Stellen Sie sich eine Produktionsstätte vor, in der alles nach Plan läuft. Die Prozesse laufen stets innerhalb kontrollierter Grenzen, Abweichungen werden eliminiert und jedes Endprodukt ist identisch. Es kommt nie zu Ausfällen und ungeplante Stillstandszeiten gibt es einfach nicht. Es wird kein Material verschwendet, die Erträge liegen Tag für Tag genau dort, wo sie sein sollen, und die Energiekosten werden minimiert. Hinzu kommt eine Fülle von Daten über die Prozesse, die es den Ingenieuren ermöglichen, Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren und zu priorisieren.
Das klingt wie eine Utopie in der Fertigung, ist aber nicht weit entfernt, wenn Industrie 4.0 ihr Potenzial ausschöpft. Dieses Whitepaper von OMEGA Engineering erläutert die Konzepte hinter Industrie 4.0 und ihre Auswirkungen auf Ingenieure und Technologen in der Fertigungs- und Prozessindustrie. Die Abschnitte behandeln:
- Ursprung und Bedeutung von „Industrie 4.0”
- IIoT und M2M
- Kommerzielle und industrielle Anwendungen
- Aktueller Stand
- Probleme und Bedenken
Der Ursprung und die Bedeutung von „Industrie 4.0”
In der Fertigung steht eine Veränderung bevor, die ebenso bedeutend ist wie die Einführung der Dampfmaschine, die Umstellung auf Elektrizität und die Einführung der computergestützten Datenverarbeitung und Automatisierung. Deutsche Industrielle und Wissenschaftler haben diesen Wandel als „Industrie 4.0” bezeichnet, da sie erkannt haben, dass er einen neuen Ansatz für die Fertigung bedeutet.
Industrie 4.0 konsolidiert die bereits laufenden Fortschritte in den Bereichen Sensorik und Kommunikation. Es handelt sich um ein koordiniertes Programm, das auf die Entwicklung und den Einsatz „intelligenter” Geräte ausgerichtet ist. Dazu gehören Konzepte wie das „Internet der Dinge” (IoT), das „Industrielle Internet der Dinge” (IIoT), Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M), IPv6, RFID, Cloud Computing und Data Mining. IIoT und M2M Ethernet-Netzwerke sind mittlerweile fest etabliert, aber mit der Verkleinerung der Prozessoren haben sich Computer von Desktops in Fabrikhallen und Lagerhäuser verlagert und werden nun in Sensoren und Aktoren integriert. Durch die Integration von Kommunikationsfunktionen wie 802.11 Wi-Fi, Bluetooth oder ZigBee in diese Geräte können sie Nachrichten senden und empfangen. Hinzu kommt IPv6, das die Anzahl der verfügbaren Adressen massiv erhöht, sodass jedes verbundene Gerät eine eindeutige Identität hat. Das ist das IoT.
In der Vergangenheit haben die in der Fertigungs- und Prozessindustrie verwendeten Sensoren lediglich Daten erfasst – Temperatur, Luftfeuchtigkeit, möglicherweise Luftdruck –, sodass eine PID-Regelung reagieren oder die Darstellung einem Diagrammschreiber überlassen werden konnte. Aktoren hatten sehr begrenzte Datenerfassungsfähigkeiten, die in der Regel auf Encoder-Ausgänge beschränkt waren. Der Beginn des IoT hat die Entstehung des IIoT vorangetrieben – der industriellen Version vernetzter Geräte. Diese verwenden Ethernet-basierte Industrieprotokolle zum Senden und Empfangen von Prozessinformationen.
Der nächste logische Schritt besteht darin, diese Geräte direkt miteinander „kommunizieren” zu lassen, wodurch der Kontrollraum oder die Überwachungssteuerung entfällt und der Mensch aus dem Regelkreis genommen wird. Dies wird als „Maschine-zu-Maschine”-Kommunikation bezeichnet. Es handelt sich um dezentrale Automatisierung.
Kommerzielle und industrielle Anwendungen
Vernetzte Geräte gibt es im Verbraucherbereich bereits seit mehreren Jahren. Der Nest-Thermostat war eines der ersten vernetzten Geräte, gefolgt von intelligenten Babyfonen, Zugangskontrollsystemen und sogar intelligenten Haushaltsgeräten. Stellen Sie sich ein Babyfon vor, das bei Veränderungen der Herzfrequenz oder Temperatur einen Alarm auslöst und den Eltern dann den Standort der nächstgelegenen Notaufnahme mitteilt, oder einen Kühlschrank, der das Mindesthaltbarkeitsdatum aller darin befindlichen Lebensmittel kennt.
In der Fertigungs- und Prozessindustrie verspricht das IIoT zweierlei:
- Vernetzte Sensoren und Aktoren ermöglichen eine verteilte, autonome Steuerung, die bei Bedarf auf Ereignisse reagiert. Die Ausgabequalität verbessert sich durch die Eliminierung von Abweichungen, und die Produktivität steigt durch die Reduzierung von Ausschuss und Abfall. Beispielsweise könnte die Überwachung der reflektierten Lichtintensität es ermöglichen, einen Druckprozess an Veränderungen der Materialbeschichtung anzupassen. Alternativ könnte ein Prozess die Heiz- und Trocknungszeiten an den unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalt der Materialien anpassen.
- Da die Möglichkeiten zur Überwachung physischer Anlagen, insbesondere weit verstreuter Anlagen, zunehmen, werden die Geräte ihren physischen „Gesundheitszustand” melden. Ausfälle gehören dann der Vergangenheit an, während die Wartung durch Präzision erfolgt, was die Lebensdauer der Anlagen verlängert und den ROI erhöht. Beispielsweise könnte eine Pumpe Druck, Temperatur und Vibrationen überwachen. Eine Veränderung der Signatur würde sie dazu veranlassen, die auszutauschenden Teile zu identifizieren, zu prüfen, ob sie bereits im Lager vorrätig sind, und bei Nichtvorhandensein eine Bestellung zu erstellen. Anschließend würde sie mit dem Produktionssteuerungssystem kommunizieren, um eine Ausfallzeit zu planen, und sogar einen Arbeitsauftrag für den Techniker ausdrucken, wenn es Zeit ist, die Arbeit zu erledigen.
Aktueller Status
Einige dieser IIoT-Funktionen befinden sich noch in der Forschungsphase, viele sind jedoch bereits verfügbar. Immer mehr Geräte verfügen über integrierte Intelligenz- und Kommunikationsfunktionen. Eine intelligente Sonde zur Temperaturmessung kennt die für genaue Messwerte erforderlichen Korrekturwerte und kann direkt an einen Logger angeschlossen werden. Datenlogger zeichnen nicht mehr nur Eigenschaften wie Temperatur und Druck auf, sondern senden diese Werte über Ethernet oder drahtlos an andere Systeme.
Probleme und Bedenken
Keine Diskussion über das IIoT wäre vollständig ohne eine Erwähnung der Herausforderungen. Dazu gehören:
- Spannungsversorgung – Wenn keine 24-V-Spannungsversorgung verfügbar ist, besteht die Alternative in langlebigen Batterien in Verbindung mit innovativen Standby-/„Wake-On-LAN”-Strategien zur Minimierung der Leistungsaufnahme. Darüber hinaus kommen energiesparende Wi-Fi-Varianten auf den Markt, um die Batterielebensdauer weiter zu verlängern.
- Mit Blick auf die Zukunft könnten Energy-Harvesting-Techniken „kostenlose” Energie für die gesamte Lebensdauer des Geräts liefern.
- Sicherheit – Industrielle Nutzer von Smart Devices sind sich der Risiken einer Überwachung der Kommunikation bewusst und werden zunehmend von ihren Lieferanten geeignete Sicherheitsvorkehrungen und Verschlüsselungsprotokolle verlangen.
- Datensicherheit – Alle Messvorgänge werden mit automatischen Wiederholungsversuchen bestätigt, und es sind Ausfallsicherungen vorhanden, um an jedem Punkt, an dem ein Netzwerkausfall möglich ist, eine lokale Datenprotokollierung zu gewährleisten.
- Messbereich – Bluetooth- und Wi-Fi__33-Protokolle haben einen begrenzten Messbereich, aber einige Geräte sind über 1000 m (3280') effektiv. Wände und andere Hindernisse verringern den Messbereich.
- Datenrate – Wenn Geräte auf Stichprobenbasis übertragen, ist die Datenrate selten ein Problem. Mit zunehmender Datenmenge könnte dies jedoch in Zukunft zu einem Problem werden. Adaptive Datenübertragungsraten, die auf Änderungen des Messwerts basieren, können die Netzwerküberlastung bei steigender Datenmenge verringern.
- Datenvalidität – Überwachung des Zustands und der Lebensdauer von Sensoren zur Förderung der vorausschauenden Wartung.
- Störungsunempfindlichkeit. Elektrische Geräte, insbesondere Motoren oder alles, was einen Lichtbogen erzeugt, können elektromagnetische Störungen verursachen. Dies kann zu Datenverlusten oder einem verringerten Messbereich führen. Diese Faktoren sollten bei der Platzierung von Transmittern und Empfängern berücksichtigt werden.
Die Technologie der Industrie 4.0 ist da
Der Begriff „Industrie 4.0” umfasst das „Industrielle Internet der Dinge” (IIoT) sowie die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) und IPv6 und zielt darauf ab, die bereits erzielten Fortschritte in den Bereichen Sensorik und Kommunikation zu konsolidieren. Es gibt zwar noch viel zu tun, aber Geräte, die IIoT-Konzepte integrieren, sind bereits verfügbar. Dank drahtloser Transmitter und Empfänger sowie Ethernet-Kommunikation und Webserver-Technologie können Prozessinformationen von jedem mit entsprechenden Berechtigungen aus der Ferne abgerufen werden. Diese verbesserte Transparenz ermöglicht eine bessere Überwachung und schnellere Reaktion im Falle von Problemen, wodurch Fertigungs- und Prozessunternehmen Zeit und Geld sparen und gleichzeitig die Auslastung ihrer Anlagen verbessern können.
Schreiber Einleitung zu Schreibern