Einfach in die Cloud: Digitalisierung von Brownfield-Anlagen leicht gemacht

SmartFactoryKL demonstriert vertikale Integration mittels Edge Devices auf der Hannover Messe 2018




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  • Verschiedene Edge Devices in der SmartFactoryKL-Produktionsanlage demonstriert
  • Datenauswertung in der Cloud mittels standardisierter Schnittstelle umgesetzt
  • Vorteile im anschaulichen Use Case auf Messe-Stand zu erleben

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

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.
 

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Ein Beispiel für den Einsatz von Edge Devices an der SmartFactoryKL-Industrie 4.0-Anlage
findet sich am Wägemodul zur Qualitätssicherung. Foto: SmartFactoryKL/A. Sell

 

Vorteile durch den Einsatz von Edge Devices

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, proALPHA, SAP, Siemens, TÜV SÜD, Weidmüller

Hintergrund - Fachbegriffe einfach erklärt: Vertikale Integration & Edge Devices

Die vertikale Integration oder Digitalisierung von bestehenden Produktionsanlagen (Brownfield) wird durch das Nachrüsten mit Edge Devices einfach ermöglicht. Die ohnehin vorhandenen Daten innerhalb der Steuerungen und Module werden von angebrachten Sensoren ausgelesen, über smarte Konnektoren (Edge Devices) gesammelt, in strukturierte Kommunikationswege gelenkt und in IoT-Plattformen oder Clouds zusammengeführt. Die vertikale Integration bezeichnet dabei den Vorgang, bei dem Maschinenzustandsdaten von der untersten Sensorebene bis in die Cloud-basierte Umgebung transportiert und integriert werden (Condition Monitoring). Die somit erreichte Verfügbarkeit von einer Vielzahl von Maschinendaten erlaubt es, Informationen herauszuziehen, diese auszuwerten (Data Analytics) und Aussagen über Maschinenzustände zu treffen (Predictive Maintenance), was in der Vergangenheit nicht ohne Eingriff in die Steuerungsebene von Maschinen unter großem Aufwand und Risiko möglich war. Kurz gesagt bezeichnet die vertikale Integration den „Einblick“ in eine Maschine auf Datenebene. Durch die Daten können Rückschlüsse über Zustand und Performanz bestehender Maschinen, Module und Anlagen gezogen werden, was sich letztendlich auf Kennwerte wie Produktqualität, Produktivität oder Kosteneffizient positiv auswirkt.
 

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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. Foto: SmartFactoryKL.

Über die Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V

Die Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V. wurde 2005 als gemeinnütziger Verein gegründet, um erstmals Akteure aus Industrie und Forschung in einem Industrie 4.0-Netzwerk zusammenzubringen und gemeinschaftlich Projekte zur Fabrik der Zukunft durchzuführen. Die im Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserslautern beheimatete SmartFactoryKL ist eine weltweit einzigartige herstellerunabhängige Demonstrations- und Forschungsplattform. Hier werden innovative Informations- und Kommunikationstechnologien und deren Einsatz in einer realitätsnahen industriellen Produktionsumgebung getestet und weiterentwickelt. Die Technologie-Initiative hat, durch die aktive Beteiligung ihrer Mitglieder, bereits erste Produkte und Lösungen sowie gemeinschaftliche Standards im Bereich Industrie 4.0 etabliert. SmartFactoryKL wurde 2016, zusammen mit weiteren Kompetenzträgern aus der Region, vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie zum Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Kaiserslautern ernannt.
www.smartfactory.de

Über das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI)

Das DFKI mit den Standorten Kaiserslautern, Saarbrücken, Bremen (mit Außenstelle Osnabrück) und einem Projektbüro in Berlin ist auf dem Gebiet innovativer Softwaretechnologien die führende Forschungseinrichtung in Deutschland. In der internationalen Wissenschaftswelt zählt das DFKI zu den wichtigsten „Centers of Excellence“ und ist derzeit gemessen an Mitarbeiterzahl und Drittmittelvolumen das weltweit größte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Künstlichen Intelligenz und deren Anwendungen. Das Finanzvolumen lag 2016 bei 44,1 Millionen Euro. DFKI-Projekte adressieren das gesamte Spektrum von der anwendungsorientierten Grundlagenforschung bis zur markt- und kundenorientierten Entwicklung von Produktfunktionen. Aktuell forschen 519 Mitarbeiter aus ca. 60 Nationen an innovativen Software-Lösungen mit den inhaltlichen Schwerpunkten Smarte Daten & Wissensdienste, Cyber-Physical Systems, Multilinguale Technologien, Planbasierte Robotersteuerung, Educational Technologies, Interaktive Textilien, Robotik, Innovative Retail, Wirtschaftsinformatik, Eingebettete Intelligenz, Smart Service Engineering, Intelligente Analytik für Massendaten, Intelligente Netze, Agenten und Simulierte Realität, Erweiterte Realität, Sprachtechnologie, Intelligente Benutzerschnittstellen und Innovative Fabriksysteme. Der Erfolg: über 100 Professoren und Professorinnen aus den eigenen Reihen und mehr als 70 Spin-off-Unternehmen mit ca. 2.500 hochqualifizierten Arbeitsplätzen.
www.dfki.de

Presse-Kontakt:
Dr. Haike Frank
Leitung Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V.
Trippstadter Straße 122
67663 Kaiserslautern
Tel.: 0631/20575-3406
E-Mail: frank@smartfactory.de

Christian Heyer
DFKI Unternehmenskommunikation
Kaiserslautern
Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH
Trippstadter Straße 122
67663 Kaiserslautern
E-Mail: uk-kl@dfki.de