Transformation der Produktion mit der Fabrik 4.0

Definition Fabrik 4.0

Produktionsstätten auf der ganzen Welt befinden sich in nahezu allen Branchen in einem tiefgreifenden Wandel. Die Art und Weise, wie Produkte hergestellt und Materialien verarbeitet werden, wird durch die Digitalisierung verändert, und Daten sind zum Schlüssel geworden, der Türen zu technologischen Möglichkeiten öffnet. Dies könnte dazu führen, dass die Fertigung komplett neu gestaltet wird.

Traditionelle Fertigungsmodelle entwickeln sich langsam zu dem, was als Fabrik 4.0 oder „Smart Factories“ bekannt ist. Dabei handelt es sich um vernetzte Systeme, die Personal, Maschinen, Analytik und Instandhaltungsaktivitäten miteinander verbinden, was zu einer vollständig integrierten Betriebsführung führt.

Factory 4.0 wird verwendet, um Technologien und Industrie 4.0-Komponenten zu nutzen, einschließlich drahtloser Konnektivität, nicht-intrusiver Sensoren, künstlicher Intelligenz, maschinellen Lernens, Cloud Computing und anderen. Sie betrifft letztlich alle Phasen des Herstellungsprozesses, einschließlich Sicherheit, Rohstoffverarbeitung, Qualitätssicherung, Produktion, Vertrieb und Verpackung.

 

Bausteine der Fabrik 4.0

Obwohl es viele Ansätze für die digitale Transformation von Produktionsanlagen gibt, beinhalten typische Factory 4.0-Lösungen in der Regel mindestens folgende Kernelemente:

Sensoren:

In den letzten Jahren hat sich die Sensorik rasant weiterentwickelt, und heute bietet der Sensormarkt eine große Auswahl an preiswerten Sensoren, mit denen zahlreiche Parameter gemessen werden können, darunter Druck, Temperatur, Vibration, Licht, Schmiermittel und Wasserqualität, Fest- und Flüssigkeitsstand, Chemikaliengehalt und vieles mehr.

Je nachdem, was überwacht wird, können die Sensoren innerhalb oder auf Maschinen, auf Geräten, die von Personen getragen werden, an Arbeitsplätzen oder in jeder Komponente der bestehenden Systeme einer Einrichtung wie Sicherheitsnetzwerke oder   Systeme platziert werden.

IoT-Sensoren für IIoT können für folgendes verwendet werden:

  • Verfolgung bzw. tracken von der Position und Bewegung von Komponenten, Rohstoffen, wertvollen Geräten und Fertigprodukten.
  • Unterstützung bei der Qualitätssicherung, z.B. bei der Analytik und optischen Prüfung.
  • Überwachen Sie den Bestand, z.B. Ersatzteile und Rohstoffversorgung.
  • Identifizieren Sie Anomalien im Geräteverhalten, die Qualitätsprobleme verursachen können.
  • Unterstützung bei Sicherheitsfragen, z.B. Maschinensensoren, die die Tätigkeit in der Nähe von Personen einschränken; Personalsensoren, die Bewegungen erfassen oder eben fehlende Bewegungen in ihrem Radius, Umweltgefahren usw. messen.

Für Konnektivität verwendete Protokolle

Die Sprache eines jeden IoT-Systems besteht aus Protokollen, die für die Konnektivität verwendet werden. Diese Kommunikationsprotokolle ermöglichen die Übertragung und anschließend ein Verständnis der Daten durch verschiedene Komponenten des Systems, einschließlich der Sensoren über Gateways und SPS bis hin zur Cloud und letztendlich auch an Softwareprogramme zur Analyse.

Es ist wichtig, frühzeitig das richtige Protokoll auszuwählen, um eine intelligente Fabrik oder Smart Factory aufzubauen, die erfolgreich ist und gut funktioniert.

Cloud Computing

Die Cloud kann als das zentrale Rechenzentrum der Fabrik 4.0 angesehen werden. Von Sensoren empfangene Informationen werden in der Cloud gespeichert, anschließend verarbeitet und analysiert. Auch die Datenverarbeitung wird über Edge Computing Möglichkeiten werden in der Cloud weiter optimiert. Dadurch wird die Abhängigkeit von Knoten für die zentrale Datenverarbeitung minimiert.

Maschinen Learning und Analyse

Die riesigen Datenmengen, die ununterbrochen aus der Produktion, sowie die aus Altsystemen  empfangen werden, beinhalten Informationen über alle Aspekte des Betriebs. Prozessbasierte maschinelle Lerntechniken und statistische Algorithmen können zur Datenanalyse eingesetzt werden. Historische Daten und Ursachenanalysen können auch dazu verwendet werden, automatisch abgeleitete verwertbare Erkenntnisse zu generieren.

Diese analytische Tätigkeit zeigt kontinuierlich Erkenntnisse, die dazu führen, dass sich die Maschinenleistung verbessert, Prozesse effizienter werden, z.B. Wartung, Konfiguration der Produktionslinie und Vor-Ort-Transport, und Ausfallzeiten reduziert werden.

 

Use Cases steuern die praktische Anwendung

Obwohl es ein kostspieliger und komplexer Prozess ist, Änderungen an jedem Fertigungssystem vorzunehmen, sind die Anwendungsfälle für Qualität 4.0 und die Fabrik 4.0 sehr überzeugend. Dies treibt Unternehmen zu einer schnellen Einführung an, zumal es das Potenzial hat, innerhalb eines Quartals positive Auswirkungen auf den ROI zu haben.

Steigerung der Effektivität der Gesamtanlage

Die Grundursache für Systemprobleme kann mit analytisch fundierten Erkenntnissen identifiziert werden. Das Verständnis basiert direkt auf den Leistungsdaten der Maschine, so dass sich das Management auf Bereiche konzentrieren kann, die Veränderungen erfordern, während es in der Lage ist, die Ausgangsqualität, das Leistungsniveau und die Verfügbarkeit der Anlagen in Echtzeit zu berücksichtigen.

Durchführung Prädiktiver statt korrigierender Wartung

Wenn die prädiktive Analyse verwendet wird, um Daten von Maschinen zu nutzen, kann die Überwachung des Anlagenzustands so weit durchgeführt werden, dass ein vorhergesagter Anlagenausfall möglich wird. Dies reduziert die Wartungskosten erheblich und verbessert die Zuverlässigkeit.

Bei Auffälligkeiten erhalten Hersteller mit Factory 4.0 automatische Warnmeldungen und können so die Wartungspläne so weit optimieren, dass Maschinenausfälle vollständig vermieden werden.

Diese Technik zur Vorhersage von Systemfehlern erübrigt sowohl die Notwendigkeit einer korrektiven als auch einer vorbeugenden Wartung, was zu reduzierten Arbeitskosten führt und gleichzeitig ein starkes Fundament der Zuverlässigkeit schafft.

Fernüberwachung von Assets

Die Fernüberwachung von Assets bietet einen leistungsstarken Anwendungsbereich für die Verwaltung. Es verbessert die Transparenz von mobilen Anlagen und der Fabrikhalle, unabhängig vom Standort. Warnungen über den Status der Fabrikumgebung, der Ausrüstung und der einzelnen Maschinen werden an die relevanten Interessengruppen gesendet, die dann Entscheidungen auf der Grundlage von Daten treffen können, wodurch die Einhaltung der Vorschriften gewährleistet und die Effizienz gesteigert wird.

 

Digitale Zwillinge

Digitale Zwillinge sind digitale Kopien einer Einrichtung, eines Prozesses oder einer Anlage. Solche visuelle Modelle beinhalten Echtzeitdaten zu ihren physisches Gegenstück. Digital Twins sind das Ergebnis verschiedener technologischer Fähigkeiten, die Teil der Fabrik 4.0 sind.

Die Software des digitalen Zwillings Visualisiert den eigentlichen Zwilling und ermöglicht es dem Management, Ideen für weitere Optimierungen zu prüfen und mit Parametern zu experimentieren, ohne die Technik zu beschädigen bei gleichzeitiger Beibehaltung einer effizienten Anlage.

Digitale Zwillinge

Digitale Zwillinge sind digitale Darstellungen einer Einrichtung, eines Prozesses oder einer Anlage. Dieses visuelle Modell bietet Echtzeitdaten über sein physisches Gegenstück. Digital Twins sind das Ergebnis verschiedener technologischer Fähigkeiten, die Teil der Fabrik 4.0 sind.

Die Digital Twin-Software ermöglicht die vollständige Visualisierung des eigentlichen Zwillings und ermöglicht es dem Management, Ideen für weitere Optimierungen zu erforschen und mit Parametern zu experimentieren, ohne die Ausrüstung zu beschädigen oder die Leistung zu beeinträchtigen.

Vorteile der Fabrik 4.0

Die Produktionsanlagen unterscheiden sich alle, und die diskrete Fertigung unterscheidet sich erheblich von der Prozessfertigung. Trotz dieser Tatsache gibt es mehrere Vorteile der Fabrik 4.0, die relevant sind, unabhängig von den spezifischen Details des Prozesses.

Verbesserung der Qualität

Die Fabrik 4.0 nutzt die Anregungen des Managements zusammen mit der künstlichen Intelligenz, um zu lernen, wie man sich kontinuierlich optimiert. Es reagiert auf sich ändernde Bedingungen in Echtzeit und führt den gesamten Fertigungsprozess autonom durch.

Sie erkennt Risiken, prognostiziert Ausfälle und verhindert ungeplante Ausfallzeiten. Mit Hilfe der prädiktiven Qualität hilft es, Trends zu erkennen, bei denen die Qualität abnimmt (zunehmende Fehler), und kann Bereiche vorschlagen, in denen Verbesserungen erzielt werden können, indem Umwelt-, Maschinen- oder menschliche Faktoren identifiziert werden, die die Anzahl der Fehler beeinflussen.

Optimierte Gesamtkosteneffizienz durch Kostensenkung

Die Technologie von Factory 4.0 verbessert die Optimierung und senkt die Kosten auf verschiedene Weise, was wiederum zu einem insgesamt schlankeren Betrieb führt. Der Bestand kann viel genauer gesteuert werden, da die Wartung vorhersehbarer ist.

Reparaturen werden rechtzeitig und proaktiv durchgeführt, um sicherzustellen, dass der Maschinenzustand optimal bleibt. Da die Techniker im Voraus wissen, welche Art von Defekt sie beheben werden, sind Folgeschäden ausgeschlossen und Reparaturen werden viel schneller durchgeführt.

Da Verlustbereiche identifiziert und gezielte Maßnahmen zur Reduzierung von Ineffizienzen und Produktfehlern vorgeschrieben werden, kann Produktionsabfall vermieden werden. Automatisierte Ursachenanalysen und prädiktive Analysen werden eingesetzt, um potenzielle Prozessausfälle zu identifizieren, die zu einer Verschwendung führen können.

Die Verfahrenstechniker testen dann mit Hilfe der prädiktiven Simulation Produktionsparameter und bestimmen Sollwerte, die zur Optimierung von Durchsatz und Qualität herangezogen werden sollen.

Informierte Entscheidungen über die Mitarbeiter können auch auf der Grundlage von Daten zu allen Aspekten des Prozesses getroffen werden. Dies ermöglicht eine sehr genaue Aufgabenverteilung der Mitarbeiter und verhindert unnötige Kosten für schlecht eingesetzte Mitarbeiter.

Die Gründe für eine Entscheidung für eine Integration einer Fabrik 4.0 sind klar

Die Verwendung von prädiktiver Wartung (predictive maintenance) anstelle von korrigierender Wartung ist nur ein kleiner Teil des Bildes.

Die Fabrik 4.0 leitet ein neues Paradigma ein, wie Produkte und Materialien hergestellt werden. Die Verwendung von Big Data und das hohe Maß an Kontrolle und Konnektivität, das intelligente Fabriken bieten, ermöglicht es Herstellern, ihre Dienstleistungen, Produkte und Abläufe auf die nächste Stufe zu heben.