Digitalisierte Pneumatik Mit dem IIoT zu effizienteren Produktionssystemen

Autor / Redakteur: Nils Beckmann* / Nico Litzel

Über mehrere Industriesegmente hinweg werden viel Zeit und Ressourcen investiert, um digitale Technologien zu optimieren. Das bietet die Möglichkeit, die Effizienz, die Produktivität und die Vielseitigkeit der Produktionssysteme und -abläufe zu verbessern.

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Auch auf dem Feld der Pneumatik können IIoT-Anwendungen Transparenz und eine gesteigerte Produktivität fördern.
Auch auf dem Feld der Pneumatik können IIoT-Anwendungen Transparenz und eine gesteigerte Produktivität fördern.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Um komplette Lösungspakete für die digitale Transformation zu entwickeln, arbeiten die Produzenten und Nutzer aus der Industrie mit Originalherstellern (OEM) und Technologielieferanten zusammen. Diese Technologien, wie zum Beispiel das Industrial Internet of Things werden eingesetzt, um eine neue Reihe von Systemleistungsdaten der Maschinen zu sammeln. Die Daten werden anschließend in brauchbare Erkenntnisse umgewandelt.

Auf diese Weise kann dem Endkunden ein vollständiges Bild über den Zustand seiner Maschine vermittelt werden. Es wird deutlich, wie die Produktionssysteme funktionieren und wo Veränderungen und Wartungsarbeiten erforderlich sind. So können Probleme korrigiert und die Leistungen maximiert werden.

Die IIoT-Transformation wird in vielen Bereichen von Fertigungstechnologien angewandt – von elektrischen Antrieben über Hydraulik bis hin zu Linearsystemen. Pneumatische Technologien sind weit verbreitete Systeme, die auch wichtige und vor allem neue Möglichkeiten für den Einsatz digitaler Tools bieten. Dank dieser Systeme kann die Produktionsleistung wesentlich schneller kontrolliert und überwacht werden.

Die pneumatischen Systeme zeichnen sich durch Sensoren, digitale Schnittstellen und Edge-Computing-Fähigkeiten aus. Die angereicherten Daten werden in Echtzeit geliefert und bieten damit den Endverbrauchern beispielsweise folgende Möglichkeit:

  • Beurteilung des Verbrauchs: Wie hoch ist der tatsächliche Bedarf von pneumatischen Druckluftmaschinen bei optimalen Betriebsbedingungen?
  • Zustand der Maschine: Wann müssen Ventile oder Zylinder ausgetauscht werden? Haben sie die maximale Lebensdauer erreicht?

Durch diese Technologien können Energieverschwendung und unkontrollierte Luftemissionen aus pneumatischen Systemen identifiziert und korrigiert werden. Echtzeitdaten über die Funktionsfähigkeit der Systeme können dazu beitragen, handlungsrelevante Erkenntnisse zu gewinnen – Wartungs- und Austauschzyklen können verbessert werden, bevor die Komponenten ausfallen oder Dichtungen verschleißen.

Herausforderung: Bessere Erträge aus der digitalen Transformation erzielen

Heutzutage weiß jeder Hersteller, dass neue Tools und Ansätze benötigt werden, um die Betriebsabläufe zu optimieren. Die Verbesserung der Gesamtproduktivität durch Automatisierung stagniert, während die Belegschaft weniger wird und immer öfter überlastet ist. IIoT ist der nächste Schritt, die Produktivität massiv zu steigern. Bei richtiger Anwendung hat die Investition in entsprechende digitale Technologien das Potenzial, diese Produktivitätskurve durch Echtzeitdaten wieder zu beschleunigen.

Eine der größten Herausforderungen, denen sich Hersteller und Technologielieferanten stellen müssen, ist die Modernisierung bestehender Produktionssysteme und Fabriken – die Produktionssysteme müssen IIoT-Anwendungen unterstützen. Viele ältere Maschinen verfügen über wenige bis keine offenen Schnittstellen, um flexibel auf Daten zuzugreifen. Infolgedessen gibt es „Produktionsinseln“, da die meisten Altgeräte nicht dafür ausgelegt sind, die für die heutigen IIoT-Anwendungen erforderlichen Maschinendaten auszugeben.

Diese Bedingungen erschweren es den Herstellern, ihre Ziele in Bezug auf die Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness, OEE) zu erreichen, da nützliche Daten im Mittelpunkt der OEE-Programme stehen. Die richtigen digitalen Technologien können dazu beitragen, diese Kennzahl durch die verschiedenen Optimierungen zu verbessern, wie zum Beispiel:

  • Verfügbarkeit: Benutzerdaten von pneumatischen Geräten liefern zusammen mit Edge-Gateways Einblicke, um Instandhaltungsentscheidungen zu treffen
  • Leistung: Die Verwendung von Daten auf Geräteebene wird zur Messung und Überwachung der Geschwindigkeit und Lebensdauer der Gerät verwendet, was sich auf Leistung und Durchsatz auswirkt
  • Qualität: Die richtigen Daten, die über Edge-Gateways und Visualisierungssoftware bereitgestellt werden, können schnell analysiert und interpretiert werden, um die Ursachen von Qualitätsproblemen zu beseitigen

Die digitale Transformation erfordert die Verbesserung der wichtigsten operativen Bereiche. Themen wie Sicherheit, Zuverlässigkeit, Produktionsoptimierung, Leitung der Arbeitskräfte sowie die Reduzierung von Emissionen zählen dabei zu den wichtigsten Aspekten. Die Auswirkungen, die digital unterstützte Pneumatik auf die Verbesserung der Energieeffizienz und die Reduzierung der Gesamtkohlenstoffemissionen haben kann, können dabei beträchtlich sein: Kontinuierliche Analysen können Undichtigkeiten erkennen und verhindern. Zudem kann der Energieverbrauch besser gemessen und dynamisch mit der Produktion optimiert werden. Eine effizientere Energienutzung kann zudem auch zur Verringerung des ökologischen Fußabdrucks beitragen.

Digitalisierte Pneumatik bietet vielfältige Transformationsmöglichkeiten

Die jüngste Generation der Pneumatik umfasst digitale Technologien, die den Herstellern helfen sollen, die Leistung, die Langlebigkeit und den Wert der Pneumatiksysteme zu optimieren. Gleichzeitig soll sie zu mehr Energieeffizienz beitragen, indem sie die Schadstoffbelastung und CO2-Emissionen in der Luft reduzieren.

Zu den drei Schlüsselbereichen, in denen Fluidsteuerung und pneumatisches Leistungsmanagement bei den IIoT-Anwendungen einen bedeutenden Einfluss haben können, gehören:

Luftverbrauch:

Auch Druckluft ist eine Energiequelle, deren Verbrauch oft nicht gut gemessen oder optimiert ist. Schätzungen zufolge entfallen 20 bis 30 Prozent des gesamten Energieverbrauchs in einer Fertigung auf Druckluft. Ein Gesamtdruckluftnetz hat durchschnittlich Leckagen von 30 Prozent. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass mehr Druckluft verbraucht wird als eine bestimmte Maschine zur ausführung der Aufgaben benötigt. Zusätzlich können Leckagen auftreten, die zu erhöhten Energiekosten führen. Des Weiteren sind sie auch ein guter Indikator für den Verschleiß der Komponenten.

Neue Plattformen bieten eine kontinuierliche Überwachung und Visualisierung des Druckverbrauchs. Diese Systeme bieten eine Reihe von Skalen, die Auswertungen unter anderem pro Tag, pro Stunde oder pro Prozessschritt ermöglichen. Es gibt sogar Tools, für die Zuordnung von Luftverbrauch und Luftverbrauchskosten für jedes fertiggestellte Objekt.

Die Daten werden von Sensoren an optimalen Positionen im Luftzufuhrsystem erfasst und Alarm erfolgt bei Leckagen in Echtzeit. Edge-Gateways erfassen und liefern verwertbare Daten an das Anlagen- und Betriebsmanagement für eine längerfristige Analyse. Die Auswirkungen dieser Lösungen können beträchtlich sein: verbesserte Energieeffizienz und OEE durch effektivere Nutzung von Druckluft und frühzeitiger Leckerkennung, Reduzierung geplanter und ungeplanter Ausfallzeiten und 10 bis 20 Prozent potenzielle Reduzierung der Energiekosten für Druckluft und des CO2-Fußabdrucks.

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Überwachung von Ventilen und Zylindern:

Für pneumatische Ventile, Zylinder und Aktuatoren gibt es empfohlene Lebenszyklen, die auf der Lebensdauer für eine bestimmte Anwendung sowie auf dem Design und der Konstruktion des Geräts basieren. Diese Lebenszyklen sind für die Fertigungsproduktivität von entscheidender Bedeutung. Wenn also ein Ventil oder ein Aktuator verschleißt oder versagt, kann dies zu verringerten Zykluszeiten, ungeplanten Ausfallzeiten und potenziellen Qualitätsproblemen führen.

Aus betrieblicher Sicht stellt sich immer wieder die Frage: Wann sollen Komponenten, die sich dem Ende ihrer Lebensdauer nähern, ersetzt werden? Wenn sie versagen oder früh genug, um ein Versagen zu verhindern? Die neueste Generation von Pneumatikventilen und -zylindern verfügt über Sensoren, die die Beantwortung dieser Frage erheblich erleichtert.

Diese neueren Produkte überwachen kontinuierlich den Ventil- und Antriebsverschleiß durch die Analyse verschiedener Parameter. Sensoren können auf verschiedene Weise vernetzt werden: Sie generieren eine E-Mail oder eine SMS sobald ein kritischer Wert im Herstellungsprozess überschritten wird. Wenn sofortige Maßnahmen erforderlich sind, können diese ergriffen werden. Dies kann auch ein relevantes Tool sein, wenn es um die Beurteilung der Frage geht, warum die Laufzeit einer bestimmten Maschine im Vergleich zu den bisherigen Werten steigt oder fällt.

Edge Analytics und Visualisierung:

Eines der wichtigsten Ziele der digitalen Transformation sind verfolgbare Daten: Informationen über die Leistung von Fertigungssystemen bilden die Grundlage für Entscheidungen zur Verbesserung der OEE und zur Reduzierung von Emissionen. Es gibt eine Reihe von führenden Pneumatikanbietern, die Systeme und Lösungen konfigurieren, um diese Ziele zu erreichen. Durch Edge-Computing-Gateways und Visualisierungssysteme können die Systeme leicht in neue und bestehende Fertigungsplattformen integriert werden.

Wenn Fertigungssysteme über mehrere Quellen für pneumatische Daten von verschiedenen Standorten aus verfügen, ist es schwierig, Verbesserungsmöglichkeiten zu visualisieren. Edge-Computing-Gateways können Pneumatikdaten mit prozessrelevanten Systemdaten korrelieren, die über OPC UA an Cloud-basierte Analyseplattformen gesendet werden. Außerdem unterstützen immer mehr Produkte solche IIoT-Protokolle direkt, so dass die Edge-Computing-Analyse vom Gerät selbst durchgeführt wird. Durch die Visualisierung der Daten an einem Ort werden verwertbare Erkenntnisse wesentlich schneller bereitgestellt. Darüber hinaus sind die Daten besser organisiert und können die Grundlage für die Verbesserung der vorausschauenden Wartungsprozesse bilden. Dadurch können die Produktionsbetriebszeit erhöht, bessere Diagnosen von Prozessstörungen ermöglicht und die Fertigungsqualität verbessert werden.

Ein weiterer Vorteil dieser Edge-Computing-Gateways ist, dass sie für den Einsatz auf älteren Produktionssystemen entwickelt wurden. In vielen Fällen sind sie skalierbar und können ohne Änderungen an der bestehenden Technologie weiterentwickelt werden. Einige Unternehmen bieten eine flexible Technologiearchitektur an, die Maschinensteuerung und Edge-Analysen in einer Steuerung kombiniert. Diese Systeme sind PLC-agnostisch, das heißt, es sind keine Änderungen der PLC-Sequenz erforderlich und das Ergebnis der Analyse kann mithilfe von Dashboards vor Ort, Cloud Computing oder vorhandenen Softwareplattformen für den Anlagenbetrieb visualisiert werden. Somit eignen sich diese Systeme auch zum Retrofit einer Maschine.

Die richtigen, digitalen Transformationsschritte

Die Gelegenheit für revolutionäre Ergebnisse durch die Anwendung der IIoT-Technologien ist tatsächlich vorhanden, aber Technologie ist Evolution, nicht Revolution – auch wenn es den Anschein haben mag, als ob das IIoT viele Visionen der Fertigung übernimmt. Allein der Einsatz von mehr Sensoren und das Sammeln von mehr Daten wird hartnäckige Fertigungsprobleme nicht lösen – insbesondere nicht solche, die mit Energieverbrauch und Emissionen zusammenhängen.

Das Angebot neuer, digital-fähiger Technologien kann einen bedeutenden Unterschied machen, wenn Hersteller und Analgenbetreiber ein klares Verständnis der zu lösenden Probleme haben. Verfahren, bei denen die bestehende Infrastruktur genutzt wird, sind leichter zu realisieren. Veränderungen können aber nicht nur durch bessere oder mehr Echtzeit-Analysen erreicht werden: Die Menschen müssen in die Lage versetzt werden, Änderungen an Prozessen und Systemen in Abhängigkeit von der Entwicklung vorzunehmen, die die Daten ihnen vorgeben.

Veränderung können schwierig, aber auch befreiend sein; einer der besten Schritte ist die Zusammenarbeit mit OEMs und Technologielieferanten, die ein tiefes Verständnis und den Willen haben, den digitalen Wandel in ihren Systemen und Produktportfolios voranzutreiben.

Intelligente Geräte, Bewegungskontrollen, Analysen auf Geräteebene, Maschinenkontrollen, Edge Computing Systeme, sowie mehrstufige Analysepakete ermöglichen auch Pneumatik-Lieferanten mehr Optionen. Die gewonnenen Erkenntnisse können helfen, die effektivsten Methoden zur Anwendung der neuesten Technologien auf Herausforderungen oder Probleme zu entwickeln. Sie können auch dazu beitragen, dass die Ziele der Emissionsreduzierung, der Verbesserung der Energieeffizienz und der allgemeinen digitalen Transformation erreicht werden. Vor allem aber können mithilfe der digitalen Technologien Probleme schneller erkannt und die Leistung der Produktionssysteme maximiert werden.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal Industry of Things. Verantwortlicher Redakteur: Sebastian Human

* Nils Beckmann arbeitet als Product Marketing Manager IIoT Integration for Fluid Control & Pneumatics bei Emerson.

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