Industrie 4.0 Industrie 4.0: Vom Schlagwort zu Lösungen

Autor Stefanie Michel

Industrie 4.0 setzt Vernetzung und Kommunikation zwischen Komponenten, Maschinen und dem Menschen voraus. Das erzeugt riesige Datenmengen, die nicht per se einen Mehrwert bieten. ABB zeigt, welche datenbasierten Lösungen für den Kunden bereits vorhanden sind und wie sie die Maschinenbedienung erleichtern.

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Die „Smart Sensing“-Lösung erlaubt die Ferndiagnose (Remote-Condition-Monitoring) von Niederspannungs-Elektromotoren durch das „Internet of Things, Services and People“. Ein smarter Sensor ermittelt Werte wie Temperatur oder Vibration und überträgt sie an einen sicheren Cloud-basierten Server. Software analysiert die Daten und gibt den Kunden Empfehlungen für eine individuelle vorausschauende Wartung. Der smarte Sensor hilft so, die Stillstandzeiten um bis zu 70 % zu verkürzen, die Motorlebensdauer um bis zu 30 % zu verlängern und die Energieeffizienz um bis zu 10 % zu erhöhen.
Die „Smart Sensing“-Lösung erlaubt die Ferndiagnose (Remote-Condition-Monitoring) von Niederspannungs-Elektromotoren durch das „Internet of Things, Services and People“. Ein smarter Sensor ermittelt Werte wie Temperatur oder Vibration und überträgt sie an einen sicheren Cloud-basierten Server. Software analysiert die Daten und gibt den Kunden Empfehlungen für eine individuelle vorausschauende Wartung. Der smarte Sensor hilft so, die Stillstandzeiten um bis zu 70 % zu verkürzen, die Motorlebensdauer um bis zu 30 % zu verlängern und die Energieeffizienz um bis zu 10 % zu erhöhen.
(Bild: ABB)

Die stetig fortschreitende Digitalisierung verändert sowohl die Gesellschaft als auch die Wirtschaft, was nach und nach zu großen Veränderungen führt und weiterhin führen wird. Man denke im privaten Bereich nur an das Smartphone und die Nutzung von Apps: vor neun Jahren noch nicht vorhanden und heute eine nahezu flächendeckende Marktdurchdringung. Solche Entwicklungen beeinflussen natürlich auch die Industrie. Zu den wichtigsten Triebkräften gehören die Verfügbarkeit von Daten, die allgegenwärtige Konnektivität zwischen Maschine und Mensch sowie das exponentielle Wachstum der Rechenleistung.

Gedanken zur Digitalisierung gehen über Industrie 4.0 hinaus

Schon seit der ersten Erwähnung der vierten industriellen Revolution auf der Hannover Messe 2011 ist ABB in unterschiedlicher Weise aktiv an den Entwicklungen in diesem Umfeld beteiligt. Das reicht von der Präsenz in wichtigen Lenkungskreisen im Umfeld der Plattform „Industrie 4.0“ und in den Initiativen der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (Acatech) über die Mitarbeit in vielen Arbeitsgruppen zur Entwicklung der Grundkonzepte und Architekturmodelle für die vierte industrielle Revolution bis zur aktiven Unterstützung regionaler Initiativen. Durch die Mitwirkung im Industrial Internet Consortium (IIC) in den USA gestaltet ABB darüber hinaus die IT-Umgebung für das Internet der Dinge (IoT) – bei ABB Internet of Things, Services and People (IoTSP) genannt – maßgeblich mit. Daran ist bereits zu erkennen, dass der Gedanke weiter geht als Industrie 4.0: Es geht um „Dinge“, wie beispielsweise den kollaborativen Roboter Yumi, aber auch um datenbasierte Dienstleistungen und den Menschen, der in dieser digitalen Umgebung arbeiten und leben wird.

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Ladenburg als Zentrum für Forschung im Bereich Softwaretechnologien

Innovationen sind essenziell für den Geschäftserfolg von Unternehmen wie ABB. Deshalb investierte der Technologiekonzern im Geschäftsjahr 2015 über 1,5 Mrd. US-Dollar in Forschung und Entwicklung (F&E). In diesem Bereich sind weltweit 8200 Mitarbeiter beschäftigt, 700 davon in der Konzernforschung.

Dr. Jan-Henning Fabian, Leiter des ABB-Forschungszentrums Deutschland in Ladenburg.
Dr. Jan-Henning Fabian, Leiter des ABB-Forschungszentrums Deutschland in Ladenburg.
( Bild: Stefanie Michel )

Das deutsche ABB-Forschungszentrum in Ladenburg ist als eines von sieben Forschungszentren des Konzerns Lead Center für Forschung im Bereich Softwaretechnologien und -Applikationen. So arbeiten 100 Mitarbeiter an Innovationsprojekten und sie erarbeiten etwa ein Drittel aller Erfindungen von ABB in Deutschland sowie mehr als 100 wissenschaftliche Veröffentlichungen pro Jahr.

Das einzigartige universitäre Umfeld in Deutschland und speziell in der Region (beispielsweise mit der TU Darmstadt oder dem Karlsruher Institut für Technologie) ermöglicht es, in den Projekten mit mehr als 30 Universitäten zusammen zu arbeiten und so die Erkenntnisse der Grundlagenforschung zu Innovationen in der Industrie zu überführen. Das wichtigste Schwerpunktthema des deutschen Forschungszentrums ist das „Internet of Things, Services and People“ (IoTSP). Damit eng verbunden sind die beiden Schwerpunkthemen Datenanalyse für Industrieanwendungen und software-basierte Dienste sowie neue Formen der Mensch-Maschine Zusammenarbeit, beispielsweise zwischen Werkern und Robotern an gemischten Arbeitsplätzen.

Basis des Konzepts von Internet 4.0 ist es, alle Dinge, also physische Objekte, im industriellen Umfeld miteinander zu vernetzen. Eine große Datenmenge aus Zustandsdaten und 3D-Modellen ist die Folge, die in einer Cloud-Infrastruktur zusammengeführt werden. Die Datenmenge alleine stellt zunächst für niemanden einen Mehrwert dar. Dafür bedarf es einer problemorientierten Auswertung, die dem Anbieter auch neue Geschäftsmodelle eröffnen kann.

Anhand von Datenanalyse Kundenprobleme lösen

ABB verfolgt den Ansatz, mit dem Kunden zusammen zuerst mögliche Probleme zu identifizieren, dann zu untersuchen ob, zur Lösung der Probleme bereits genügend Daten vorliegen, um schließlich durch die Kopplung des Domänenwissens mit dem Analysenwissen eine wertschöpfende Lösung zu entwickeln. Es muss immer klar sein: Datenbasierte Dienste müssen dem Kunden einen Mehrwert bieten. Und dies alles funktioniert nur mit entsprechender Software. Dr. Martin Krüger, Projektleiter Data Analytics bei ABB: „Die Software wird immer mehr zum Faktor der Differenzierung; die Hardware ist dann Standard.“

Konkrete Beispiele für erste Umsetzungen gibt es bereits, wie Connected Services für Roboter oder den Smart Sensor für Niederspannungsmotoren. Auch die vernetzbare Geräte, internetbasierte Dienste oder eine Cloud sind bereits verfügbar. Aber auch ABB steht vor Hürden und neuen Aufgaben: dazu gehören standardisiere Schnittstellen, einfache Konfigurierbarkeit für „Plug & Produce“ sowie Dienstleistungen rund um die Datenanalyse. Herausforderungen in der Automatisierung sind zudem die Steuerung der Datenflüsse (wer erhält welche Daten?), die Verhinderung von Insellösungen durch Standardisierung, die Sicheurng Stabilität des Produktionssystems und natürlich alle Fragen zur Security.

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Connected Services für Roboter

Remote Service und Dienstleistungen zur Ferndiagnose und zustandsbasieren Fernwartung von Robotern bietet ABB bereits seit 2007 an. Deren Weiterentwicklung sind Connected Services und tragen der Tatsache Rechnung, dass immer mehr „Dinge“ und „Services“ in das IoTSP-Ökosystem integriert werden. Am Roboter werden dabei Daten vorhandener Sensoren, beispielsweise Motorströme, erfasst und an einen ABB-Server übertragen. Darauf basierend kann der Zustand des einzelnen Roboters analysiert und Warnungen vor zu erwartenden Fehlern, beispielsweise durch Verschleiß, generiert werden. Darüber hinaus kann der Kunde über die Webseite My-Robot einen Überblick über seine gesamte installierte Roboterflotte gewinnen und wertvolle Informationen zu den jeweils eingesetzten Robotern bis hin zu Berichten über vorbeugende Instandhaltung und durchgeführte Serviceeinsätze jederzeit und von überall abrufen.

Durch diese Lösungen lassen sich die mittlere störungsfreie Betriebszeit (MTBF) und die mittlere Betriebszeit bis zum Ausfall (MTTF) von Robotern und deren Komponenten verlängern. Die durchschnittlichen Reparaturzeiten sowie die durch Wartungsaktivitäten anfallenden Kosten werden reduziert. Die vorhandene Infrastruktur bietet nun die Möglichkeit, auf Basis der Flottendaten weitere wertschöpfende datenbasierte Dienste zu implementieren, beispielsweise zum Flottenmanagement, zur Verschleißvorhersage (Predictive Maintenance) oder zur Produktionsoptimierung. Daran wird aktueller im ABB-Forschungszentrum Ladenburg gearbeitet.

Erweitertes Remote Condition Monitoring für Niederspannungsmotoren

ABB hat einen intelligenten, kostengünstigen Sensor für Niederspannungsmotoren entwickelt, der einfach ohne Verdrahtung an beliebigen vorhandenen Motoren angebracht werden kann. Der Sensor misst regelmäßig wichtige Motorzustandsparameter wie beispielsweise Temperatur oder Vibration. Über eine integrierte Kommunikationsschnittstelle überträgt er die Daten drahtlos auf ein Smartphone oder Tablet, mit dem Kunden jederzeit den Zustand einzelner Motoren überprüfen können und auch benachrichtigt werden, wenn eine Anomalie erkannt wurde. Die speziell entwickelte Software zur Datenanalyse basiert auf der Erfahrung und dem Know-how von ABB in der Motortechnologie. Über ein Gateway können die Daten einer großen Anzahl von Motoren gesammelt, an einen Cloud-basierten, Server übertragen und dort analysiert werden.

Erstmals werden dadurch eine Fernüberwachung einer großen Anzahl von Niederspannungsmotoren und ein darauf basierendes Flottenmanagement möglich. Sowohl neue ABB-Motoren als auch in einer Anlage bereits installierte Motoren können – unabhängig von ihrem Alter – in die vorausschauende Instandhaltung einbezogen werden. Die Wertschöpfung für den Kunden soll sich aus verringerten Motorstillstandszeiten, verlängerter Motorlebensdauer und reduziertem Energieverbrauch ergeben.

Intelligentes Alarm Management für Leitsysteme in der Prozessindustrie

Beim Betrieb von Anlagen der Prozessindustrie entsteht im Leitsystem täglich eine sehr große Zahl von Alarmen, die von dem eingesetzten lokalen Alarmmanagementsystem interpretiert und dem Anlagenfahrer präsentiert werden. Dabei erhalten Anlagenfahrer teilweise sehr viele Alarme auf einmal und müssen innerhalb kürzester Zeit den Alarm bewerten und etwaige Gegenmaßnahmen ergreifen. Die Güte des Alarmmanagement kann dabei zwischen unterschiedlichen Anlagen desselben Betreibers variieren.

Mithilfe eines Cloud-basierten Systems zur zentralen Aufnahme, Speicherung und Analyse einer großen Anzahl von Anlagen wurde in der ABB Forschung ein zentrales, intelligentes Alarmmanagement-System entwickelt. Aus den Daten werden KPI-Berechnungen durchgeführt, die für das Benchmark zwischen Anlagen verwendet werden können und Best Practices zum Alarm Management identifiziert und ausgerollt werden können. Das System ermöglicht die Darstellung in einem web-basierten Dashboard für die Analyse aller Anlagen auf einen Blick. Big-Data-Analysen der Alarmhistorie, unter anderem durch „Machine Learning“, werden dabei eingesetzt, um Alarmfluten und deren Muster zu identifizieren. Die Ergebnisse der Analysen können dann im lokalen System eingespielt werden, und reduzieren dort die Alarmlast auf den Anlagenfahrer. So können Prozessanlagen sicherer und effizienter betrieben werden.

Virtuelles Abbild der Leitwarte an jedem beliebigen Ort

Große Anlagen der Prozessindustrie wie Chemieanlagen, Raffinerien oder Papierfabriken werden heute durch Prozessleitsysteme gesteuert und überwacht. Alle Informationen über die Anlage und die Prozesse laufen in einer Leitwarte zusammen und werden dort auf mehreren großen Bildschirmen in vielfältiger Weise den Anlagenfahrern angezeigt, die mit diesen Informationen aus der Warte das Leitsystem bedienen. In Ausnahmefällen, zum Beispiel bei Alarmzuständen, müssen oft zusätzliche Experten herangezogen werden, die normalerweise nicht in der Leitwarte vor Ort sind.

Die heute verfügbaren mobilen Computer wie Tablet-PCs und moderne Visualisierungsgeräte wie 3D-Datenbrillen ermöglichen es jedoch, dem Experten ein virtuelles Abbild der Leitwarte an jedem beliebigen Ort mit Internetzugang zur Verfügung zu stellen, sodass er die gleiche Sicht und Bedienmöglichkeit des Leitsystems hat wie der Anlagenfahrer in der Warte und diesem unverzüglich zu Hilfe kommen kann. ABB hat diese innovative Bedienmöglichkeit für ihr Leitsystem 800xA prototypenhaft in der Forschung realisiert.

All diese auf Daten basierenden Dienste, die Unternehmen ihren Kunden zur Verfügung stellen können, sind nur mit Data Analytics möglich – also der Verarbeitung riesiger Datenmengen. Dafür greifen Data Scientists auf die relevanten Daten aus unterschiedlichsten Quellen zu und nutzen spezielle Algorithmen, um den Kunden sinnvolle Dienste bereitzustellen. Doch auch wenn nun der Eindruck besteht, dass der Anteil an Softwareentwicklung in einem Unternehmen wie ABB kontinuierlich steigt, so bleibt das physische Objekt immer noch die Basis der Wertschöpfung. Krüger: „Gibt es das Gerät nicht mehr, sind auch unsere Services sinnlos.“

ABB auf der SPS IPC Drives 2016: Halle 4, Stand 420

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