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Der industrielle Ofen von morgen ist eine intelligente Maschine – sicherer, kommunikativer, flexibler und effizienter – schnellere Reaktionen auf neue Anforderungen. Basierend auf intelligenten Produkten maximiert er die Effizienz durch vorbeugende Wartung und intuitive Zusammenarbeit mit Mitarbeitern bei gleichzeitiger Minimierung des umgebungsbedingten Bedarfs und der Gesamtbetriebskosten
Zwei Trends, die heute viel diskutiert werden, sind im Begriff, einen tiefgreifenden Wandel in der gesamten Industrie weltweit zu entfesseln: Industrie 4.0, der deutsche Ansatz für intelligente Fertigung und industrielles Internet der Dinge (IIoT – Industrial Internet of Things) mit dem Schwerpunkt auf angeschlossene Instrumente und Analyse. Diese Trends und die zugrunde liegenden Technologien unterstützen eine Vielzahl von Branchen – dies wirkt sich auf Gebäudeautomatisierung, Transport, Medizin, Militär, Sicherheit und dem Einzelhandel aus. In diesem Beitrag liegt der Fokus auf den Auswirkungen auf den Industrieofenbau. Es gibt einige offensichtliche Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen IIoT und intelligenter Fertigung (Industrie 4.0), sowie Gebiete mit Übereinstimmungen. Intelligente Fertigungs- oder Industrie-4.0-Initiativen konzentrieren sich auf flexible Fertigung, steigenden Automatisierungsgrad und Digitalisierung. Dies ist nicht die nächste industrielle Revolution, sondern eine Evolution. Langfristig wird diese Entwicklung komplette Fabriken neu gestalten und die Art, wie sie funktionieren. Solche Entwicklungen erfordern eine Vielzahl von Technologien und Ideen, die einen massiven Einfluss auf die Endkunden und Hersteller haben wird. Dies wird einige Zeit dauern und Industrie 4.0 / IIoT, mit allen angeschlossenen Produkten, wird grundlegende Voraussetzung.
Die IIoT-Vision verbindet intelligent angeschlossene Ressourcen (der Dinge), welche unterschiedliche intelligente Funktionalität beinhalten, beginnend von einfachen Sensoren und Aktoren, Regelung, Optimierung bis hin zum voll autonomen Betrieb als Teil eines größeren Systems. Diese Systeme basieren auf offenen und standardisierten Internet- und Cloud-Technologien, die sicheren Zugriff auf Geräte und Informationen ermöglichen, um große Datenmengen und Analysen zu nutzen und so als bestmögliche Bereitstellung für geschäftliche Aktivitäten zu dienen. Die Einführung von IIoT-Lösungen, die mit einem „Paket & Wiederverwendung“-Ansatz anstatt einem „Eliminieren & Ersetzen“-Ansatz arbeiten, ermöglicht eine bessere Steuerung aller Businessaktivitäten. Darüber hinaus führt dieser Ansatz in Richtung eines intelligenten Fertigungsunternehmens mit hoher Effizienz, Sicherheit und Nachhaltigkeit.
Während die langfristigen Auswirkungen des IIoT manchmal schwer vorherzusagen sind, dienen drei verschiedene operative Voraussetzungen als Plattform für die Entstehung intelligenter Fertigungsunternehmen [1].
Industrieöfen & Öfen werden ihren Level der Intelligenz erhöhen, um vorausschauender Planung Rechnung zu tragen und sich flexibleren Geschäftsanforderungen anzupassen. Der Begriff „intelligente Maschine“ impliziert eine Maschine, die besser verbunden, flexibler, effizienter und sicherer ist. Sie kann schnell auf neue Anforderungen reagieren. Basierend auf intelligenten, vernetzten Produkten, maximiert sie die Effizienz durch intuitive Zusammenarbeit mit ihren Nutzern. Eine intelligente Maschine (Bild 1) sollte auch gleichzeitig eine Minimierung der eigenen Gesamtbetriebskosten durch vorbeugende Wartungsverfahren vorweisen können.
Erkenntnisse
Mit dem Einsatz von Sensoren und dem systeminternen Wissen über seine eigenen Fähigkeiten und Funktionen wird eine intelligente Maschine mittels Schlüsselkomponenten sowie Umgebungsbedingungen überwacht. Eingebettete Intelligenz bezieht sich auf vor- und nachgelagertes Verhalten sowie die Anpassung der eigenen Parameter innerhalb der Businessvorgaben. Mit der Bereitstellung technisch relevanter Informationen für die Bediener mit Datenabgleich zum Hersteller werden Fertigungsanlagen in gewissem Sinne zuverlässiger, flexibler und effizienter. Diese Optimierung kann in Bezug auf Energie, Zeit, OEE (Anlageneffektivität), Ausfall, Qualität oder andere Parameter über vorgelagerte Systeme auf der Grundlage von Analysen mit Sollwertvorgaben implementiert werden.
Im Folgenden werden spezifische Wärmebehandlungsanwendungen vorgestellt:
Ein hohes Level der Maschinenüberwachung (Bild 3) ermöglicht auch eine vorbeugende Wartung vom Lieferanten/Hersteller. Man vermeidet Komponentenausfall und ist eng mit den Informationen zu Ausfallzeiten oder Schäden an der Maschine oder Komponenten verbunden. Darüber hinaus können Stillstandzeiten für Wartungsarbeiten vorausgeplant werden, um die Auswirkungen auf die Produktion zu minimieren.
Datenmanagement
Intelligente Maschinen müssen ein geeignetes Maß an Intelligenz mit schnellen Datenzugriffen und dezentraler Peripherie vorweisen. Die Übermittlung aller Daten an eine zentrale Steuerung für die Analyse wird schnell zu Verzögerungen führen, da diese Struktur nicht skalierbar ist. Sensoren, Komponenten und Maschinen sollten Daten nur dann freigeben, wenn sie außerhalb der eingestellten Parameter zur besseren allgemeinen Datenverwaltung führen würden. Die Verbesserung der Datenverfügbarkeit mit einem erweiterten Netzwerk/Community wird eine Entscheidungsfindung beschleunigen und Produktionsrückstände verringern (wo kritische Informationen zu Verzögerungen oder zu Fehlern führen könnten).
Grundlegende Designs integrieren verbesserte Maßnahmen für die Sicherheit für die Bediener und minimieren das Sicherheitsrisiko durch intelligente Vernetzung. Eine Verbesserung für die Leistungsdaten der Maschine und der Lebensdauer können nicht mit der Reduzierung der Sicherheit der Maschine oder Fertigungsstraße erreicht werden. Ein Anlagenbauer sollte die Fähigkeit besitzen, eine gute Mischung aus Sicherheitskomponenten und Steuerung zu erstellen. Dies erlaubt ihm, eine Lösung für die Endkunden bzgl. Anwendungsanforderungen, Verbesserung der Gesamtleistung und Produktivität zu erzeugen. Datensicherheit ist heute die größte Hürde für Endkunden, neue Netzwerktechnologien und Arbeitsprozesse einzuführen. Das wahrgenommene Risiko durch die Vernetzung von Komponenten und Maschinen in der Produktion ist hoch. Besonders mit IIoT und höheren Ebenen der Konnektivität muss Sicherheit auf zahlreichen Ebenen betrachtet werden. Sicherheit muss mehrere Ebenen wie Hardware, Software und Services integrieren. Anlagenbauer (und Automatisierungsanbieter) haben die Verantwortung, Endkunden über Sicherheitslücken zu informieren und Netzwerkinfrastruktur zur Minimierung des Risikos einzusetzen. Bei Schulungen von Endkunden können die Vorteile der intelligenten Maschinen und das Beibehalten der Sicherheit mit I/PKonnektivität, Anwendungsfälle und Erfolgsgeschichten hervorgehoben werden.
Plug & Work
Neue intelligente Maschinen müssen mit den bestehenden Anlagen oder mit Maschinen von mehreren Herstellern kompatibel sein; Endkunden wollen Instrumente einsetzen, welche innerhalb kurzer Zeit installiert werden können. Die Integration in das System muss einfach sein.
Industrielle, fest eingebaute Hardware in der Wärmebehandlung sollte dem direkten Anschließen von Sensoren und digitalen Signalen von anderen lokalen Instrumenten dienen. Die Hardware hilft bei der Erfassung der Daten und bietet eine Methode für einen sicheren Link auf anlagenbasierte Businesssysteme. Eine Datenanalyse sowie die sichere Dokumentation in einem weit entfernten Rechenzentrum ist somit möglich.
Modularität
Der Lebenszyklus der heutigen Maschinen erlaubt kein übermäßiges oder einmalig zweckgebundenes Design. Die rasche Entwicklung zwingt die Hersteller durch schnelle Time-to-Market-Zyklen zur Veränderung in Design und Modularität. Dieser Trend ist ebenfalls in der Software und in Teilen von modernen Maschinen zu sehen. Intelligente Maschinen profitieren von Vorlagen mit bewährtem Design, einfacher Softwarefunktion bis hin zu voll funktionsfähigen Modulen, Mechanik, Elektrik, Antrieb, Schnittstellen, Funktionen und Verhalten.
Wiederverwendbares Design
Maschinenbauer verwenden gerne Konzepte, welche geprüft, zuverlässig und validiert sind. Modularität ist ein „Enabler“, welcher für die Wiederverwendung von Software und Hardware in einem anderen Kontext ein Umdenken erfordert. Das Konzept der Ofen-TVDA-Lösungen (Total Validated Documented Architectures) wird als Baustein für Ofenanwendungen in Zukunft eingesetzt werden. Das Konzept von eindeutigen und strikten Schnittstellen mit klar definiertem Verhalten, welches geprüft werden kann, kommt aus der IT-Welt und findet seinen Platz mit einigen Anpassungen in der Automatisierung. Dies ist ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal für intelligente Maschinen.
Kommunikation
Intelligente Maschinen kommunizieren direkt mit dem umfassenden (Ethernet-basierten) Netzwerk. Dies ermöglicht Datenaustausch und Produktionsplanung, was weit über die Funktionen der traditionellen, eigenständigen Maschinen und Automation hinausgeht. Intelligente Maschinen werden die Lücke zwischen Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (OT) schließen. Dabei werden Produktionsdaten zur Verfügung gestellt und können in zahlreichen Managementeinstellungen (z.B. Warenwirtschaftskontrolle, Bediener, Planung, Wartung, Energiemanagement und Produktwechsel) verarbeitet werden. Eine grundlegende Voraussetzung dafür ist: Anforderungen und Normen mit den Informationen und Parametern in einen sinnvollen Zusammenhang und eine gemeinsame Sprache zu setzen.
Qualitätsstandards in der Wärmebehandlung haben bei der Entwicklung der direkten Kommunikationsverbindungen zwischen Steuerungen/Regelungen und Aufzeichnungsinstrument zur Beseitigung von Störungen bei konventionellen Methoden geholfen. Ethernet-basierte Modbus-TCP wurde für Punkt-zu-Punkt-Kommunikation verwendet, um die Prozessdaten zur Prozessdatenaufzeichnung zu übertragen. Diese Kommunikation von Instrument zu Instrument wurde ein Merkmal der IIoT-Entwicklung in den letzten zehn Jahren. Zur Weiterentwicklung und Steigerung der Automatisierung ist es wichtig, die Verbindungen zwischen den Geräten, Bediener, Einkauf und Lieferkette zu verbessern. Workflow-Typ-Anwendungen sind in diesem Bereich die treibende Kraft. Im Folgenden einige Beispiele:
Digitale Mobilität
Maschinenbediener und Ingenieure befassen sich immer mehr mit dem Konzept der Verwendung von mobilen Geräten am Arbeitsplatz. Mitarbeiter müssen nicht mehr in der Nähe einer Maschine sein, um sie zu überwachen oder ihre Produktivität zu sehen. Diese Geräte bieten Bedienern die Flexibilität, einen Rundgang zu machen und dabei noch gleichzeitig verschiedene Maschinendaten zu sehen. Ingenieure können auch Probleme diagnostizieren und bieten Support aus der Ferne. Die Implementierung einer Lösung wird ebenfalls schneller möglich sein. Dies reduziert Ausfallzeiten und vermeidet Komponentenausfall.
Die Kenntnisse, um ein IIoT-basiertes System zu planen und zu betreiben, unterscheiden sich von denen eines klassischen Automatisierungssystems. Eine erhebliche Anzahl an Schulungen wird für vorhandene Bediener und Wartungspersonal solcher Systeme notwendig sein. Die gute Nachricht ist, IIoT-Systeme verwenden die Technologien, welche den Nutzern im Alltag vertraut sind, und somit wird die neue Generation von jungen Anwendern keine Probleme haben, sich daran anzupassen. Die größte Herausforderung für Lieferanten der Automatisierung wird Entwicklung und Vertrieb geeigneter Diagnose/Debug-Tools sein, die die Hauptursache für Probleme schnell identifizieren können. Damit wird sichergestellt, dass ein fehlerhaftes oder gestopptes System schnell wieder hergestellt werden kann.
Traditionelle Wärmebehandlungsöfen waren historisch von hohen Kosten und begrenzten Kommunikationstechnologien geprägt. Neue intelligente Maschinen nutzen etablierte Kommunikationsprotokolle, IIoT-Instrumente und eine Cloud in Verbindung mit Lebenszyklusüberwachung und Rechner- Performance-Verbesserungen. Somit werden neue Möglichkeiten für die Interaktion mit allen Mitarbeitern ermöglicht. Die neue IIoT-Technologie mit ihrer Umsetzung wird im Laufe der Zeit weiterentwickelt. Bevor eine großflächige Umstellung auf intelligente Maschinen erfolgt, erfordert es für die Mitarbeiter eine Weiterbildung und Führungskräfte benötigen eine klare Demonstration der Resultate, wenn sie in Verbesserungen investieren sollen. Die neuen Technologien müssen sich im Laufe der Zeit in einem industriellen Umfeld bewähren und Hemmnisse, wie z. B. Sicherheitsaspekte, zu überwinden.
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