Schneller Einstieg in Industrie 4.0: Prozessdaten an der Stromleitung erfassen

Um die Prozesse im Shop-Floor zu optimieren und ihre Produktivität zu steigern, kommt die Fertigungsindustrie nicht darum herum, den gesamten Maschinenpark, egal wie alt die Anlagen sind und von welchem Hersteller sie stammen, digital zu vernetzen. Die innovative Cloud-Anwendung FactorE.OS, die eigenständig oder in Kombination mit einem MES oder einer Smart-Factory-Lösung eingesetzt werden kann, macht dies nun möglich. Sie gewinnt durch permanente Messung an der Stromzuleitung Daten zu Leistung, Zustand, Auslastung und zum Energieverbrauch aus jeder Fabrikationsanlage, ob diese über eine IT-Schnittstelle verfügt oder nicht. Dank intelligenter Mustererkennung und mit moderner Machine-Learning-Technologie ermittelt und analysiert FactorE.OS Kennzahlen in Echtzeit und leitet daraus automatisch Handlungsempfehlungen ab.

Plattling, December 14, 2017

Strategy&, ein Unternehmen von PwC, prognostiziert, dass Fertigungsunternehmen in Deutschland dank Industrie 4.0 ihre Produktivität pro Jahr im Schnitt um 3,3 Prozent gesteigert und die Kosten um 2,6 Prozent senken könnten, etwa durch die Optimierung des Energieverbrauchs der Fabrikationsanlagen. In der deutschen Fertigungsindustrie herrscht jedoch noch großer Nachholbedarf in Bezug auf die Digitalisierung und Vernetzung der Produktionsprozesse. Lediglich vier Prozent aller Unternehmen führen ein digitales Transformationsprojekt durch oder befinden sich wenigstens in der Planungsphase dafür, so das Ergebnis einer Umfrage des Zentrums für Europäische Wirtschaftsforschung (ZEW) unter 4.500 Unternehmen in Deutschland.

 

Stiefkind Digitalisierung von Maschinen

Das ist unter anderem der Tatsache geschuldet, dass die Maschinenparks meist sehr heterogen sind. Sie sind über viele Jahre hinweg gewachsen und setzen sich aus Anlagen verschiedenster Hersteller und unterschiedlichsten Alters zusammen. Die älteren Maschinen verfügen in der Regel nicht über eine IT-Schnittstelle und sind daher nicht für Industrie 4.0 geeignet. Allein im Bereich der Werkzeugmaschinen sind europaweit rund 2,8 Millionen solcher Anlagen in Betrieb, ihnen stehen lediglich 700.000 gegenüber, die mit entsprechenden, meist herstellerspezifischen Kommunikationsschnittstellen ausgestattet sind, wie die EU-Kommission in einer Studie ermittelte . Die digitale Vernetzung der nicht Industrie-4.0-fähigen Maschinen kommt nur schleppend in Gang. Um eine solche Anlage mit einem Manufacturing Execution System (MES) oder eine Smart-Factory-Lösung zu verknüpfen, muss sie nämlich nachträglich mit Signalgebern und einer digitalen I/O-Schnittstelle ausgestattet werden – unter nicht unerheblichem Aufwand und hohen Kosten. Auch das Freischalten der IT-Schnittstellen in modernen Maschinen durch den jeweiligen Hersteller schlägt gehörig zu Buche. Wie eine Umfrage von Bitkom Research belegt, stellen diese Kosten für knapp drei Viertel der Unternehmen die größte Barriere für den Einsatz von Industrie-4.0-Anwendungen in der Produktion dar.

 

Produktions-KPIs an Stromzuleitung gewinnen

Das A und O für Fertigungsunternehmen und besonders den industriellen Mittelstand besteht also darin, einen schnellen, einfachen und kostengünstigen Einstieg in Industrie 4.0 und das Internet of Things (IoT) zu finden. Genau hier setzt die T.CON GmbH & Co. KG durch ihre strategische Partnerschaft mit der Factor-E Analytics GmbH (FACTOR.E) an. Mit FactorE.OS hat die Berliner IT-Firma eine innovative, skalierbare Cloud-Anwendung auf den Markt gebracht, mit der sich die Anlagen unterschiedlichster Hersteller und verschiedensten Alters auf unkomplizierte Weise digital vernetzen lassen, egal ob sie über Netzwerkkonnektivität verfügen und kommunikationsfähig sind oder nicht. T.CON bindet die cloudbasierte Industrie-4.0-Lösung in das eigene Lösungsportfolio ein und übernimmt sowohl den Vertrieb als auch Einführung und Support. Das Neuartige an dem Konzept ist, dass FactorE.OS die Prozessdaten zur Leistung, zum Zustand, zur Auslastung oder zum Ressourcenverbrauch – Strom, Druckluft, Wärme – einer Anlage direkt an der Stromzuleitung erfasst. Die Installation der Hardware zur kontinuierlichen und präzisen Messung dieser Leistungsdaten ist schnell erledigt, sie dauert lediglich 30 bis 60 Minuten pro Maschine. Um Interferenzen und Geräusche zu isolieren, werden die erfassten Rohdaten gefiltert, aggregiert und dann verschlüsselt mithilfe moderner, sicherer IoT-Protokolle wie AMQP oder MQTT in die Cloud übertragen – per Wi-Fi, 3G, 4G oder über Ethernet-basierte industrielle Netzwerke.

 

Echtzeitanalysen mit Machine Learning

Die Factor-E-Cloud verarbeitet die Daten, die ununterbrochen einströmen, in Echtzeit und ermittelt daraus durch eine intelligente Mustererkennung die nötigen Produktionskennzahlen: Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness = OEE), Auslastung, Ausbringungsmenge, aber auch den Energieverbrauch. Auch der Betriebszustand angeschlossener Aggregate lässt sich aus diesen Informationen ableiten, wobei die Lösung „out of the box“ den jeweiligen Maschinenzustand erkennt und klassifiziert, ohne dass Algorithmen dafür eigens trainiert werden müssen. Über selbstlernende Machine-Learning-Algorithmen werden all diese Informationen sinnvoll korreliert und „on the fly“ analysiert, und die Ergebnisse werden in bedienerfreundlichen Dashboards übersichtlich auf der gewünschten Hierarchieebene – Werk, Produktionslinie, Maschine – visualisiert. Da die Istwerte außerdem kontinuierlich gegen Zielwerte abgeglichen werden, fallen Abweichungen sofort auf, sodass umgehend reagiert werden kann. Die aktuellen OEE-Werte, also Verfügbarkeit, Leistung und Qualität, werden auf allen Hierarchieebenen aggregiert dargestellt und der durchschnittlichen Langzeit-OEE gegenübergestellt. Die Zielwerte für OEE, Energieverbrauch oder produzierte Stückzahlen stammen entweder aus einem IT-System – MES oder ERP –, oder sie werden in FactorE.OS manuell eingegeben beziehungsweise von der Software automatisch festgelegt. Die Möglichkeit, Dateneingaben „klassisch“ per Hand vorzunehmen, bleibt nach wie vor bestehen. Die manuelle Eingabe ist dort erforderlich, wo es nicht möglich ist, die Daten automatisch zu erfassen und zu verarbeiten. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn eine Maschine wegen Pause, Auftragsmangel oder Reinigung angehalten wird, oder wenn das maschinelle Lernen an technische Grenzen stößt wie bei Vorkommnissen, für die sich kein Muster bilden lassen.

 

Alarme geben Handlungsempfehlungen

Die innovative Cloud-Anwendung geht aber noch einen entscheidenden Schritt weiter: Tritt ein Problem auf oder weichen Ist- und Zielwerte signifikant voneinander ab, leiten die Machine-Learning-Algorithmen daraus für den Werker entsprechende Handlungsempfehlungen ab. In Form einer Benachrichtigung oder eines Alarms wird ihm dann angezeigt, dass ein Eingriff nötig ist und wie er reagieren soll. Macht die Anwendung Reparaturbedarf bei einem Werkzeug wegen eines erhöhten Ausfallrisikos aus, wird sie empfehlen, das Werkzeug umgehend auszutauschen (Predictive Maintenance). Befindet sich eine Maschine länger im Leerlauf als üblich, wird FactorE.OS möglicherweise zu einem Wechsel des CNC-Programms raten. Dem Werker wird auch angezeigt, wann er den nächsten Fertigungsauftrag in die Maschine laden kann. Dazu benötigt die Cloud-Lösung lediglich die Auftragsnummer und die Sollstückzahl aus dem MES beziehungsweise dem ERP-System, die sie laufend mit den gefertigten Stückzahlen aus dem aktuellen Produktionslauf abgleicht.

 

Produktivität rauf, Energieverbrauch runter

Auch ein hocheffizientes Energiedatenmanagement – eine Grundvoraussetzung, um die Produktivität des gesamten Maschinenparks zu steigern – kann auf diese Weise etabliert werden. Weicht der Ist-Verbrauch von den voreingestellten Sollwerten deutlich ab, zeigt die Lösung dies ebenso wie die die Kosten für Qualitätseinbußen, die durch den zu hohen Stromverbrauch entstehen können, sofort an, und macht gleichzeitig entsprechende Vorschläge zur Optimierung des Energieverbrauchs. Diese Vorzüge von FactorE.OS sind es, die produzierenden Unternehmen jeder Größe und aller Art einen echten Mehrwert bei der Optimierung der Prozesse in der Produktion über den gesamten Maschinenpark hinweg bieten. In der Praxis bedeutet das: Kunden, die die Cloud-Lösung nutzen, profitieren von einer im höheren Produktivität in der Fertigung, einem geringeren Stromverbrauch und, dank Predictive Maintenance, von einer Reduzierung der Kosten durch Maschinenausfälle.

 

Mehrwert durch Verknüpfung mit MES und ERP

Der geschäftliche Nutzen steigt noch weiter, wenn die in Echtzeit erfassten KPIs in ein MES bzw. in eine Smart-Factory-Lösung oder in ein ERP-System wie SAP ERP eingebunden werden und dort mit weiteren produktionsrelevanten Daten in Beziehung gesetzt werden. Mit dieser Verknüpfung kann eine umfassende Transparenz erzielt werden, die eine weitere Optimierung der Prozesse in der Fertigung ermöglicht – ein echter Mehrwert. Zum Beispiel lässt sich dann genau nachvollziehen, ob die in den SAP-Arbeitsplänen berechneten Zeiten etwa für das Auf- und Abrüsten oder für den Personaleinsatz korrekt sind. Durch die Analyse von Energiedaten, die in die ERP-Prozesse integriert werden, kann für jedes einzelne Produkt aufgeschlüsselt werden, welche Fertigungsläufe besonders energieeffizient waren. Auf Basis der Verbrauchswerte aus den Anlagen und der im ERP-System hinterlegten Energiepreise kann das Controlling zudem eine exakte Energiekostenplanung durchführen.

 

Flexibel auf mehreren Cloud-Plattformen einsetzbar

Die Verknüpfung der cloudbasierten Industrie-4.0-Lösung FactorE.OS mit einem MES oder ERP-System, egal ob on Premise oder in der Cloud, erfolgt über REST-APIs, die auch für den reibungslosen bidirektionalen Datenaustausch zwischen den Anwendungen sorgen. FactorE.OS lässt sich äußerst flexibel einsetzen, da die Anwendung nicht an eine bestimmte Cloud-Plattform gebunden ist. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt läuft sie in der Microsoft Azure-Cloud, sie kann aber auch problemlos auf Amazon Web Services (AWS), SAP Cloud Platform oder in einer Private-Cloud beim Kunden betrieben werden. In absehbarer Zeit wird FactorE.OS auch auf Siemens MindSphere als Anwendungsplattform und als Platform-as-a-Service-Angebot zur Verfügung stehen. Die Lösung wird darüber hinaus in Bezug auf Konfigurierbarkeit und Flexibilität ständig verbessert sowie erweitert, etwa durch zusätzliche Funktionen für die prädiktive Instandhaltungs-Toolbox oder die Entwicklung neuer Smart-Grid-Applikationen.

FactorE.OS bietet produzierenden Unternehmen eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, sämtliche Anlagen eines heterogenen Maschinenparks im Sinne von Industrie 4.0 digital zu vernetzen und so das Optimierungspotenzial in der Produktion bestmöglich auszuschöpfen.
Thomas Blöchl, Leiter Geschäftsbereich MES und Mitglied der Geschäftsführung,
T.CON GmbH & Co. KG


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Norbert Kytka, Headquarters Plattling

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