Wie kann eine exis­tie­ren­de Pro­duk­ti­ons­an­la­ge digi­ta­li­siert wer­den? Dies ist eine zen­tra­le Fra­ge zur ver­ti­ka­len Inte­gra­ti­on, die sich vie­le pro­du­zie­ren­de Unter­neh­men beim Nach­rüs­ten ihrer bestehen­den Brown­field-Anla­gen stel­len. Das Part­ner­kon­sor­ti­um der Smart­Fac­to­ryKL-Indus­trie 4.0-Produktionsanlage stellt ver­schie­de­ne Lösun­gen auf dem Gemein­schafts­stand von Smart­Fac­to­ryKL und dem Deut­schen For­schungs­zen­trum für Künst­li­che Intel­li­genz (DFKI) auf der Han­no­ver Mes­se in Hal­le 8, Stand D20 vom 24. bis 28. April 2018 aus.

Ver­schie­de­ne Edge Devices der Part­ner­un­ter­neh­men kom­men dabei zum Ein­satz: Tech­nisch unter­schied­lich auf­ge­baut, ist ihre Auf­ga­be jedoch die­sel­be: sie sam­meln Zustands­da­ten der Pro­duk­ti­ons­ma­schi­nen, die sie mit­tels stan­dar­di­sier­tem Kom­mu­ni­ka­ti­ons­pro­to­koll OPC UA über die bestehen­de Inte­gra­ti­ons­schicht an eine Cloud-Platt­form ver­ar­bei­tet wei­ter­lei­ten. Durch die smar­te Daten­aus­wer­tung kön­nen im Sin­ne des Con­di­ti­on Moni­to­ring (Zustands­über­wa­chung) Rück­schlüs­se auf den Zustand der Anla­ge gezo­gen und bei­spiels­wei­se War­tungs­ar­bei­ten bedarfs­ge­recht (Pre­dic­tive Main­ten­an­ce) ein­ge­lei­tet wer­den.

Die Industrie-4.0-Anlage des Smart­Fac­to­ryKL-Part­ner­kon­sor­ti­ums ist grund­sätz­lich für die ver­ti­ka­le Inte­gra­ti­on aus­ge­legt, was die­ses Jahr einen Schwer­punkt des Auf­tritts auf der Han­no­ver Mes­se dar­stellt. „Mit die­ser The­ma­tik adres­sie­ren wir gemein­sam mit unse­ren Part­nern aktu­el­le Fra­ge­stel­lun­gen der pro­du­zie­ren­den Indus­trie rund um die Wei­ter­ent­wick­lung und das smar­te Auf­rüs­ten von Brown­field-Anla­gen“, so Prof. Dr. Det­lef Zühl­ke, Vor­stands­vor­sit­zen­der der Smart­Fac­to­ryKL. Wur­den an der Anla­ge ver­schie­de­ne Zustän­de wie Ener­gie­ver­bräu­che bis­her in den extern ange­schlos­se­nen Infra­struk­tur-Boxen gemes­sen, so kön­nen jetzt Zustands­mes­sung und Daten­samm­lung in den Modu­len direkt erfol­gen. Der Ein­satz von Edge Devices macht dies mög­lich.

An der Industrie-4.0-Anlage sind meh­re­re Edge-Device-Lösun­gen ein­ge­baut. Dabei wird der her­stel­ler­über­grei­fen­de Ansatz, auf dem die Anla­ge basiert, bewahrt, denn diver­se Edge Devices ver­schie­de­ner Her­stel­ler kom­men zum Ein­satz. An der Schnitt­stel­le zur Steue­rung, dem „South-Bound Inter­face“, haben die Part­ner­un­ter­neh­men unter­schied­li­che tech­ni­sche Aus­füh­run­gen rea­li­siert. In allen Fäl­len sor­gen zusätz­lich imple­men­tier­te Sen­so­ren dafür, dass Zustands­da­ten wie Durch­fluss von Druck­luft bei pneu­ma­ti­schen Akto­ren, Ener­gie­ver­brauch von elek­tri­schen Ver­brau­chern oder Steue­rungs­da­ten gemes­sen wer­den. Allen Lösun­gen gemein ist jedoch, dass ihre IT-Schnitt­stel­le, das soge­nann­te „North-Bound Inter­face“, ein­heit­lich über OPC UA ange­bo­ten wird, dem vom Smart­Fac­to­ryKL-Part­ner­kon­sor­ti­um fest­ge­leg­ten Kom­mu­ni­ka­ti­ons­pro­to­koll. Über eine Umwand­lung an der Inte­gra­ti­ons­schicht wer­den die Daten sicher über das MQTT-Pro­to­koll an die Smart­Fac­to­ryKL-Cloud zur Ana­ly­se gesen­det, um den maxi­ma­len Mehr­wert dar­aus zu erzie­len.

Beispiel: Condition Monitoring am Wägemodul

Das Edge Device (unten rechts) liest die ver­schie­de­nen Zustands­da­ten, die der Sen­sor (Mit­te) erfasst, aus der Waa­ge aus, und fasst sie zu einer Zustands­mel­dung via OPC UA an die Cloud zusam­men. (Quel­le: Smart Fac­to­ry KL)

Ein Bei­spiel für den Ein­satz von Edge Devices fin­det sich am Wäge­mo­dul zur Qua­li­täts­si­che­rung. In die­sem Pro­duk­ti­ons­mo­dul wird der indi­vi­dua­li­sier­te Visi­ten­kar­ten­hal­ter gewo­gen, um somit einen Rück­schluss auf den kor­rek­ten Kom­po­nen­ten­um­fang zu zie­hen. Es han­delt sich hier um eine bestehen­de, älte­re Waa­ge, die weder Daten auf­zeich­net noch OPC-UA-fähig ist. Des­halb hat der Modul­her­stel­ler die bestehen­de Waa­ge mit einem Edge Device nach­ge­rüs­tet. Es liest die ver­schie­de­nen Zustands­da­ten wie Tem­pe­ra­tur, Über- und Unter­last sowie Sta­bi­li­sie­rungs­zeit, die der Sen­sor erfasst, aus der Waa­ge aus, zeich­net sie auf, ver­rech­net sie und fasst sie zu einer Zustands­mel­dung via OPC UA an die Cloud zusam­men.

Die Sta­bi­li­sie­rungs­zeit ist ein wesent­li­ches Kri­te­ri­um, um die Funk­tio­na­li­tät der Waa­ge zu über­prü­fen. Befin­det sich zum Bei­spiel die Sta­bi­li­sie­rungs­zeit außer­halb des defi­nier­ten Kor­ri­dors, kön­nen durch eine Daten­ana­ly­se Rück­schlüs­se auf eine Stö­rung an der Waa­ge selbst oder in der Umge­bung gezo­gen wer­den. Eine plötz­lich auf­tre­ten­de Vibra­ti­on eines benach­bar­ten Motors oder eine Ver­un­rei­ni­gung der Waa­ge kön­nen mög­li­cher­wei­se hier­für Aus­lö­ser sein. Im Sin­ne der vor­aus­schau­en­den War­tung kön­nen nun War­tungs­ar­bei­ten am Motor und an der Waa­ge bedarfs­ge­recht geplant und vor­ge­nom­men wer­den, anstatt nach einem fest­ge­leg­ten War­tungs­in­ter­vall zu agie­ren.

Für die Anwen­der von Edge Devices erge­ben sich fol­gen­den Vor­tei­le:

  • Ermög­li­chung von Infor­ma­ti­ons­aus­tausch mit IT-Sys­te­men;
  • Ermög­li­chung neu­er Daten­auf­nah­me ohne Ein­griff in das SPS-Pro­gramm;
  • Infor­ma­ti­ons­vor­ver­ar­bei­tung für Daten­ana­ly­se (Data Ana­ly­tics) und vor­aus­schau­en­de War­tung (Pre­dic­tive Main­ten­an­ce).
  • Durch­füh­rung von Ana­ly­se und Opti­mie­rung von Pro­duk­ti­ons­pro­zes­sen, direkt an den Maschi­nen.

Für den Her­stel­ler von Edge Devices sind fol­gen­de Vor­tei­le erkannt:

  • Nut­zung als Hard­ware für gemein­sa­me Schnitt­stel­len und Infor­ma­ti­ons­mo­del­le (Kon­zept der Ver­wal­tungs­scha­le);
  • Zugang zu aggre­gier­ten Anwen­der­da­ten für F&E-Abteilung ohne Sicher­heits­ri­si­ken beim Anwen­der.

Die Part­ner des Smart­Fac­to­ryKL-Indus­trie 4.0-Demonstrators sind:

Belden/Hirschmann, Bosch Rex­roth, B&R Auto­ma­ti­on, Eplan Soft­ware & Ser­vice, Festo, Har­ting, Hua­wei, IBM, Kist Euro­pe, Lapp Kabel, Mett­ler-Tole­do, Mini­Tec, Phoe­nix Con­tact, Pilz, Pro Alpha, SAP, Sie­mens, TÜV Süd, Weid­mül­ler.

Titel­bild: Ein Bei­spiel für den Ein­satz von Edge Devices an der Smart-Factory-KL-Industrie-4.0-Anlage fin­det sich am Wäge­mo­dul zur Qua­li­täts­si­che­rung. (Quel­le: SmartFactoryKL/A. Sell)