Von der Sensorik zur Intelligenz in der Industrie 4.0

Noch vor dem Schlagwort „Losgröße 1“ ist für die meisten Unternehmen Produktionseffizienz das bedeutendste Thema – insbesondere im Zusammenhang mit Industrie 4.0.

Effizienz­steigerung und KPIs

Um die Produktionseffizienz zu steigern, ist eine Messbarkeit Grundvoraussetzung.
Dafür werden üblicherweise Leistungskennzahlen (Key-Performance- Indikatoren KPI) wie Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership TCO), die totale effektive Anlagenproduktivität
(Total Effective Equipment Performance, TEEP) und die Gesamtanlageneffektivität GAE (Overall Equipment Effectiveness OEE) herangezogen. Daneben gibt es eine Vielzahl an weiteren Kennzahlen, um unter anderem Kosten, Produktivität, Effektivität, Qualität und Verluste zu messen.
Um diese Parameter erfassen zu können, ist eine hohe Transparenz in der gesamten Wertschöpfungskette insbesondere der Produktion notwendig. Es genügt jedoch nicht mehr, diese Kennzahlen auf der Grundlage von Annahmen, Simulationen oder historischen Werten zu ermitteln.

Big Data und Data Mining

Diese Kennzahlen müssen „live“ mit intelligenten Sensoren im aktuellen Produktionsprozess erfasst und zeitlich hochaufgelöst dargestellt werden können. Auf der Basis dieser Daten, in Zusammenhang mit Industrie 4.0 gerne „Big Data“ genannt, sind entsprechende Analysen (Data Mining) mit einer Vielzahl an Tools möglich. Daraus lassen sich Modelle für den Wertschöpfungsprozess inklusive der Anlagen, Maschinen, … ableiten, die unter anderem deren Verhalten beschreiben und Vorhersagen ermöglichen.
Sensoren haben hier eine Doppelfunktion. Einerseits sollen sie „live“ aus dem aktuellen Produktionsprozess Produktionsparameter wie Erkennung, Messung und Identifizierung von Objekten beziehungsweise Medien mitteilen, anderseits aber auch über sich selbst Auskunft geben. Um diese Aufgaben leisten zu können, sind intelligente Sensoren notwendig. Daher werden neben dem physischen Anteil eines Sensors (Mechanik, Elektronik, …) ein Informationsmodell benötigt, das sein Verhalten und Eigenschaften, semantisch und syntaktisch strukturiert, beschreibt. Neben dem physischen und dem semantischen Teil eines Sensors fehlt noch ein weiterer, entscheidender Teil, um die Anforderungen eines intelligenten Sensors zu vervollständigen.

Kommunikation

Intelligenz hat keinen Nutzen, wenn keine Möglichkeit zur Kommunikation besteht. Daher sind intelligente Kommunikationsschnittstellen notwendig. Diese Anforderung wird von Schnittstellen wie Schaltausgängen oder analogen Schnittstellen nicht erfüllt. Daher hat sich IO-Link als herstellerübergreifender Standard für Sensoren und Aktoren in den letzten zehn Jahren weltweit durchgesetzt. IO-Link bringt von Haus aus ein Informationsmodell (IODD) mit, um sich selbst (Eigenschaften, Verhalten, …) beschreiben zu können und erfüllt damit alle Voraussetzungen einer Komponente eines Cyber Physischen Systems (CPS). Dank intelligenter Sensoren ist bereits eine sehr hohe Transparenz des gesamten Wertschöpfungsprozesses der Anlagen und Maschinen erreicht. Das eigentliche Ziel ist es aber, die Gesamtanlageneffektivität und damit die Produktionseffizienz zu steigern. Die Gesamtanlageneffektivität wird unter anderem durch Maschinen- und Anlagen-Stillstandzeiten, Geschwindigkeitsverluste und Ausschuss reduziert. Primär sind daher diese Verluste weitestgehend zu eliminieren. Falls dies nicht möglich sein sollte, werden sekundär zum Beispiel ungeplante Stillstandzeiten mit Hilfe von Vorhersagen, die auf Verhaltensmodellen (Predictive Maintenance) basieren, in geplante Wartungszeiten, Rüstzeiten oder Schichtwechsel verlagert. Den verbleibenden Restrisiken kann mit Maßnahmen zur schnellen Fehlererkennung, Lokalisation, Analyse und Behebung entgegnet werden.

Intelligente Sensoren

Hierbei unterstützen intelligente IO-Link Sensoren maßgeblich. Sie liefern nicht nur reine Prozessmesswerte wie Temperatur, Distanzen, Drücke, es lassen sich auch Objekte erkennen und identifizieren. Darüber hinaus geben geben intelligente Sensoren auch Auskunft über die Qualität des Messwerts und zeitliche Abhängigkeiten.
Intelligente Sensoren lassen sich zentral parametrieren und verwalten. Dies ist eine Grundvoraussetzung für eine flexible Produktion „Losgröße 1“, um beispielsweise Format- und Rezepturwechsel während der Produktion durchführen und den Produktionsprozess an sich optimieren zu können.

Intelligenter Sensor mit IO-Link

 

Die Besonderheiten

Drei einmalige ADvanced CAPabilities zählen
zu den integralen Bestandteilen des BOS 21M ADCAP
■ Multifunktions-Sensoreinheit
■ intelligente Daten-Vorverarbeitung im Sensor
■ smarte und effiziente Diagnose




Identifikation und Inventarisierung

Des Weiteren sind intelligente Sensoren in der Lage, verschiedenste Auskünfte über sich selbst zu geben. Diese dienen zur Identifikation. So sind Hersteller, Modellbezeichung, Artikelnummer, Hardware- und Software Versionsstand, Lokation, … des Sensors festgehalten. Dies ist ein entscheidender Vorteil zur Dokumentation und Inventarisierung einer gesamten Anlage. Je nach Anlagen kann solch eine manuelle Inventarisierung mehrere hundert Stunden dauern. Eine Inventarisierung und Dokumentation kann mit intelligenten IO-Link Sensoren, Anlagen und Maschinen, die automatisch selbst über sich Auskunft geben, innerhalb von Sekunden durchgeführt werden. Dies ist für die Dokumentation und Inventarisierung der gesamten Anlage ein entscheidender Vorteil, da diese jetzt innerhalb von Sekunden durchgeführt werden kann.
Die Eigenschaft intelligenter Sensoren, über sich selbst Auskunft geben zu können, ist insbesondere im Fehlerfall, oder noch bevor der Fehlerfall eintritt, ausschlaggebend. Mit Hilfe von IO-Link sind beispielsweise Netzgeräte von Balluff in der Lage, dem Anwender mitzuteilen, dass eine Überlast besteht. Sie zeigen an, dass sich die Umgebungsbedingungen verschlechtert haben oder warnen vor einem Ausfall. Ungeplante Stillstandzeiten können so vermieden werden, da ein Austausch in einer geplanten Wartung durchgeführt wird.
Wenn „Standard“-Sensoren beschädigt werden oder ein Kabelbruch erfolgt, ist dies meistens nicht direkt diagnostizierbar, sondern nur indirekt über den Ausfall der Maschine oder einen Anlagenstillstand. Die Fehlersuche und -behebung kann unter Umständen sehr lange dauern, da der Betreiber der Anlage diese oft nicht selbst hergestellt und aufgebaut hat. Hier sind intelligente Sensoren ebenfalls von Vorteil. Denn es ist unmittelbar zu erkennen, wenn ein Sensor im System nicht mehr erreichbar ist.

IO-Link Schnittstelle

Neben der schnellen und detaillierten Diagnose bietet IO-Link beim Gerätetausch eine große Zeitersparnis. Zudem sind für den Maschinenbetreiber dazu keine besonderen Kenntnisse erforderlich.
Das IO-Link-Gerät wird lediglich mechanisch vom IO-Link-Kabel und der Befestigung gelöst, das neue IO-Link-Gerät mechanisch befestigt und das Kabel angeschlossen. Mehr ist nicht notwendig. Alle vorhandenen Einstellungen werden automatisch auf das neue Gerät übertragen. Durch diese Einfachheit und Universalität wird IO-Link daher häufig auch mit der USB Schnittstelle verglichen.
Die Einfachheit und Universalität von IO-Link zeigt aber weiteren Nutzen. IO-Link verkürzt den Rüstaufwand von Maschinen und Robotern, reduziert die Wechselzeiten von Werkzeugen signifikant und hilft Fehler zu vermeiden.
Daher ist IO-Link die “Universalschnittstelle der Automatisierungstechnik“

 

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