Die Digitalisierung und Vernetzung einer analogen Industrieanlage kann über zwei Wege erfolgen. Der klassische Weg ist die Ersatzbeschaffung: Eine neue, smarte Maschine lässt sich einfach in eine vernetzte Produktion einbinden. Da der Maschinenpark deutscher Unternehmen ein durchschnittliches Alter von 15 bis 20 Jahren vorweist, ist das oftmals keine Option, da durch lange Restlaufzeiten die notwendigen Investitionen für neue Maschinen zu hoch wären [1]. Das ‚Smart Retrofit‘ von Maschinen, sprich: das Ausstatten bestehender Fertigungsanlagen mit eingebetteten Systemen und Sensorik mit dem Ziel der digitalen Anbindung, kann hier Abhilfe schaffen. Mit Hilfe von geringen Investitionen kann eine noch vollständig intakte Anlage so zu einem cyberphysischen System weiterentwickelt werden.

Die Methodik-Toolbox ‚Digitalisierungsbaukasten‘

Bild 1. Die ‚5 Times Why‘-Methode (Das fünffache Warum) aus dem Toyota Produktionssystem.

© Bosch Rexroth

Um die Potenziale des Smart Retrofit vollständig auszunutzen, muss ein systematischer Ansatz gewählt werden. Der Ansatz der Toolbox ‚Digitalisierungsbaukasten‘ orientiert sich am klassischen Dreiklang aus Problem Identifikation, Lösungsfindung und technischer Umsetzung.

Zur Definition des Problems wird die Methode ‚5 Times Why‘ (Bild 1), aus dem Toyota Produktionssystem verwendet [2]. Sie liefert einen Ansatz, der die wahre Ursache des Problems herausfiltern soll. Die Methode stellt den Sprung zur technischen Umsetzung der Lösung dar. Dazu wird die benötigte Funktion (Ergebnis von ‚5 Times Why‘) in mehrere Lösungsbausteine zur Realisierung aufgeteilt. Dadurch erleichtert man die Wiederverwendung der Komponenten für weitere Problemstellungen [3].

Nach Aufteilung der benötigten Funktion in mehrere Lösungsbausteine werden Anforderungen an die technische Realisierung gesammelt und in eine Lösungsskizze überführt. Um die Lösung wirtschaftlich betreiben zu können, ist die Prüfung auf den Gebrauchsnutzen ein wichtiger Bestandteil dieser Methode [4].

Digitalisierungslösungen müssen nicht nur ein Problem beheben, sondern auch den User und dessen Arbeitsaufgabe in die wirtschaftliche Lösung einbeziehen.
Nach der Methodik für die konzeptionelle Entwicklung des Anwendungsfalles muss nun die technische und organisatorische Umsetzung im Rahmen von technischen Elementen sowie der Konzeption der notwendigen IT-Architektur betrachtet werden.

Die Methodik in der Anwendung

Bild 2. Logischer Aufbau des CPS-Systems mit Edge Device.

© Bosch Rexroth

Um eine Maschine ‚smart‘ aufzurüsten, muss – bezogen auf die technischen Elemente – zunächst die Frage nach messbaren Größen gestellt werden. Diese Messgrößen dürfen nicht nach dem Gießkannenprinzip ermittelt werden, sondern müssen zielgerichtet die Probleme der Ursachenanalyse der ‚5 Times Why‘-Methode betrachten. Die hierdurch ermittelten Bedarfsdaten zur Analyse sind sensorisch abzubilden.

Für die Datenerfassung und Datenübertragung eignet sich ein Edge Device mit Gateway-Funktion und intelligenter Steuerung für höhere Ansprüche. Wichtig zu erwähnen ist auch die Skalierbarkeit des Systems: Sollen im Nachgang weitere Anwendungsfälle abgebildet werden, sollte das System jederzeit ohne große Mehraufwände und Kosten erweiterbar sein.

Die Grundvoraussetzung zum Datentransfer stellt eine Netzwerktopologie mit angepasstem Sicherheitskonzept dar. Die Kernelemente sind dabei das Edge Device, das MES und ERP oder eine IoT-Plattform. Das Edge Device übernimmt alle Tätigkeiten rund um die Maschine. Es erhält Aufträge vom MES und steuert die Maschine über eine integrierte SPS. Gleichzeitig erhält das Device die Daten aus der neu integrierten Sensorik und steuert, aus gewonnen Erkenntnissen in den Daten, eine entsprechende Aktorik an. Bild 2 zeigt den Aufbau des Smart Retrofit Systems.

Am Beispiel eines SMD-Lötofens (Surface-Mounted Device) soll die Methodik erläutert werden. Die Herausforderung beim Beispiel ist das Einhalten einer konstanten Temperatur innerhalb des Ofens. Die ‚5 Times Why‘-Analyse hat ergeben, dass die Temperatur neben dem Heizelement maßgeblich durch einen Lüfter im Gehäuse reguliert wird. Ziel des Anwendungsfalls muss also sein, die Störung, zum Beispiel Ausfall oder Vibration, des Lüfters zu detektieren und eine Eskalation des Fehlers zu starten.

Mit Hilfe der ‚5 Times Why‘-Methode konnten für den vorliegenden Anwendungsfall drei Lösungsbausteine identifiziert und ausformuliert werden:

• Detektion einer Störung des Lüfters
• Eskalation des Fehlers
• Zurücksetzen des Fehlers nach Behebung des Problems

Die Realisierung des Aufbaus

Bild 3: Physischer Aufbau der ‚Smart Retrofit‘-Lösung des SMD-Lötofens.

© Bosch Rexroth

Die Analyse des Gebrauchsnutzen der Lösungsbausteine hat ergeben, dass das MES mit der isolierten Information des Sensorwerts keine weiteren sinnvollen Aktionen triggern kann. Die Benachrichtigung wird daher mit Information über Maschinenname, Zeitstempel und Si-Einheit des gemessenen Wertes erweitert. Mit Hilfe der Basistopologie und der Lösungsskizze kann nun der in Bild 3 gezeigte Aufbau realisiert werden.

Im gegebenen Anwendungsfall wird mit Hilfe des Einlesens eines Data-Matrix-Codes ein Auftrag gestartet. Das Edge Device gibt den Steuerungsbefehl an die Maschine und startet den Lüfter. Während der Auftrag bearbeitet wird, sammelt der Vibrationssensor Daten, die ausgelesen werden, um eine Störung des Lüfters zu detektieren (vgl. Lösungsbaustein 1). Wird ein Warn-Schwellwert überschritten, gibt das System automatisch über einen Node-Red Workflow ein Ticket im MES auf, um die Instandhaltung über die Fehlermeldung zu informieren. Ebenso kann über ein Ticket im ERP-System automatisiert bereits das notwendige Ersatzteil, in diesem Fall ein Lüfter, beschafft werden. Die Software des Edge Devices ist dabei so angepasst, dass die Fehlermeldung auch automatisiert zurückgenommen werden kann.

Literatur

[1] Etz, D.; Brantner, H.; Kastner, W.: Smart Manufacturing Retrofit for Brownfield Systems, Procedia Manufacturing, 42/2020, Seite 327 - 332.

[2] Ōno, T.: Das Toyota-Produktionssystem. Campus-Verlag, 1993, Frankfurt/New York.

[3] Griss, M. L.: Software reuse architecture, process, and organization for business success in Proceedings of the Eighth Israeli Conference on Computer Systems and Software Engineering. Herzliya, Israel, 1997. Seite 86 - 89.

[4] Ergonomie der Mensch-System-Interaktion – Teil 11: Gebrauchstauglichkeit: Begriffe und Konzepte (ISO 9241-11:2018). Deutsche Fassung EN ISO 9241-11:2018, DIN EN ISO 9241-11, DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin, Nov. 2018.