Retrofit: Digitale Aufrüstung für veraltete Anlagen

Mit zunehmender Wucht bekommen derzeit viele Unternehmen der deutschen Industrie die Veränderungen durch die Digitalisierung zu spüren. Diejenigen, die bereits mit der Digitalisierung begonnen haben, machen positive Erfahrungen und diejenigen, die sich noch sträuben, spüren den Gegenwind.

Dabei sind die Ängste und Vorbehalte durchaus nachvollziehbar, denn die Anschaffung moderner Maschinen kostet viel Geld und deren Vernetzung ist komplex. Helfen kann da die Retrofit-Methode, sprich die digitale Aufrüstung der Bestandsmaschinen, denn wenn Maschinen nachträglich mit entsprechenden Sensoren und geeigneter Kommunikationstechnologie ausgestattet werden, lassen sie sich problemlos in ein digitales Fertigungssystem integrieren. 

Was in der Theorie so plausibel klingt, ist in der Praxis aber durchaus von Fall zu Fall verschieden. Das liegt daran, dass die Vorgehensweise bei der Retrofit-Methode von den individuellen Rahmenbedingungen abhängt, denn Maschinen werden häufig für einen bestimmten Zweck angeschafft, der sich jedoch im Laufe des Lebenszyklus durchaus ändert und dann müssen die Maschinen angepasst oder erweitert werden. 

Mögliche Gründe sind:

• die Erweiterung des Funktionsumfangs einer Maschine
• Anpassungen im Produktions- und Materialflussprozess innerhalb einer Maschine
• die Erhöhung der technischen Leistungsfähigkeit
• Nachrüstung bestehender Komponenten zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit 

Neben diesen „klassischen“ Retrofit-Szenarien ist der aktuelle Haupttreiber aber die Digitalisierung. Sie benötigt „verarbeitbare“ Maschinendaten, um Analysen fahren und Prognosen liefern zu können – etwa hinsichtlich Verschleißdaten oder Energie- und -Materialverbrauch. Aus diesen Daten wiederum lassen sich dann entsprechende Maßnahmen ableiten, die entweder die Qualität verbessern, Transparenz erhöhen, Effizienz steigern oder Kosten reduzieren. 

Zwei konkrete Beispiele zeigen, wie ein Retrofit-Projekt in der Praxis aussehen kann.

Step by Step in Richtung Industrie 4.0

Ein Elektroinstallationstechnik-Anbieter verwendet in der Produktion spezielle Stanzmaschinen, die mit Zahnrädern angetrieben werden. Fällt ein solches Zahnrad aus, steht die Maschine still. Da diese Zahnräder aber sehr teuer sind, werden sie nicht auf Lager gehalten. Umso wichtiger ist es, rechtzeitig einschätzen zu können, ob und wenn ja wann ein solches Zahnrad ausfallen könnte. Nach einer professionellen Ist-Analyse durch die Retrofit-Experten von compacer wurde deshalb das Zahnrad der Stanzmaschine mit einem Temperatursensor, drei Vibrationssensoren und einem Körperschallsensor ausgestattet. Die durch diese Sensoren generierten analogen Signale wurden dann mittels einer speziellen dafür produzierten Technik, in diesem Fall der Fraunhofer vBox, in digitale Signale umgewandelt. Das allein genügte aber nicht. Es war zudem die Implementierung einer Plattform zur Integration und Interpretation, in diesem Fall edbic, notwendig, um die Daten zu erfassen, aufzubereiten und für Analysezwecke bereitzustellen.

Erst dann konnten die für das Condition Monitoring erforderlichen Daten entsprechend genutzt und weiterverarbeitet werden. So ließ sich dank der Integrationssoftware ein Echtzeit-Monitoring durchführen, das stets die aktuellen Daten über den Maschinenzustand anzeigt. Nach einem längeren Beobachtungszeitraum und der Erhebung entsprechender Vergleichsdaten konnte aus den Monitoring-Daten Prognosen über den Zustand des Zahnrads abgeleitet werden. So ließ sich nach und nach ein Frühwarnsystem etablieren, das Abnutzungserscheinungen, Ausfälle oder andere Probleme der Anlage identifiziert. Sobald genügend Daten vorliegen, kann das Unternehmen sogar einen Schritt weitergehen. Dann ist es möglich diese Zahlen, die über einen noch längeren Zeitraum erhoben wurden, zu vergleichen und entsprechende Predictive-Maintenance-Maßnahmen daraus abzuleiten.

Maschinenpark 4.0

Auch die Maschinenhersteller selbst nutzen die Möglichkeiten der Retrofit-Methode, um sich gegenüber Wettbewerbern abzugrenzen und ihre Produkte zu veredeln. Wie machen sie das? Indem sie ihre Maschinen mit den entsprechenden Sensoren ausstatten und dafür sorgen, dass die sie digital verwertbare Daten liefern. Der Vorteil: So können die Maschinenhersteller ihren Kunden, also den Produktionsbetrieben und Fabriken, eine kostengünstige Nachrüstung der Maschinen anbieten, die neue Mehrwerte erzeugen. Zu diesen zählt beispielweise das Echtzeit-Monitoring, das auch eine zielgerichtete Fehleranalyse erlaubt und damit die Ausfallzeiten einer Maschine extrem reduziert. Das dauerhafte Aufzeichnen der Leistungsdaten einer Maschine bringt zudem den Vorteil, dass sich individuelle KPIs festlegen lassen, was langfristig auch für eine Produktionssteigerung eine hilfreiche Ausgangsbasis ist.      

Fazit

Mit der Retrofit-Methode, sprich der digitalen Nachrüstung von Sensorentechnik in Kombination mit einer entsprechenden Umwandlungsbox sowie einer Integrationssoftware, lassen sich auch veraltete Anlagenparks fit für die Zukunft machen: Die Lebensdauer von Maschinen lässt sich verlängern, Produktqualität und Produktionsvolumen steigern, Energie einsparen und die rechtzeitige Versorgung mit Ersatzteilen sicherstellen. In jedem Fall sorgt Retrofit für eine Vernetzung und Harmonisierung des Maschinenparks und schafft damit eine solide Basis für die nächsten Schritte hin zur digitalen Fabrik.

Industrie 4.0 für Bestandsanlagen

1. Bedarfsanalyse

Welche Fähigkeiten hat die Maschine bereits oder gibt es überhaupt keine Signale? Lassen sich vorhandene Signale verwenden oder müssen Sensoren installiert werden? Ist ein internes (modernes) Bussystem bereits vorhanden und somit eine Nachrüstung unter Umständen überflüssig?

2. Sensoren-Auswahl

Da diese Selektion sehr individuell und wichtig ist, empfiehlt sich die Erstellung eines Anforderungskatalogs. Je nach Bedarf und Zielsetzung sollten dann die Sensoren ausgewählt werden, die im Nachgang in die Maschine eingebaut werden.

3. Entwicklung einer individuellen Retrofit-Strategie

Welche Art von Hard- und Software muss installiert werden, um die Sensordaten sinnvoll verfügbar zu machen? Es empfiehlt sich der Einsatz einer vBox vom Fraunhofer Institut, wenn die Maschine beispielsweise „nur“ analoge Signale hat, die Überwachung passiv sein sollte, eine hohe Datenlast zu erwarten ist oder eine Frequenzanalyse des analogen Eingangssignals mit Fourier-Transformation benötigt wird. Die Digitalisierung analoger Sensordaten kann auch mit Hardware von Drittanbietern erreicht werden und/oder mit Mikrocontrollern. 

4. Digitale Nachrüstung

Die Sensoren und der ggfs. erforderlich Preprozessor-Agent werden installiert und mit beispielsweise mit der Daten- und Prozessintegrationsplattform edbic und der Event-Engine verbunden. Dann ist die Nachrüstung abgeschlossen und die Maschine bereit zur Datenanalyse. 

5. Vernetzung

Jetzt werden die gesammelten Maschinen- und Sensordaten zusammengeführt und nach fest definierten Regeln in Echtzeit analysiert. Monitoring & Controlling aus einer Hand und das über die gesamte Produktionsumgebung hinweg.