Er zählt die Tage. Helmut Müller läutet die letzten Wochen seines Arbeitslebens ein. In drei Wochen feiert er seinen Abschied, danach schließt der Instandhalter das letzte Mal seine schwarze Kladde – sein persönliches Wissensmanagement-Tool, seine Datensammlung zu den vielen Spritzgussmaschinen im Werk. In ihr hat er alle Besonderheiten, alle Tücken, jedes ‚Hüsteln‘ der Maschinen notiert – über 30 Jahre hinweg. Der Chef hat ihn dafür immer bewundert, der Junior wohl auch belächelt.

Zwar bleibt die Kladde nach Müllers Ausscheiden im Unternehmen; doch wer kann die Aufzeichnungen interpretieren, wer versteht die Daten, wer kennt die Kniffe von Helmut, fragen sich die Jungen. Kurzum: Das Unternehmen steht vor einer enormen He­rausforderung, zumal Maschinen und Anlagen immer komplexere mechatronische Systeme darstellen. Diese erfordern zunehmend eine enge Verzahnung der verschiedenen Gewerke Maschinenbau, Elektrotechnik, Informationstechnik sowie der reinen Informatik auf ERP-Ebene.

Um die steigende Komplexität solcher Projekte in den Griff zu bekommen, etabliert sich derzeit im Engineering ein Modul- und Modell-orientierter Ansatz; und eben dieser ermöglicht die Implementierung eines zukunftsträchtigen Wissensmanagements. Der Modulbegriff beinhaltet, dass Maschinen und Anlagen in logische Funktionseinheiten zerlegt werden. Mit vorgefertigten Softwaremodulen – beispielsweise für das Befüllen eines Behälters, für die Zuführ­einrichtung von Teilen oder den Versand einer Alarmierungs-E-Mail – lässt sich die hierfür erbrachte Engineering-Leistung mehrfach verwenden. Auch bereits bestehende Anlagen sind dann einfach und effizient um Funktionen erweiterbar. Gleichzeitig ermöglicht ein modularer Ansatz iterative Entwicklungs- und Verifikationsprozesse, die das Engineering beschleunigen. Handelt es sich bei den Softwaremodulen um gekapselte, getestete und compilierte Einheiten, die über klar definierte Schnittstellen Daten austauschen können, muss der Maschinen- und Anlagenbauer keine Kenntnisse mehr darüber haben, was im Detail in dem Modul steckt. Er kann die Funktion respektive das Softwaremodul folglich als handelbares Gut nach Bedarf hinzukaufen und in seine Lösungen integrieren.

Schon heute nutzen die Gewerke ab­strahierte Modelle, um die Realität abzubilden. Im Maschinenbau sind dies zum Beispiel CAD-Pläne, in der Elek­trotechnik Schaltpläne. Im modellbasierten Engineering werden einzelne Teilfunktionen in Funktionsmodule mit entsprechenden Schnittstellen zerlegt, so dass eine strukturierte und vereinfachte Abbildung der Realität entsteht. Für die Implementierung gibt es je nach Aufgabe verschiedene Möglichkeiten, zum Beispiel das Matlab/Simulink-Modell für den Regelkreis oder ein IEC-61131-Programm für eine Ablaufsteuerung.

Den ganzheitlichen Prozess in den Mittelpunkt stellen

Viele Anbieter von Automatisierungstechnik haben bereits begonnen, einen solchen Modul- und Modell-basierten Engineeringprozess zu unterstützen, auch weil manche Maschinenbauer dies explizit fordern. Denn sie wollen und müssen ihren Kunden Antworten geben, wie die Wissens-Kladde der Zukunft aussieht.

Generell ist die Branche jedoch immer noch stark in konventionellen Denkansätzen verhaftet, gerade was den Prozessüberbau angeht. Hierzu gehört der Aspekt, dass die Mitglieder der verschiedenen Gewerke im Rahmen ihrer Projekte heute eher fokussiert auf ihre individuelle Aufgabe blicken als ganzheitlich das Ziel – sprich die übergeordnete Funktion – im Auge zu haben. Geht es zum Beispiel darum, die Funktion ‚Bohren‘ umzusetzen, zieht vereinfacht ausgedrückt in der Regel der Mechaniker los, um die Bohrmaschine per CAD zu konstruieren, der Elektrotechniker erstellt einen Schaltplan, und der Automatisierer programmiert die Steuerung. Und erst abschließend werden die Gewerke miteinander verknüpft.

Das Projekt sollte jedoch andershe­rum angegangen werden, indem im ersten Schritt zunächst die Funktion Bohren innerhalb des technischen Prozesses definiert wird: In welchem Kontext soll gebohrt werden, um welches Material handelt es sich, was für Umgebungsbedingungen herrschen hier und so weiter? Dieser Gedanke des ganzheitlichen System-Engineering wird bisher in der Regel noch nicht gelebt. Um aber komplexe Zusammenhänge einfacher und schneller erfassen zu können, ist dies unerlässlich.

Aus Daten entsteht Wissen: Maschinen­daten werden in Komponenten zusammengefasst und logisch zugeordnet.

© Bachmann

Eine einheitliche ‚Weltsprache‘, mit der sich alle Gewerke untereinander direkt austauschen können, wird es aller Wahrscheinlichkeit nach nicht geben. Daher ist ein übergeordnetes Werkzeug vonnöten, das die Abstimmung der Prozesse übernimmt. Die Systems Modeling Language (SysML), eine grafische Modellierungssprache für komplexe Systeme, bietet heute schon einen ersten Ansatz. In Zukunft wird System-Engineering deutlich weiter gefasst werden und sich näher am Prozess orientieren müssen. Gefragt ist also eine eigene Prozesssprache, die aus der Perspektive des Anlagenherstellers getrieben und für die Teilnehmer aller Gewerke verständlich sein sollte.

Erste Schritte in diese Richtung gibt es mit der Namur-Empfehlung (NE) 148 in der Verfahrenstechnik. Der Verband verfolgt mit dem 2013 veröffentlichten Dokument das Ziel, die Zeitspanne zwischen Produkt-Idee und Markteinführung drastisch zu reduzieren und Betreibern von Prozessanlagen mehr Flexibilität zu geben, sich auf die immer schneller ändernden Anforderungen der Kunden und Märkte einzustellen. Hierfür beleuchtet die Empfehlung den gesamten Lebenszyklus einer prozesstechnischen Anlage im Umfeld eines modularen Anlagendesigns und formuliert die daraus resultierenden Anregungen und Rahmen­bedingungen zur Realisierung der Automatisierungstechnik.

An der Weiterentwicklung eines ähnlichen Konzepts, das den Grundstein für eine Lösung im Maschinenbau legt, arbeitet Bachmann derzeit. Es besteht aus einer übergeordneten Ebene für die Prozessüberwachung und -steuerung, die mit prozessorientierten intelligenten und autarken Funktionsmodulen kommuniziert. Wichtig ist es, hier eine einheitliche Schnittstelle zu schaffen, über die alle Software-Module kommunizieren, so dass Anwender diese nicht mehr händisch programmieren brauchen.

Wissensspeicher über Anlagen- und Betreibergrenzen hinweg

Neben dem Gedanken, den ganzheit­lichen Prozess in den Mittelpunkt zu stellen, besteht ein weiterer wichtiger Aspekt hin zum optimalen Engineering-Tool in der Erweiterung des Modulbegriffs. Die Idee, die dahinter steckt: Softwaremodule werden über den Zeitpunkt der Inbetriebnahme hinaus sowie über Anlagen- und Eigentümergrenzen hinweg um Wissen über die konkrete Nutzung erweitert und das Engineering-Tool entwickelt sich somit zum Wissensspeicher. Auf diese Weise wird letztlich jedes ‚Hüsteln‘ der Maschine gespeichert.

Das neuartige Datenmanagement sorgt dafür, dass ausschließlich autorisierte Personen, jeweils ausgestattet mit zielgruppen­spezifischen Nutzungsrechten, Zugriff auf die weltweit gesammelten Daten haben.

© Bachmann

Soviel zur Theorie. Doch wie sieht die aktuelle Praxis aus? Investitionsgüter wie Pressen haben eine Lebensdauer von 30 Jahren. In diesem Zeitraum werden sie wiederholt umgebaut. Oberstes Ziel des Betreibers in all diesen Jahren ist es, die Produktivität und Verfügbarkeit der Maschine oder Anlage zu maximieren. Das Standardvorgehen von Müller und seinen Kollegen ist zurzeit die präventive Wartung. Das heißt, Verschleißteile wie die Hauptzylinder einer Druckgussmaschine oder die Lager einer Walze werden nach bestimmten Zyklusvorgaben unabhängig vom realen Verschleißzustand präventiv ausgetauscht. Bei dieser Vorgehensweise kann es dazu kommen, dass diese stark beanspruchten Komponenten zu früh, zu spät oder zu einem ungünstigen Zeitpunkt ausgewechselt werden, wodurch unnötige Kosten entstehen.

Demgegenüber bietet eine zustandsbasierte Wartung, die auf Informationen zur wahren Verwendung und dem realen Verschleiß basiert, deutliche Vorteile. Die Hemmschwelle für einen Wechsel von präventiver zu zustandsbasierter Wartung ist in der Industrie jedoch immer noch hoch, denn es werden hohe Aufwände und Kosten damit verbunden. Eine Befürchtung, die vielfach unbegründet ist; denn mittels intelligenter Software-Konzepte, welche die größtenteils von bereits existierender Hardware bereitgestellten Daten nutzen, ist die Realisierung heute schon  ohne großen Mehraufwand möglich. An einem solchen Konzept arbeitet Bachmann und integriert in dieses zudem die visionäre Idee, mit Hilfe der Datenaggrega­tion gewonnene Informationen zur tatsächlichen Maschinennutzung über verschiedene Kunden hinweg intelligent weiterzuverwenden.

Dieser Ansatz bringt dem Maschinenbauer diverse Mehrwerte: So bieten die Nutzungsdaten wertvolle Fakten und Anregungen für die optimale Auslegung zukünftiger Maschinen. Vor dem Hintergrund, dass momentan generell nur 20 bis 50 % der entwickelten Funktionen einer Maschine später auch genutzt werden, ist dies ein nicht zu unterschätzender Vorteil. Darüber hinaus versetzen die Nutzungsdaten den Maschinenbauer in die Lage, die Endkunden hinsichtlich der bestmöglichen Verwendung ihrer Maschinen gezielt zu beraten. Weiß ein Maschinenbauer zum Beispiel, dass bei 70 % all seiner im Einsatz befindlichen Bohrmaschinen einer Art nach 1000 Bohrungen der Bohrer abbricht, dann ist das ein Erfahrungswert, den er mit Empfehlungen zum Austausch des Bohrers oder Bohrwerks weitergeben kann.

Da der Maschinenbauer nun in der Lage ist, dem Endkunden eine bessere Planbarkeit der Service-Einsätze zu bieten, sind auch verlängerte Garantiezeiten sowie neue Service-Angebote denkbar. Diese könnten im Austausch gegen die Erlaubnis zum Datenzugriff zur Verfügung gestellt werden. Der Endanwender profitiert zudem davon, dass seine Maschine oder Anlage, die im Falle von stark verschlissenen Komponenten nicht nur das Service- oder Wartungspersonal informiert, sondern auch einen gedrosselten Betrieb initiieren kann, beispielsweise einen günstigeren Zeitpunkt für die notwendigen Wartungsmaßnahmen abwarten kann. Immer wichtiger wird in diesem Zusammenhang auch das Thema standardisierte Schnittstellen. Bachmann setzt hier auf bereits verfügbare Standards, wie zum Beispiel OPC-UA oder HTML5.

Erste Erfahrungen mit dem erweiterten modularen Ansatz im Engineering sammelt Bachmann derzeit mit dem neuen Softwaremodul Flotten-Management-System (FMS). Dieses erfasst, speichert, aggregiert und analysiert Daten aus den in der Maschine verbauten Sensoren und Aktoren – etwa die Anzahl der Pumpenanläufe oder Ventilschaltspiele, Anlauf-/Hochlaufzeiten von Pumpen oder auch die Laufleistung von Zylindern. Das Konzept orientiert sich beim Aufbau der Daten an dem VDMA-Einheitsblatt 24582 für Überwachungsfunktionen in Pneumatik, Elektrik, Hydraulik und Mechanik.

Modul-Erweiterung am Beispiel Flotten-Management

ie Informationen werden über ein Systemvariablen-Interface weiteren lokalen Modulen, der Visualisierung sowie dem MES-System zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise lassen sich Warnmeldungen wie „Sandfilter ist verstopft. Filter reinigen“ direkt an die Betriebsführung weiterleiten und mit der Anlagenvisulisierung koppeln, sodass zum Beispiel der Betrieb aufgrund von erhöhtem Verschleiß heruntergefahren werden kann, bis ein Austausch des Filters möglich ist.

Darüber hinaus unterstützt das FMS ein verteiltes Datenmanagement, das die Überwachung vieler Anlagen auch über Unternehmensgrenzen hinweg mit unterschiedlichen Berechtigungen erlaubt. Das bedeutet, der Maschinenbauer kann die Daten der Maschine X weltweit nicht nur beim Kunden A, sondern auch bei den Kunden B und C abfragen, so dass er verlässliche, vergleichbare Informationen über die unterschiedliche Nutzung der Maschine erhält. Möglich macht dies das Prinzip der ‚private cloud‘ auf Basis der Atvise-Technologie. Dieses verbindet die Vorteile der weltweit verfügbaren Cloud zur Datenspeicherung und zum Datenaustausch mit der Möglichkeit der zielgruppenspezifischen Vergabe von Nutzungsrechten mithilfe eines einfach zu bedienenden, vorkonfigurierten Web-Portals. Flexible, skalierbare Nutzeroberflächen erlauben dann die komfortable Auswertung der Daten in Abhängigkeit der unterschiedlichen Nutzerbedürfnisse von der Entwicklung bis hin zum Service. Und Müllers Instandhaltungs-Kladde hat dann endgültig ausgedient!

Autor: Georg Scharf ist Produktmanager Engineering bei Bachmann Electronic.