Produktbeispiele: Automatisierungskomponenten
Wertschöpfungsbereich: Produktion & Lieferkette
Unternehmensgröße: 1 - 250 Mitarbeiter
Region: Nordrhein-Westfalen

Welche Herausforderungen galt es zu lösen und welcher konkrete Nutzen ergab sich?

Durch die systematische Analyse unserer Prozessdaten schaffen wir uns eine digitale Wissensdatenbank, die uns alle Parametereinstellungen der Anlagen prozess­schritt­übergreifend mit den dadurch erzielten Produkteigenschaften in Beziehung setzen lässt. Dadurch werden wir weniger fehleranfällig, sind unabhängiger von dem in den Köpfen der Mitarbeiter gespeicherten Erfahrungswissen und sparen uns Einstell- und Probiervorgänge bis die idealen Prozessfenster gefunden sind. Mittelfristig macht uns dies wettbewerbsfähiger im internationalen Wettbewerb.

Welcher konkrete Nutzen ergab sich?

Die heute verfügbare Sensorik- und Messtechnik als Datengeber für neue state-of-the-art Anlagensteuerungen erlauben es uns, auch „alte“ Produktionsanlagen in das Zeitalter der Digitalisierung zu überführen, ohne dass wir die Investition in einen komplett neuen Anlagenpark tätigen müssen. Die steigenden Qualitätsanforderungen an Produkt­eigenschaften wie Oberflächenqualität und Geradheit können durch die online-Regelung auf Basis aktueller mess- und Regelungstechnik eingestellt, die Ausschussquote minimiert und die Nebenzeit beim Rüsten der Anlagen reduziert werden.

Highlight der Anwendung

„Das faszinierende an den Ergebnissen des Projektes ist die hochaufgelöste Verfügbarkeit der maßgeblichen Produkteigenschaften. Ich kann auf Basis dieser Daten nicht nur meine Anlage online optimieren, sondern theoretisch in der Zukunft meinen Kunden die Qualitätsdaten jedes Rohres Positionsgenau für jeden Millimeter zur Verfügung stellen. Sollte es eine definierte Datenschnittstelle geben, wäre eine Vernetzung mit den Weiterverarbeitungsschritten denkbar und ggf. eine Anlagenoptimierung bis in die Wertschöpfung unserer Kunden denkbar“, so Dr. Bengt.-Henning Maas, CEO Poppe + Potthoff Präzisionsstahlrohre GmbH.

Wie lässt sich der Industrie 4.0-Lösungsansatz beschreiben?

Moderne SPS-Steuerungen erlauben durch bestimmte Baugruppen die Signalerfassung und –Weitergabe aller Prozessparameter der Produktionsanlagen.

Schritt 1: Datenerfassung. Kombiniert mit entsprechenden Datenbanksystemen und einer geeigneten Auswertelogik können diese Daten einerseits visualisiert werden und ein erstes Gefühl und Wissen über die Parameterverläufe aufgebaut werden. In einem zweiten Schritt können fehlende Daten durch Nachrüsten entsprechender Sensoren und Auflegen der Signale in der Steuerung ergänzt werden. Schließlich können auf Basis der gesammelten Prozess- und Qualitätsdaten mit Data Mining und advanced analytics Verfahren auch dort Prozess- und Werkstoffmodelle erzeugt werden, wo es keine genaue Kenntnis über Ursache-Wirkungs-Beziehungen gibt. Diese Modelle können wiederum zur optimierten Steuerung der Produktionsanlagen verwendet werden.

Was konnte erreicht werden?

Stand heute haben wir bei Poppe + Potthoff den Großteil unserer Fertigung datentechnisch vernetzt und über ein web-basiertes Datenbank-Frontend („Produktionsportal“) die Möglichkeit, von jedem PC oder mobilen Endgerät innerhalb unseres Netzwerks die wichtigsten Auswertungen, Visualisierungen, Datenverläufe oder Berichte abzurufen. Dies erfolgt benutzerspezifisch (Stichwort Zugriffsrechte-Management) und je nach Anwendungs­fall ergänzbar durch Daten aus unserem digitalen Instandhaltungsportal. Durch diese neue Transparenz und eine begleitende Informationskampagne konnte eine breite Akzeptanz für das Thema Industrie 4.0 in der Belegschaft geschaffen werden. Eine frühzeitige Einbindung der Arbeitnehmervertretung und eine Ausstattung aller Arbeitsplätze mit Tabletcomputern machten das Thema Digitalisierung für die Mitarbeiter greifbar und führte zu einem Gefühl der Sicherheit im Umgang mit dem abstrakten Begriff Industrie 4.0. An konkreten Beispielprojekten wie dem automatischen einrichten und regeln einer Richtmaschine auf online gemessene Geradheits-Werte der gefertigten Rohre und der Erkennung und datenbasierten Vermeidung (Algorithmus regelt die Kräfte und Anlagen­geschwindigkeiten) instabiler Systemzustände an den Kernziehbänken, konnten zudem Demonstratoren realisiert werden, die einen unmittelbaren betrieblichen Nutzen erzeugen. So können wir heute Brachen-Benchmark-Forderungen von 0,5mm:1000mm-Geradheit unserer Präzisionsstahlrohre erfüllen und erfolgreich am Markt anbieten. Die Kosten für Werkzeugverschließ und ungeplante Reparaturen an den Rohrziehanlagen haben sich durch die Industrie 4.0-Anwendungen um zweitstellige Prozentbeträge reduziert.

Diese Beispiele wurden anschließend sukzessive auf die gesamte Fertigung ausgerollt. Im Rahmen von Fragestellungen zur Verbesserung von Werkzeugverschleiß und Minimierung von Reparaturstillständen können heute anstatt von trial-and-error-Herangehensweisen, systematische Datenanalysen der Prozessdaten durchgeführt und im Rahmen von internen Projekten oder studentischen Arbeiten sehr zielgerichtet zu einem messbarem wirtschaftlichen Erfolg geführt werden.

Mit welchen Maßnahmen wurde die Lösung erreicht?

Wir haben in einem größeren internen Projekt mit den Instandhaltungs- und IT-Abteilungen die grundlegende Infrastruktur zur Prozess-Datenerfassung, -Speicherung und -Aufbereitung geschaffen.

Anschließend haben wir im Rahmen von Transferprojekten des Spitzenclusters it’s OWL zwei Demonstratoranlagen mit dem Fraunhofer IEM mit unterschiedlichen Foki Industrie-4.0-fähig gemacht: Erstellung eines mechatronischen Konzept, Beschaffung und Implemen­tierung der Sensorik, Sammeln von Referenzdaten in Versuchsreihen, Programmierung und Training von Algorithmen zur Identifikation und Vermeidung kritischer Systemzustände auf Basis der Prozessdaten und neu hinzugefügten Sensordaten. Im Zweiten Projekt wurde eine Prozessanalyse des Einrichtprozesses durchgeführt, ein Messsystem zur Online-Geradheits­messung entwickelt, im Labor getestet und schließlich in die Anlage implementiert und in Betrieb genommen. Die Einbindung in die Anlagensteuerung und deren Anpassung zur Umsetzung eines automatischen Einrichtprozesses erfolgte anschließend. Die Methoden umfassen somit, Datenbanken-Programmierung, Front- und Back-End-Programmierung, Schnittstellendefinition und Steuerungsanpassungen aller SPS, mechatronische Konzeptio­nierung und Messtechnikerstellung, mathematisch-statistische Analyseverfahren (KNN, Zeitreihenanalysen, evolutionäre Algorithmen), SPS-Programmierung, Beschaffung und Einbau der Hardware (Messtechnik und Steuerungsbaugruppen), Fraunhofer-eigenes tool zur Erstellung und Visualisierung von Prozesslandschaften.

Was können andere davon lernen?

Die frühe Einbindung der Mitarbeiter, regelmäßige Berichte auf Betriebsversammlungen, in Aushängen, Newslettern etc. sowie die frühe Einbindung des Betriebsrates waren sicherlich ein Erfolgsfaktor bei der Projektumsetzung. Auch die Beteiligung von Experten (hier Cluster it’s OWL, Fraunhofer IEM und Nixdorf Institut der Universität Paderborn) und der Austausch mit anderen Unternehmen aus Netzwerken wie it’s OWL und lokalen Wirtschaftsförderungs­initiativen hat geholfen die Projekte erfolgreich durchzuführen. Als KMU war es gut und richtig, eine Mischung aus internem Know-How-Aufbau bei den beteiligten Abteilungen (z.B. elektrische Instandhaltung und Prozessentwicklung) und Hinzunahme externer Partner bei der Projektrealisierung zu finden.