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Industrie-4.0-Projekte in der Stanz- und Umformtechnik einfach umsetzen

| Autor/ Redakteur: Wolfgang Faulhaber und Ralf Renz / M.A. Frauke Finus

Die in der Stanz- und Umformtechnik seit vielen Jahren eingesetzten Prozessüberwachungssysteme entwickeln sich als Datenlieferant durch die Vernetzung immer mehr zum Drehkreuz für Datenströme der Industrie 4.0. Wie die bei Industrie-4.0-Projekten entstehenden Hindernisse überwunden werden können, soll dieser Beitrag zeigen.

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Wer Industrie 4.0 Daten erfassen und auswerten möchte, muss sich um eine praktikable Handhabung der Daten kümmern und kommt um eine Vernetzung der Produktionsanlagen nicht herum.
Wer Industrie 4.0 Daten erfassen und auswerten möchte, muss sich um eine praktikable Handhabung der Daten kümmern und kommt um eine Vernetzung der Produktionsanlagen nicht herum.
(Bild: Schwer + Kopka)

Eine aktuelle Umfrage von Pricewaterhouse Coopers (PwC) kommt zu dem Ergebnis, dass Digitalisierungsprojekte über alle Branchen hinweg mit Abstand Platz 1 belegen. Eine neuere Studie belegt explizit, dass digitalisierte Unternehmen erfolgreicher sind und schneller wachsen als jene, die auf eine Digitalisierung der Produktionsprozesse weitgehend verzichten. Auf der anderen Seite muss man feststellen, dass die Umsetzung von Industrie 4.0 noch lange nicht flächendeckend auf der Produktionsebene angekommen ist.

Der folgende Beitrag soll aufzeigen, warum sich viele Betriebe in der Stanz- und Umformtechnik schwertun mit der Umsetzung von Industrie 4.0 Projekten und wie die entscheidenden Hindernisse auf dem Weg zur Digitalisierung der Produktion elegant überwunden werden können. Insbesondere wird herausgearbeitet welcher Synergieeffekt entsteht, wenn sich die richtigen Projektpartner zusammenfinden: Spezialisten aus der Produktion und Experten aus dem Bereich Prozessüberwachung/Netzwerktechnik. Einfach ausgedrückt: Wer Industrie 4.0 Daten erfassen und auswerten möchte, muss sich um eine praktikable Handhabung der Daten kümmern und kommt um eine Vernetzung der Produktionsanlagen nicht herum.

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In Abbildung 1 ist schematisch die vernetzte Fertigung eines Umformbetriebes (Presserei) dargestellt. Die Vernetzung wird in aller Regel über Ethernet- oder W-lan Anbindungen realisiert. Alle Maschinen leiten die Daten weiter, an einen zentralen Server mit Datenbank, die im Betrieb sowohl vertikal als auch horizontal integriert ist.

Industrie 4.0 noch nicht flächendeckend angekommen

Die Ursache dafür, dass das Thema Industrie 4.0 auch im Jahr 2018 noch nicht flächendeckend in der Blechumformung angekommen ist liegt darin, dass es keine konkreten Vorlagen oder Baupläne gibt, wie mit den zu sammelnden Daten zu verfahren ist. Außerdem fehlt vielen Unternehmen das Personal mit der erforderlichen Qualifikation um Industrie-4.0 Projekte-erfolgreich durchzuführen. Folgerichtig haben die Unternehmen Angst, durch planloses Sammeln von Daten einen sogenannten „Datenfriedhof“ zu erzeugen.

Es gibt eine Vielzahl von Befragungen und Statistiken die diese Thesen untermauern . Aus all den Statistiken und Erhebungen kristallisieren sich folgende drei Haupthindernisse heraus.

Hindernis 1: zu hoher Investitionsbedarf

Um Maschinen- und Sensordaten korrekt und wirtschaftlich sinnvoll auswerten zu können. ist es zwingend erforderlich, die betreffenden Produktionsanlagen zu vernetzen. Die Kosten für die Vernetzung (Hard- und Software) machen im Allgemeinen den Löwenanteil bei der Umsetzung von 4.0-Projekte aus. Um die relevanten Daten von der Maschine auf einen Server zu bringen bieten sich zunächst zwei Möglichkeiten an:

1. Vernetzung der Anlagensteuerungen (Maschinensteuerungen)

2. Vernetzung von Peripheriesystemen (Terminals), die in der Lage sind mit Maschinensteuerungen und Zusatzsensorik zu kommunizieren

Betrachtet man die Diversität der Maschinen und das durchschnittliche Alter der Produktionsanlagen inklusive deren Steuerungselektronik, so scheidet die Datenerfassung durch die Vernetzung der Maschinensteuerungen in der Regel bereits kaufmännisch aus. Erschwerend kommt hinzu, dass es bis dato noch keine einheitlichen Schnittstellendefinitionen gibt, an die sich die Maschinenbauer halten, womit technologisch maximal Insellösungen durch die Vernetzung einer Maschinengruppe möglich sind. Anders sieht es aus bei der Vernetzung von Peripheriesystemen. In der Kalt-, Warm-, und Blechumformung gehören Systeme zur Prozessüberwachung, Werkzeugsicherung und Maschinenschutz seit vielen Jahren zum Stand der Technik. Vernetzt dienen diese Systeme bereits heute als Erfassungs- und Anzeigeterminal für Daten von übergeordneten betrieblichen Anwendungen wie MES, CAQ und ERP. Sensoren, Maschinensteuerungen und übergeordnete Business Software werden je nach Möglichkeit über festverdrahtete Schnittstellen, Feldbussysteme wie Profinet oder industrielle M2M-Kommunikationsprotokolle wie OPC-UA (OPC Unified Architecture) an das Prozessüberwachungssystem angebunden. Das Überwachungssystem steht dabei im Zentrum und wird zum Drehkreuz für die Datenerfassung.

Hindernis 2: Angst vor dem Erzeugen eines Datenfriedhofs (Big Data)

Die Big Data, aus denen Mehrwert generiert werden kann, erstrecken sich über die Gesamtheit der verfügbaren technischen und wirtschaftlichen Daten und deren Kombination. Die technischen Daten entstehen an den Sensoren in der Feldebene und werden vom Prozessüberwachungssystem zur Verfügung gestellt. Die wirtschaftlichen Daten, wie bspw. Auftragszuordnung, Werkzeug- und Materialbuchungen werden von einem MES aus weiteren betrieblichen Anwendungen zusammengeführt und verwaltet. Während die Erfassung der wirtschaftlichen Daten (MDE, BDE, MES) bei den Stanz- und Umformbetrieben in den wichtigen Abteilungen häufig umgesetzt wurde, stellt die Erfassung der technologischen Daten die Betriebe vor eine deutlich größere Aufgabe. Um diese Lücke einer vollautomatisierten Datenerfassung und – Dokumentation zu schließen wurde von der Schwer + Kopka GmbH das Prozess Tracking Office (kurz: PTO) entwickelt. Das Prozess Tracking Office (PTO) zeichnet nachfolgende technischen Betriebsdaten vollautomatisch auf:

  • Sensordaten aus der Kraftüberwachung (gemäß eingestelltem Aufzeichnungsintervall, sowie zusätzlich bei Sortierung und Abschaltung)
  • Sensordaten aus dem Condition Monitoring Bereich wie (Drehzahl, Temperatur, Durchfluss, Schwingung, Motorstrom, Luftdruck, Energie, Wirbelstrom etc., quasi alle Sensoren mit einem 0-10V oder 4-20 mA Ausgang
  • Spezielle Produktionsereignisse wie Werkzeugneuanlauf, Versuch, Material- und Werkzeugwechsel
  • Zur Produktion gehörende Auftrags, Artikel- und Werkzeugdaten
  • Lauf-und Stillstandsverhalten über die Betriebsarten
  • Alle Änderungen von Überwachungsparametern durch den Maschinenbediener

Natürlich werden alle automatisch erfassten Werte in einem aussagekräftigen Protokoll für beliebige Zeitraume zusammengefasst, damit der Auswertende schnell einen Überblick über das gesammelte Datenmaterial bekommt. PTO dokumentiert die Messwerte und stellt geeignete Hilfsmittel zur Analyse bereit. Abgerundet wird es dadurch, dass bei Bedarf die erfassten Daten über eine Schnittstelle auch Drittsystemen wie bspw. MathLab zur Verfügung gestellt werden können, um dort weitere Analysen durchzuführen. Alle erfassten Daten können bei Bedarf über industrielle M2M-Kommunikationsprotokolle wie OPC-UA von jeder beliebigen Business Software abgerufen und weiterverarbeitet werden.

Hindernis 3: Zu wenig Personalressourcen

Neben dem Erfassen und dem Dokumentieren kommt der Analyse der 4.0 Daten eine entscheidende Rolle zu – vor allem bei der Generierung des gewünschten Zusatznutzen und der Überprüfung der Projektziele. Um dies sicherzustellen ist in der Regel zusätzliches Personal erforderlich, so dass neben den Einstiegskosten (Vernetzung) laufende Kosten wie Personalaufwände hinzukommen – vorausgesetzt, dass qualifiziertes Personal auf dem Arbeitsmarkt verfügbar ist. Wird der oben beschriebene Umfang um ein geeignetes Alarmmanagement ergänzt, so erhält der Anwender die Möglichkeit, Industrie 4.0 Anwendungen mit dem vorhandenen Personal oder zumindest mit überschaubaren zusätzlichen Personalressourcen zu realisieren. Der Clou: Mit dem SK-Alarmmanager übernimmt ein elektronisches Alarmsystem weitestgehend die Überwachung der vorher festgelegten Limits und Regeln und reagiert im Notfall mit der Benachrichtigung der richtigen Abteilung oder Person.

Die Schwer + Kopka GmbH hat langjährige Erfahrung im Bereich Prozessüberwachung und Vernetzung von Produktionsanlagen in der Stanz- und Umformtechnik. Auf Basis eines eigenen Manufacturing Execution Systems SK-go! in Verbindung mit den selbst entwickelten MES-Terminals, Prozessüberwachungssystemen und Sensoren wurden praktikable Lösungen entwickelt, die eine reibungslose Umsetzung von Industrie 4.0 Projekten ermöglichen und zwar anwendernah, das heißt, die nicht an den oben aufgeführten Hindernissen scheitern.

Elektronische Alarmsysteme helfen Stillstandszeiten zu reduzieren

Über definierbare Regeln werden Messwerte und Einstellparameter aktiv überwacht. Verantwortliche Mitarbeiter erhalten bei Regelverletzung sofort am Arbeitsplatz im Büro, über Andon-Infoboards in der Fertigung oder unterwegs per Email, SMS oder weitere Messengerdienste eine Nachricht. Selbstverständlich lässt sich auch ein passendes Eskalationsmanagement umsetzten. Eine Priorisierung der Alarme hilft, den wichtigen Alarm aus der Flut der Meldungen trotzdem zuverlässig zu erkennen. Alle ausgelösten Alarme, sowie die entsprechenden Reaktionszeiten werden automatisch dokumentiert.

In einem zweiten Schritt können Entscheidungen auch ohne menschliches Eingreifen getroffen werden, nämlich dann, wenn ein sogenannter Regelkreis zum Einsatz kommt. Der Einsatz von elektronischen Alarmsystemen sorgt in der Regel dafür, dass die Stillstandszeiten von Fertigungsanlagen deutlich reduziert werden und die Kosten im Instandhaltungsbereich gesenkt werden können.

Die wichtigsten Vorteile einer vollautomatischen Datendokumentation:

1. Einkreisen von Chargennummern und Rückrufmengen bei Kundenreklamationen

2. Maschinen- und Werkzeugschäden lassen sich vollständig zurück verfolgen

3. Schleichende Veränderungen von Produktionsbedingungen werden nachweisbar

4. Hilfmittel bei der Erstbemusterung von Werkzeugen

5. Dokumentation von Maschinenzuständen und Messwerten gemäß IATF 16949

Industrietaugliche und praxisnahe Lösungen

Die in der Stanz- und Umformtechnik seit vielen Jahren eingesetzten Prozessüberwachungssysteme entwickeln sich als Datenlieferant durch die Vernetzung immer mehr zum Drehkreuz für Datenströme der Industrie 4.0. Neben der Prozessüberwachung über Kraftsensoren setzen die 4.0 Anwendungen auf die Auswertung von weiteren Sensoren wie Temperatur, Durchfluss, Motorstrom, Schwingung etc., was sich unter dem Begriff Condition Monitoring zusammenfassen lässt.

Wichtig ist, dass keine Insellösungen mit proprietärer Anwendungssoftware geschaffen werden, die später im gefürchteten Datenfriedhof enden. Alle erfassten Daten können bei Bedarf über industrielle M2M-Kommunikationsprotokolle wie OPC-UA von jeder beliebigen Business-Software abgerufen und weiterverarbeitet werden. Für Unternehmen, welche diese Datenströme alleine nicht sinnvoll weiterverarbeiten können und somit auch keinen Nutzen daraus ziehen können, stehen praxisnahe IT-Lösungen wie das Prozess Tracking Office und der Alarmmanager zur Verfügung.

Durch die Zusammenarbeit von Spezialisten aus der Produktion der Umformbetriebe mit Experten aus dem Bereich Prozessüberwachung/Netzwerktechnik wird sichergestellt, dass industrietaugliche und praxisnahe Lösungen zustande kommen, die sich wirtschaftlich rechnen.

Fachbuch „Industrie 4.0“Das Fachbuch „Industrie 4.0: Potenziale erkennen und umsetzen" bietet Professionals einen umfassenden Einblick in die Digitalisierung von Fertigung und Produktion. Dabei liegt das Hauptaugenmerk der Beiträge nicht nur auf dem Potenzial, sondern auch auf der konkreten Umsetzung der Industrie 4.0-Anwendungen.

Schwer + Kopka auf der Euroblech 2018: Halle 27, Stand J82

Weitere Meldungen zur Euroblech finden Sie in unserem Special.

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