Technologische Trends und Praxisbeispiele im Umfeld von Industrie 4.0

Der Begriff Industrie 4.0 steht für die Nutzung von Informations- und Kommuni­kati­onstechnologien für die Produktion und Automation. Digitalisierung und Vernetzung der Prozesse von der Unternehmens­leitebene bis zum Sensor, Aktor sowie dem Werkstück, selbst über Grenzen einer Fabrik und eines Unternehmens hinaus, ver­sprechen signifikante Wertschöpfungs­potenziale. Der Kern liegt in der Flexibilitäts- und Effizienzsteigerung und zwar im Produktionsprozess gleichwie im Engineering der Produkte und Produktions­anlagen. Essenzielle Anforderungen produzierender Unternehmen sind dabei eine hohe Verfügbarkeit der Fertigungs­prozesse, um Pro­duktionsanlagen bestmöglich auszulasten, und das Sicherstellen der Wettbewerbs­fähigkeit.

Störungen oder gar Ausfälle solcher Anlagen ziehen zumeist hohe Folge­kosten nach sich. Industrie 4.0 schafft hierbei die Basis für Technologien und Lö­sungen, die produzierende Unter­nehmen in die Lage versetzen, Ineffizienzen sowie drohende Störungen in ihrer Fertigung frühzeitig zu erkennen. Und zwar so recht­zeitig, dass sie handeln können, bevor ein Ausfall eintritt. Die Begriffe Condition Monitoring und Diagnose vereinen verschiedene Technologien, die den Zustand von Prozessen und Produktionsanlagen kontinuierlich überwachen, Änderungen erken­nen und Hinweise zu ihrer Optimierung geben.

Die Informationstransparenz gestaltet sich heute eher ungenügend. So sind bei den Betriebsbedingungen die Auswirkungen auf die Lebensdauer der Elektronik oft nicht bekannt. Fehler lassen sich erkennen, aber häufig ohne genaue Information zu den betroffenem Betriebsmitteln und dem Einbauort. Liegen Funktionsbeeinträchtigun­gen vor, sind sie oftmals nur über eine Vorort-Signalisierung oder gar Sammelmel­dungen diagnostizierbar. Ursache und Maßnahmen zur Behebung sind meistens nur aufwendig zu ermitteln. Und schließlich die Wartung, also etwa Kontrolle oder Kalibrierung, sie erfolgt aktuell in festen Zeitintervallen, unabhängig von der tatsäch­lichen Nutzung.

 

Hinsichtlich der Informationstransparenz stellen sich mehrere Herausforderung bei der Umsetzung. Häufig werden nicht alle verfügbaren Informationen auf höhere Ebenen übertragen, sondern nur die steuerungsrelevanten Daten. Es bleiben also wichtige Statusinformationen zur Anlagendiagnose auf der Feldebene verborgen. Hinzu kommt, dass Informationen zwar über Kommunikationsketten nach oben ge­reicht werden, der Zugriff auf die Steuerungsvariablen aber oftmals als Sonder­leis­tung gilt. Zudem sind häufig Protokollumwandlungen und Anpassungen der Infor­mationen notwendig. Nicht zuletzt fehlen herstellerunabhängige Standards.

Informationstransparenz unter Industrie 4.0 dagegen lautet: Erweiterte Informa­tionsverarbeitung anhand von Cloud-Diensten, realisierte durchgängige Daten­sicherheit, Umwandlung von Rohdaten zu nutzbringenden Information sowie die Kommunikationsfähigkeit von Prozessen und Anlagen. Zentrale Funktionen von Industrie 4.0 sind also Digitalisierung, Vernetzung, Analyse in übergeordneten IT-Systemen, Ableitung von Optimierungsmaßnahmen sowie Rückkopplung in Prozesse.

 

Moderne Fertigungssysteme gehen also mit immer aufwendigeren Strukturen und komplexeren Automatisierungskonzepten einher. Als Partner der Industrial Connectivity treibt Weidmüller die intelligente Vernetzung der Produktion voran.

Dies verdeutlichen einige Beispiele aus der Praxis.

 

Beispiel: Energieeffiziente Prozessoptimierung

Beim Demonstrator „Energieeffiziente Prozessoptimie­rung durch Condition Monitoring und Diagnose“ handelt es sich um eine handelsübliche Spritzguss­maschine, die mittels kommunikationsfähiger Komponenten in ein Industrial Ethernet Produktions- und Fertigungsnetzwerk eingebunden ist. Der integrierte Power Monitor misst und erfasst alle relevanten elektrischen Kenngrößen über die Ma­schine und macht sie dem Energiemanagementsystem verfügbar. Kommuni­kationsfähige Signalkonverter vom Typ ACT20C wandeln analoge Maschinendaten in digitale Daten, die anschließend in einer Cloud bereitgestellt und analy­siert werden. ACT20C Module lassen sich dank ihrer Kommunikations-Schnitt­stelle in Industrial Ethernet-Strukturen einbinden. Das Besondere hierbei ist, dass die Signalkonverter neben den typischen Funktionen wie Signalerfassung, -aufbe­reitung, -nor­mierung und -ausgabe umfangreiche Diagnosefunktionen bereitstel­len. Die anschließende Datenübermittlung in eine Cloud gestattet den Abgleich von Produktions- und Fertigungsdaten sowie weiteren Informationen, etwa ak­tuelle Energiepreise, und verschafft somit durchgängige Transparenz über alle Pro­duktionsdaten. Weiterer Vorteil: ACT 20 C-Signalkonverter lassen sich via Ethernet-Schnittstelle direkt in bestehende Industrial Ether­net-Strukturen einbinden.

Beispiel: Mittels Cloud Datendurchgängigkeit für Fernwartungen erzielen

Weidmüller Systemlösungen bestehen aus Netzwerkkompo­nenten, dem Remote I/O-Sys­tem u-remote inklusive integriertem Webserver, zusätzlichen kommuni­kati­onsfähigen Automatisierungskomponenten und nicht zu­letzt der webbasierten Fernwartungs-Lösung u-link. u-link dient der individuellen Gestaltung von Fern­wartungslösungen und steht als Synonym für höhere Maschinenverfügbarkeit, verein­fachten Service und gesteigerte Anlagenproduktivität. Denn je umfassender Fern­wartungslösungen von Maschinen und Anlagen konzipiert sind, desto komplexer und zeitaufwändiger gestaltet sich zumeist ihr Management. Heraufordernd ist ei­nerseits die zielgerichtete und abgesicherte Funktionsanbindung an die vorhande­nen IT-Systeme, andererseits existieren zuneh­mend global vernetzte Anlagen. Für viele Anwender ist beides eine große Hürde. u-link, ausgelegt als webbasierte Fernwartungslösung, überzeugt durch den einfachen, schnellen und sicheren Zu­griff auf Maschinen und Anlagen. Die intuitiv bedienbare Oberfläche von u-link lässt sich anlagenbezogen einfach konfigurieren und gemäß den eigenen Struktu­ren zügig zuschneiden. Neben einem innovativen Cloud-Service auf gesicherten und hoch­verfügbaren Servern in Deutschland, steht mit u-link außerdem eine On­line-Platt­form mit gesi­cherten „Container“ bereit, das heißt die Daten sind vor dem Zugriff von Dritten geschützt.

 

Selbst umfangreiche Fernwartungslösungen lassen sich mit u-link kostengünsti­g und sicher aufbauen. Der einfachen Verwaltung von mehreren Fertigungsanlagen und Usern dienen eine klare, übersichtliche Struktur sowie ein spezifi­sches Sys­temmanagement individueller Rechteverwaltung. Über die nicht limitierte Fernwar­tungslösung u-link lassen sich beliebig viele Router und User im Portal anmelden oder erweitern. u-link passt sich also optimal an die Bedürfnisse eines sich ständig wandelnden und wachsenden Unternehmens an.

 

Beispiel: Energiemanagement – maßgeschneidert und ganzheitlich

Weidmüller unterstützt Unternehmen bei der Einhaltung des seit April 2015 in Kraft getretenen Gesetzes für Energiedienstleistungen und weiteren Energieeffizienz­maßnahmen (EDL-G). Das Gesetz sieht vor, dass betroffene Unter­nehmen, die kein kleines oder mittleres Unternehmen (KMU) sind, bis zum 5. Dezember 2015 ein Energieaudit gemäß den Anforderungen der DIN EN 16247-1 durchzuführen bzw. ein zertifiziertes Energiemanagementsystem ein­zuführen haben. Weidmüller bietet dazu ein auf drei Säulen basierendes Ener­giemanagement an. Mit diesem Ener­giemanagementsystem senken Unter­nehmen nachhaltig ihre Energiekosten: Weidmüller bietet sowohl seine be­währten, intelligent vernetzbaren Hardware­kom­ponenten als auch seine aus­gereifte Energiecontrolling-Software und berät Unter­nehmen umfassend. Letzteres beginnt mit einer Bedarfsanalyse, geht über Vor­schläge für die Messung und Visualisierung der Energiedaten bis hin zur Detail­pla­nung sowie der Implementierung des Energiemanagements.

 

Beispiel: Infrastrukturbox zur Verteilung von Energie, Signalen und Daten

Ein weiteres Beispiel ist die Rea­lisierung einer Infrastrukturbox zur Verteilung von Energie, Signalen und Daten in zukünftigen modularen Industrie 4.0-Anlagen, sie berücksichtigt höchste An­forderungen an die Datensicherheit. Dieses Projekt setzt Weidmüller im Konsortium der Smart Factory KL e.V. um, einer herstellerunabhän­gigen Technologie-Initiative am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intel­ligenz (DFKI). Weidmüller baut die Box in Zusammen­arbeit mit Belden/Hirschmann auf. Dank der Plug-and-play-Fähigkeit, der Pass­genauigkeit für verschie­denste An­lage-Topologien sowie der integrierten Energie­messung mittels Weidmüller Kompo­nenten lässt sich eine flexible und transparente Infrastrukturlösung aufbauen – und entspricht damit exakt den Kernbedürfnissen einer gemäß Industrie 4.0 gestalteten wandlungsfähigen Produktion.

Die SmartFactoryKL verdeutlicht eine smarte Infrastruktur, also eine modulare, herstellerübergreifende Produktionsanlage, welche die zentralen Aspekte von Industrie 4.0 in der Praxis umsetzt. Ihr Fokus liegt auf der Vernetzung heterogener Systeme verschiedener Hersteller durch gemeinsame Standards.

Verdeutlicht wird ebenso, wie sich durch geeignete Migrationsstufen zentrale Aspekte von Industrie 4.0 bereits heute realisieren lassen.

 

Beispiel: Webserver für sektionsweise In­be­trieb­nahme und beschleunigte Wartungsarbeiten

Webtechnologien sind zentraler Bestandteil in der Industrie 4.0. Webserver bieten heute umfangreiche Optionen, sie lassen sich in Produkte ab Werk smart integrieren. So gestattet ein im Weidmüller Feldbus-Koppler integrierter Webserver mit seiner intuitiv gestalteten Oberfläche das Prüfen vor Ort oder aus der Ferne: Ob Diagno­sen per Fern­zugriff oder die Si­mula­tion von Eingängen sowie das Forcen der Ausgänge vor Ort. Das Remote I/O-Sys­tem u-remote von Weidmüller benötigt hierzu keine spezielle Software, son­dern lediglich einen Standard-Browser. Prozesse und Abläufe lassen sich ohne angeschlossene Steue­rung simulieren; auch zum Abrufen von Statusinformationen, Diagnose- und Prozessdaten bedarf es keiner an­geschlossenen Steuerung. Neben einer erleichterten sektionsweisen Inbe­trieb­nahme beschleunigt dies ebenso den Service bei einem ungeplanten Anlagen­stillstand. Das Webserver-Design besticht durch hohe Nutzer­-Freundlichkeit sowie einfacher Konfiguration beson­ders von Serienmaschinen. Anwender konfigurieren und parametrieren die I/O-Station – ohne zusätzliche Hardware oder Programmin­stallationen, einfach und komfortabel.

Beispiel: Umfang­reiche Informationen direkt aus der Signalwandlungsebene gene­rieren

Das von Weidmüller entwickelte ACT20C-Gateway, gemeinsam mit einem Strom­messwandlermodul, liefert präzise Diagnose- und Zu­standsinformationen von Ge­räten aus diversen Automatisierungsbereichen, über­wacht also Anlagen und Pro­zesse präventiv. Damit tragen ACT20C-Module ent­scheidend dazu bei, die Steue­rung von Prozessen zu optimieren. Mit dem ACT20C-Gateway und den kommuni­kativen Signalwandlern ist es erstmals möglich, umfang­reiche Informationen direkt aus der Ebene der Signalwandlung zu gewinnen – unabhängig von der gewählten Automatisierung. Eine Ethernet-Schnitt­stelle gestattet hierbei den einfachen Zugriff auf die gewünschten Informationen: Die im ACT20C-Gateway erlangten Daten wer­den per Modbus-TCP bereitgestellt oder las­sen sich in einer FDT-Rahmenapplika­tion direkt anzeigen. Die Software-Konfiguration der Module basiert auf den FDT- und FDT2-Standards.

 

Fazit:

Seit der Vorstellung auf der Hannover Messe 2011 beschäftigen sich sowohl Pro­duktion als auch Automation mit dem Begriff Industrie 4.0. Gemeint ist die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologien für Ma­schinen und Anlagen, die auf der Symbiose von Infor­matik und Ingenieurwissenschaften beruhen und sich den Umgebungsbedingungen und Wünschen der Anwender anpassen. Mit dem Be­griff Industrie 4.0 ist darüber hinaus ein Paradigmenwechsel verbunden, der die Wertschöp­fung und Geschäftsmodelle in produzierenden Unter­nehmen neu defi­niert. Dass dies längst keine inhaltsleere Vision mehr ist, weisen die auf­geführten Beispiele nach. Sie zeigen wesentliche Felder auf, nämlich das Condition Monitoring und die Diagnose, die webbasierte Fernwartungslösung für eine höhere Maschinen- und Anlagenverfügbarkeit, die In­formationstransparenz und Kommunikationsfähig­keit sowie die Infrastruktur in zukünftigen Anlagen. Die vorgestellten Lösungsan­sätze sind ein wichtiger Schritt in diese Richtung, sie machen Industrie 4.0 begreif­bar.

Weidmüller – elektrische Verbindung, Übertragung und Wandlung von Energie, Signalen und Daten im industriellen Umfeld. – Let’s connect.

Zusätzliche Informationen: www.weidmueller.com