Digitalisierung Wie Industrie 4.0 der Kaltmassivumformung nützt

Autor Stéphane Itasse

Noch zögern viele Unternehmen bei der Einführung von Industrie 4.0. Doch auf dem 33. Jahrestreffen der Kaltmassivumformer zeigten Referenten, dass einerseits schon einige Schritte getan sind und dass andererseits manche Vorhaben weniger kompliziert sind als befürchtet.

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Für den Einstieg in Industrie 4.0 lassen sich bereits vorhandene Systeme nutzen, beispielsweise ein MES.
Für den Einstieg in Industrie 4.0 lassen sich bereits vorhandene Systeme nutzen, beispielsweise ein MES.
(Bild: Kuhn)

Industrie 4.0 ist gar nicht so kompliziert, folgt man dem Vorschlag von Ralf Renz, Spartenleiter Umformtechnik bei Schwer + Kopka, auf der Kaltmassivumformer-Konferenz. „Im Kern geht es darum, Produktionsdaten automatisch zu erfassen und an die richtige Stelle weiterzuleiten, sodass die richtigen Entscheidungen getroffen werden können – durch den Menschen oder ein IT-System“, sagte er. Doch obwohl fast alle Unternehmen die Dringlichkeit von Industrie 4.0 erkannt hätten, würden heute nur wenige einen produktiven Nutzen daraus ziehen. Dafür machte Renz mehrere Gründe aus: Vor allem hätten die Unternehmen keine Vorlagen, wie mit den Daten umzugehen sei, und es fehle an Mitarbeitern mit den richtigen Qualifikationen. Im Ergebnis würden viele aus Angst vor einem Datenfriedhof mit der Umsetzung von Industrie 4.0 zögern.

Industrie-4.0-Anwendungen sind bereits im MES enthalten

Doch viele Industrie-4.0-Anwendungen sind bereits im MES von Schwer + Kopka enthalten, wie der Spartenleiter weiter erläuterte. Damit lassen sich vorhandene Systeme zur Prozesüberwachung nutzen, technische und wirtschaftliche Produktionsdaten automatisch erfassen und aufbereiten sowie der Maschinenbediener, die Instandhaltung oder Manager durch einen Alarmmanager bei Bedarf informieren.

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In der Umformtechnik gehören Prozessüberwachungssysteme bereits seit vielen Jahren zum Stand der Technik. „Diese lassen sich als Drehkreuz für Datenströme nutzen“, erläuterte Renz. Die Systeme haben sich zudem in den vergangenen Jahren stark weiterentwickelt, neben der Prozessüberwachung können sie neue Aufgaben wie Steuerung und Regelung übernehmen. Auch Sensoren, Maschinensteuerung und Business-Software können angeschlossen werden.

Verlinkung von Prozessüberwachung und Maschinensteuerung

In seinem Vortrag präsentierte Renz gleich drei Praxisbeispiele für Industrie-4.0-Anwendungen. Im ersten Fall realisierte Schwer + Kopka eine Verlinkung zwischen Überwachungssystem und Maschinensteuerung. In diesem Beispiel konnten Daten direkt über OPC aus der Maschinensteuerung in die Prozessüberwachung eingespielt werden. Dadurch war es möglich, doppelte Eingaben durch Maschinenbediener in Terminal und Prozessüberwachungssystem einzusparen. Außerdem lassen sich auch Maschinenstörungen direkt an das Überwachungssystem übermitteln. „Das Überwachungssystem kann dem MES oder jeder anderen Business-Software mitteilen, wo das Problem gerade liegt. Das spart Zeit, weil der Mitarbeiter nicht mehr an die Maschine kommen muss, und es werden Fehleinschätzungen durch Bediener vermieden“, sagte Renz.

Im zweiten Fall ging es um Maschinenschutz beim Kuppen. Bei diesem Prozess entstehen sehr heiße Späne, die unbemerkt einen Brand auslösen können – und der wiederum kann die Maschine zerstören. Deshalb wird jetzt die Maschine über das Condition Monitoring abgeschaltet, wenn die Temperatur im Spänebehälter über einen festgelegten Grenzwert steigt.

Im dritten Anwendungsfall kam Schwer + Kopka dem Energiefresser Druckluft auf die Spur. Mithilfe von Sensoren innerhalb des Druckluftsystems konnten die Leckageverluste im Energiemanagementsystem ermittelt werden. „Optimierungen sparen hier bis zu 30 % der Energiekosten“, bilanzierte Renz.

Für Unternehmen, die solche Datenströme noch nicht sinnvoll weiterverarbeiten können, bietet Schwer + Kopka zudem IT-Anwendungen wie das Prozess Tracking Office oder den Alarmmanager an. Ersteres unterstützt tiefgreifendere Prozessanalysen und hilft, Zusammenhänge in der Fertigung besser zu verstehen und zu optimieren.

Prozessüberwachungssysteme können immer mehr

Genauer auf die Prozessüberwachungssysteme ging Joachim Krüger, Vertriebsleiter Umformtechnik bei der Marposs Monitoring Solutions GmbH, ein. Diese sind in den vergangenen Jahren leistungsfähiger geworden und können über Sensoren immer mehr Informationen aus dem Umformprozess gewinnen, um Prozessstörungen und Qualitätsabweichungen sichtbar zu machen. Heute ist es sogar möglich, diese Informationen als Eingangsgrößen für automatische Regelungssysteme zu nutzen – aus dem Prozessüberwachungssystem wird eine Automatisierungskomponente, die auch Industrie 4.0 im Sinne der Selbstoptimierung von Fertigungssystemen unterstützt.

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Ein Beispiel zeigte Krüger aus dem Flachbackenwalzen von Schraubengewinden. Hier sind Prozessüberwachungssysteme heute Standard. Der Nutzen dieser Systeme steigt, wenn ihre Daten dazu verwendet werden, um die Grundeinstellungen der Werkzeuge während der Produktion zu überprüfen und gegebenenfalls nachzujustieren. „Maschinen des Herstellers EW-Menn können bei laufender Produktion die Spurlage der Backen verändern. Dadurch verbessert sich die Teilequalität und es gibt weniger Werkzeugverschleiß“, berichtete Krüger.

Simulation erlaubt Prozessüberwachung ab Losgröße Eins

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Prozessüberwachung mit einer FEM-Simulation zu koppeln. Mit der Simulationssoftware lassen sich bereits vor dem Produktionsstart die Umformsequenz, die Hübe oder die Werkzeuge optimieren und die Umformkräfte vorhersagen. In der Produktion lassen sich diese Simulationsdaten dann nutzen, um Überlast oder Prozessfehler zu erkennen oder um die Daten einer unbemannten Produktion auszuwerten.

In einem zweiten Schritt kann die Simulationssoftware Hüllkurven für die Prozessüberwachung errechnen. Das Prozessüberwachungssystem kann dann die Produktion ohne vorherige Lernphase kontrollieren und ist damit ab Losgröße eins funktionsfähig.

Noch einen Schritt mehr in Richtung Industrie 4.0 geht Marposs mit dem Konzept Factorynet 4.0. Dazu werden die MDE-, BDE- und Auftragsdaten mit den Prozessdaten kombiniert, also den Betriebsdaten, die die Sensoren in den Maschinen erfassen. Damit stehen die Produktinformation, die Prozesssignale jeden Hubes und die Überwachungsgrenzen zum Fertigungszeitpunkt im Factorynet zur Verfügung. Ausgewertet werden können sowohl die aktuellen Daten als auch die Historie. „Ein Spezialist kann die Daten auswerten und vergleichen. Zum Beispiel kann er sagen, wie die Maschine in der Nachtschicht gelaufen ist“, erläuterte Krüger. Mit diesem System will Marposs nach seinen Worten die wichtigsten Parameter in der Prozessüberwachung zur Verfügung stellen, ohne dass es für den Auswerter eine Datenflut gibt. Die Dokumentation der Prozessstörungen ergibt zusammen mit den Stoppgründen für jede Anlage eine vollständige Übersicht über das Laufzeitverhalten der Maschinen. „Damit lassen sich zum Beispiel Reklamationen auch noch nach Monaten zurückverfolgen“, sagte der Vertriebsleiter.

In Langzeitanalysen lässt sich zudem feststellen, wo es Fehlerschwerpunkte und Produktivitätsverluste gibt, wie sich die Produktionsbedingungen verändern und – im Sinne des Condition Monitoring – was bei der Instandhaltung notwendig ist. Krüger erwartet zudem, dass Factorynet 4.0 weitere Applikationen hervorbringen wird, die die Auswertung von Prozessdaten vorantreiben werden. Vollständig auf die IT mag sich Krüger allerdings noch nicht verlassen. „Wir brauchen zum Beispiel bei den Hüllkurven den Menschen, der sagt, was das für ein Fehler ist. Dieses Wissen kann man dann hinterlegen“, sagte er.

Dezentrale Steuerungsmechanismen bewältigen die Komplexität

Auf die Rolle des Menschen in einer Industrie-4.0-Arbeitswelt ging auch Dr. Tim Jeske, Forscher am Institut für angewandte Arbeitswissenschaft Düsseldorf, ein. Seinen Beobachtungen nach bringt Industrie 4.0 auch eine neue Stufe der Komplexität in die Industrie. Mit Industrie 4.0 und Digitalisierung wird für ihn die Handhabung und Verarbeitung umfangreicher Informations- beziehungsweise Datenmengen ermöglicht. Damit lassen sich kundenspezifische Produkte und Dienstleistungen realisieren, auch die Herstellungs- oder Erbringungsprozesse werden produkt- oder dienstleistungsspezifisch und schließlich lassen sich die Arbeitsplätze mitarbeiterspezifisch gestalten. Auf der anderen Seite erlauben cyber-physische Systeme, also die Verbindung eingebetteter Systeme mit digitalen Netzen, die Beherrschung der Komplexität durch Modularisierung und dezentrale Steuerungsmechanismen.

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Was uns in Zukunft erwarten könnte, veranschaulichte Jeske an einem Beispiel aus dem Straßenverkehr: Oft regeln an großen Kreuzungen Ampeln, die über ein Verkehrsleitsystem verbunden sind, den Verkehr. Dafür sind komplexe Systeme erforderlich, die sowohl bei der Einführung als auch bei der Pflege einen hohen Aufwand verursachen. Kurzfristige Anpassungen sind nur schwer möglich und bei einer Störung, beispielsweise einem Pannenfahrzeug, sind die Auswirkungen meist unklar. Deshalb gehen viele Verkehrsplaner dazu über, Straßenkreuzungen durch einen Kreisverkehr zu ersetzen. Damit entfällt nicht nur ein zentrales Verkehrsleitsystem – auch die Komplexität wird reduziert, Entscheidungen werden zum Autofahrer verlagert und damit dezentral getroffen. Die Autofahrer sehen selbst, was passiert, und können ihr Verhalten kurzfristig anpassen. Damit werden Störeinflüsse selbstständig vom Gesamtsystem reguliert. Ähnlich könnte es auch in den Fabriken ablaufen, wie Jeske am Beispiel der Automobilindustrie erläuterte. Auch hier ist eine dezentrale und selbstorganisierende Produktionssteuerung möglich, cyber-physische Systeme können hochautomatisierte und manuelle Prozesse unterstützen beziehungsweise verbinden. „Wenn nicht jedes Fahrzeug eine Klimaanlage braucht, kann man einzelne Fahrzeuge an der entsprechenden Station vorbeischleusen“, veranschaulichte er die Möglichkeiten.

Digitalisierung muss Informationen an der richtigen Stelle verfügbar machen

„Damit das funktioniert, brauche ich viele Informationen“, sagte der Wissenschaftler weiter. Die Informationsflüsse sind zwar unübersichtlich, aber das ist das Wesen der Digitalisierung. „Im Kern geht es darum, die richtigen Informationen an der richtigen Stelle verfügbar zu machen“, sagte Jeske.

Zudem wollte Jeske Automatisierung nicht mit Digitalisierung gleichgesetzt sehen. „Es sind Tätigkeiten vorstellbar, die hoch digitalisiert aber wenig automatisiert sind, wenn zum Beispiel ein Handwerker Messdaten in einer Datenbrille angezeigt bekommt“, erläuterte der Wissenschaftler.

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