserung der Energieeffizienz und der allgemeinen digitalen Transformation erreicht werden. Vor allem aber können mit Hilfe der digitalen Technologien Probleme schneller erkannt und die Leistung der Produktionssysteme maximiert werden.

* Nils Beckmann ist Product Marketing Manager IIoT Integration bei Emerson

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