Industrie 4.0 nachgerüstet
Effizientere Zustandsüberwachung via IoT-Gateway
Viele Anlagenbetreiber stellen sich die Frage, wie sie ihre Bestandsmaschinen für Industrie 4.0 ertüchtigen können. Geht es etwa darum, eine einfache Anbindung von Lösungen für die Zustandsüberwachung zu realisieren, ist der Einsatz von IoT-Gateways ein lohnender Ansatz.
Beim Gedanken an Industrie 4.0 hat man meist nagelneue Produktionslinien mit modernster Technik vor Augen. Doch der derzeitige Innovationszyklus ist schneller als die Lebensdauer von Maschinen und Anlagen. Daher suchen etliche Unternehmen derzeit nach Wegen, ihre älteren aber nach wie vor funktionsfähigen Maschinen weiter nutzen und dabei trotzdem in die neue Umgebung einbinden zu können. So auch Bosch Rexroth im Werk in Homburg, wo unter anderem Hydraulikventile gefertigt werden, die in mobilen Arbeitsmaschinen wie Traktoren zum Einsatz kommen.
Die Ventile haben dort die Aufgabe, die Arbeitshydraulik zu steuern. Im Rahmen des Fertigungsprozesses fräsen und bohren Bearbeitungszentren hochpräzise Kanäle und Bohrungen in die Gussrohlinge. Nach der Reinigung und der Montage der einzelnen Komponenten werden alle Ventile auf Prüfständen mit einer Funktionsprüfung auf die Elektronik abgestimmt sowie auf Dichtigkeit geprüft. Dazu schließen Mitarbeiter sie an den Hydraulikkreislauf der Prüfstände an und testen die Ventile mit dem spezifizierten Arbeitsdruck.
Obwohl die Ventile zuvor gereinigt wurden, ist nicht auszuschließen, dass sich noch Metallpartikel und Späne sowie Wasserreste in den Ventilen befinden.“ Diese können während des Testzyklus ins Hydrauliköl gelangen und bei den Folgezyklen Schäden am Prüfstand oder den Prüflingen hervorrufen. Konkret waren durch verunreinigtes Hydrauliköl verursachte Anlagenstillstände im Homburger Rexroth-Werk im langfristigen Mittel für rund 25 % der Ausfallkosten an den Prüfständen verantwortlich. Daher wurden die Filtermedien bislang – unabhängig vom Verschmutzungsgrad – in festen Intervallen ausgetauscht und dieser Vorgang per Hand dokumentiert. Ein Procedere, das mit Blick auf Industrie 4.0 nicht mehr zeitgemäß war!
„Wir sehen in Industrie 4.0 die Chance, unser Werk zukunftsfähig aufzustellen, effizienter zu fertigen und kundenindividuelle Produkte in hoher Qualität schnell zu liefern. Bei der Umstellung müssen wir allerdings die Wirtschaftlichkeit immer im Blick behalten“, beschreibt Fabian Borowski, bei Bosch Rexroth in Homburg zuständig für Industrie 4.0, die Herausforderungen beim Thema Vernetzung.
Inbetriebnahme ohne SPS- oder IT-Kenntnisse
Mit dieser Maßgabe machte sich Borowski gemeinsam mit einem Team von Spezialisten aus der gesamten Bosch-Gruppe daran, zunächst einen Prüfstand, Baujahr 2007, nachträglich mit einem von Rexroth selbst entwickelten IoT-Gateway sowie entsprechenden IT-Tools zu vernetzen und darauf basierend ein umfassendes Condition-Monitoring-Konzept zu installieren. Das letztendliche Ziel: Realisierung einer kontinuierlichen Zustandsüberwachung der Filter sowie eine automatisierte Beauftragung der Instandhaltung.
Das besagte IoT-Gateway wertet dazu die Daten verschiedener Sensoren aus. Die Sensoren erfassen die Druckdifferenz vor und nach dem Ölfilter als Indikator für den Verschmutzungsgrad der Filterpatrone. Weitere Sensoren zählen Größe und Anzahl der Partikel, überwachen die Temperatur und erfassen den Gehalt an gelöstem Wasser im Hydraulikmedium.
Bei konventionellen SPS-Industriesteuerungen, die für derartige Zwecke grundsätzlich ebenso einsetzbar wären, erfordert die Inbetriebnahme eine aufwendige Programmierung. „Unsere Spezialisten hätten für die Modernisierung einschließlich Anbindung der Sensoren und Schnittstellen mit klassischer SPS mindestens eine Mannwoche veranschlagt“, rechnet Borowski vor und ergänzt: „Durch die webbasierte Konfiguration des verwendeten IoT-Gateway hat ein Elektromeister ohne jegliche SPS-Kenntnisse die Inbetriebnahme innerhalb eines halben Tages abgeschlossen. Das entspricht einer Verringerung des Engineering-Aufwands um 90 %!“
Die Infrastruktur des Gateway ist eine Rexroth-Steuerung vom Typ XM21. Die Software baut auf einer Java Virtual Machine und einem darüberliegenden OSGi-Framework auf. Das bietet den Vorteil, dass über Open Core Engineering die typische SPS-Echtzeitwelt parallel zu einer IoT-Runtime auf einer Steuerung laufen kann. Die Sensoren werden im Gateway unter anderem über analoge Schnittstellen und zukünftig Bluetooth LowEnergy sowie I/O-Link angebunden und über einen webbasierten Software-Anteil in Betrieb genommen. Der Anwender braucht dabei lediglich einige wenige Parameter und Häkchen zu setzen. Das IoT-Gateway übersetzt dann intern alle Daten und reduziert damit die Komplexität erheblich. Als offenes System unterstützt die Lösung eine große Anzahl von Sensoren beliebiger Hersteller.
Installation der IoT-Gateways: Die Software-Technologie ‚Open Core Engineering‘ ermöglicht den Zugriff auf Kernfunktionen der Kompaktsteuerung ohne SPS-Programmierung.
© Bosch RexrothAm Prüfstand in Homburg sendet das Gateway die Sensor-Daten schließlich an einen Server, auf dem Standard-Softwaremodule von Bosch installiert sind. Etwa der Production Performance Manager (PPM), ein Informations- und Auswertesystem, welches die Produktions- und Maschinendaten des vernetzten Prüfstands nahezu in Echtzeit erfasst. Das Modul führt innerhalb von Millisekunden die Informationen in einer Visualisierung zusammen und leitet spezifizierte Ereignisse an definierte Personen weiter. Die Kommunikation kann dabei auch über die kürzlich von Bosch präsentierte Maschinensprache PPMP erfolgen.
Das Production Performance Management Protocol (PPMP) ist ein einfaches Format, das bestehende Technologien aus der IoT-Entwicklung nutzt, aber auch die Industriebedürfnisse abdeckt. Es ist flexibel genug, um über mehrere Protokolle transportiert zu werden. Im Vergleich zum M2M-Kommunikationsprotokoll OPC UA ist PPMP absichtlich deutlich leichtgewichtiger angelegt, denn häufig ist bestehende Hardware nicht auf den kontinuierlichen Betrieb eines OPC-UA-Stacks ausgelegt. Last but not least ist PPMP frei von Lizenzgebühren und das Eclipse-Unide-Projekt bietet den technischen Rahmen zur Entwicklung. Einmal installiert, lassen sich eine theoretisch unbegrenzte Anzahl von Gateways an den PPM anschließen.
Regeln grafisch modellieren
Übersicht der Sensorik, die bei den Prüfständen von Bosch Rexroth installiert wurde.
© Bosch RexrothAnschließend überwacht der Production Rules Configurator (PRC) die Einhaltung der festgelegten Parameter. Dabei geht es um wesentlich mehr als die starre Definition von Grenzwerten. „Wir können jetzt ganz einfach grafisch jegliche Regel modellieren, so etwa, wann eine Warnung erzeugt wird oder dass ein Filter- oder Ölwechsel notwendig ist“, erläutert Borowski. Dazu sind keine IT- oder Programmierkenntnisse erforderlich und die Regeln können jederzeit verändert oder neue hinzufügen werden.
Die Ausführung der Wartungsarbeiten vereinfacht schließlich ein Maintenance-Support-System. Dieses dient als Bindeglied zwischen den Softwaremodulen für die vernetzte Maschine und dem ERP-System des Werks. Damit automatisiert es beispielsweise die Abläufe für die Bestellung von Filtermedien und die Ersatzteil-Vorratshaltung.
Test bestanden – Konzept ausgerollt
Von der ersten Idee bis zur Inbetriebnahme am ersten Prüfstand dauerte es gerade einmal fünf Monate. Die Einbindung weiterer Prüfstände erfordert jeweils nur wenige Stunden. Schon innerhalb der ersten Monate erzielte das Projekt signifikante Verbesserungen.
Für die Prozessqualität stellt der nachgerüstete Prüfstand jetzt jederzeit dokumentierte Daten zur Ölreinheit zur Verfügung, die zuvor aufwendig in einem manuellen Prozess analysiert werden musste.
Gleichzeitig senkt das regelbasierte Condition Monitoring mit vorausschauender Wartung die Ausfallzeiten deutlich. „Die Overall Equipment Efficiency des modernisierten Prüfstands ist um 5 % gestiegen. Die Ausfallkosten konnten um 25 % reduziert werden“, fasst Borowski die wichtigsten Kennzahlen zusammen und ergänzt: „Die nachträgliche Vernetzung amortisiert sich innerhalb von 18 Monaten – ohne Berücksichtigung der Prozessverbesserung.“ Konkret bewegt sich die Investition für ein IoT-Gateway im vierstelligen Euro-Bereich.
Aktuell rüstet Bosch Rexroth in Homburg daher 22 weitere Prüfstände mit dem IoT-Gateway und den entsprechenden Sensoren nach. In folgenden Schritten sollen nach und nach viele weitere Maschinen in der gesamten Bosch-Gruppe folgen.
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