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ifak & Papiertechnische Stiftung PTS

Standards im Praxistest

17. Juni 2021, 09:31 Uhr   |  Meinrad Happacher

Standards im Praxistest
© PTS/ stock.adobe

Individuell angepasste Industrie 4.0-Lösungen – auch in konservativen Branchen ist dies umsetzbar. Ifak und PTS belegen dies mit einem Beispiel in der Papierindustrie.

Die Herstellung von Papier ist sehr kapitalintensiv. So belaufen sich die Kosten einer neuen Papiermaschine schnell auf 500 Mio. Euro. Neuinvestitionen sind in Europa aufgrund der wirtschaftlichen Lage im Papiersektor selten und der globale Markt unterliegt einem stetigen Preisdruck.

Damit steht die Branche vor der Herausforderung, dass eine Vielzahl von Bestandsmaschinen in das digitale Zeitalter transformiert werden müssen. Gleichzeitig ist der Prozess der Papierherstellung sehr komplex, sodass sich prozesstechnische Änderungen nur sehr vorsichtig vornehmen lassen, um einen gut laufenden Prozess nicht zu destabilisieren. Dies sind Gründe, warum die Branche in Bezug auf Veränderungen als sehr konservativ gilt. Trotzdem bietet die Digitalisierung auch in der Papierindustrie Potenzial für revolutionäre Fortschritte. Durch die nahezu vollständige Automatisierung ist der Prozess mit einer Vielzahl an Aktoren und Sensoren ausgestattet, die qualitative Daten des Prozesses liefern. Dies bildet eine solide Basis für die Anwendung von neuen Analysemethoden, Industrie 4.0-Konzepten und dem Einsatz von KI-basierten Algorithmen zur selbstoptimierenden Produktion für die Transformation einer Papierfabrik hin zu einer Smart Factory. Die Vielzahl an möglichen Technologien und Standards stellt die Unternehmen oft vor die Herausforderung, die Interoperabilität der Bestandssysteme mit den zukünftigen Technologien bewerten zu müssen.

Die folgenden Ausführungen belegen an Beispielen, wie eine Industrie 4.0-Transformation schrittweise mit Bestandsmaschinen gelingen kann.

Schrittweise Anpassung

Das Industrie 4.0-basierte Wertschöpfungsnetzwerk
© PTS

Das Industrie 4.0-basierte Wertschöpfungsnetzwerk

Bei der schrittweisen Integration von Industrie 4.0 in Maschinen sind die Sensoren, Aktoren und die Steuerung digital zu beschreiben. Diese real existierenden Gegenstände werden in der I4.0-Sicht als Assets bezeichnet. Zu jedem Asset existiert eine Verwaltungsschale, welche für die digitale Beschreibung und Kommunikation mit dem restlichen Industrie 4.0-System verantwortlich ist. Die Architektur der Bestandssysteme gilt es so zu entwickeln, dass über die Verwaltungsschale I4.0-konform kommuniziert werden kann. Die Migrationsschritte hin zu einer Industrie 4.0-Architektur umfasst folgende Schritte:

  • Schrittweise Einführung IP-basierter Kommunikationsprotokolle
  • Definition und Nutzung standardisierter Informationsmodelle
  • Bereitstellung darüberhinausgehender Mehrwerte. 

Entsprechend lässt sich die Architektur für die firmenübergreifende Nutzung der Daten wie folgt gestalten.

Generell existieren drei Elemente, welche jeweils durch eine Verwaltungsschale zu vernetzen sind:

1. Das Erfassen und Bereitstellen von Daten (siehe Bild oben: a und b) erfolgt durch das 
Einbinden von Sensoren, von Engineering-Dokumenten, Dokumentationen, Produkt- und Planungsdaten oder einer Softwarequelle, welche Daten bereitstellt. Wichtig dabei ist, dass hier die Daten durch technische Maßnahmen nur in eine Richtung übertragen werden können. Dies schließt die Rückwirkung der Analyse-Plattform auf den Prozess aus. Das Ziel ist hier, Daten über einheitliche Schnittstellen in das System zu bringen. Damit ist nicht nur eine Vereinheitlichung hinsichtlich des Protokolls beziehungsweise der API verbunden, sondern vielmehr die Definition einer einheitlichen Semantik über die Teilmodelle einer Industrie 4.0-Verwaltungsschale.

2. Die Anwendung von Algorithmen auf Daten (siehe Bild oben: c) nutzt die bereitgestellten Daten als Basis für eine modellbasierte Analyse, für das Lernen von KI-Anwendungen oder zur Bewertung durch eine bereits trainierte KI-Anwendung. Die Semantik der Daten wird über die Teilmodelle der Verwaltungsschale definiert. Dabei gibt es neben Teilmodellen für zum Beispiel Temperatursensoren oder Stellventile auch Teilmodelle zur Realisierung der Interaktion zwischen Verwaltungsschalen. Damit sind verschiedene Arten der Interaktion definiert – vom simplen Abfragen von Werten bis hin zur Umsetzung einer Verhandlung (Smart-Contracts).

Es werden also sowohl herkömmliche Geschäftsmodelle als auch zukünftige IoT-Geschäftsmodelle unterstützt.

3. Zur Einbindung der Daten (siehe Bild oben: d)  welche durch die Analyse gewonnen wurden, gilt es zunächst zu entscheiden, ob aus Sicherheitsgründen nur ein lesender Zugriff auf den Prozess erfolgen soll, oder ob ein schreibender Zugriff erlaubt wird. Mit einem lesenden Zugriff lassen sich diverse interessante Mehrwerte schaffen: Eine Qualitätskontrolle, eine Optimierung oder vorbereitende Simulationen. Die Umsetzung des schreibenden Zugriffs erlaubt die Realisierung von Regelkreisen; zum Beispiel die Nutzung der Daten als Input für einen modellprädiktiven Regler oder von Online-Optimierung durch ein neuronales Netz.

Die Architektur erlaubt es, die Daten firmenübergreifend im selben Netzwerk zu nutzen. So lässt sich etwa die Analyse-Hardware eines Herstellers in das System einbinden und die Daten für die Analyse-Software eines weiteren Herstellers zur Verfügung stellen. Dabei gilt es, den Datenaustausch möglichst Plug&Play-fähig zu gestalten.

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1. Standards im Praxistest
2. Aufbau der Verwaltungsschale

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