Big Data – Analysesoftware Mit Industrial Analytics neue Geschäftsmodelle entwickeln

Redakteur: Ines Stotz

Im globalen Maschinenbau ist der potenzielle Mitbewerber mit seinen Ideen, Produkten und Dienstleistungen nur einen Mausklick entfernt. Mit Industrial Analytics von Weidmüller können sich jetzt zwei Hersteller – Grenzebach und Boge – mit neuartigen Geschäftsmodellen differenzieren und ihren Kunden einen Mehrwert anbieten.

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Produktion auf einem anderen Level: Mit dem Einsatz von Industrial Analytics kann der Maschinen- und Anlagenbetreiber pro aktiv reagieren, bevor der Fehler auftritt. Produktionsprozesse werden effizienter, ungeplante Maschinenstillstände lassen sich vermeiden.
Produktion auf einem anderen Level: Mit dem Einsatz von Industrial Analytics kann der Maschinen- und Anlagenbetreiber pro aktiv reagieren, bevor der Fehler auftritt. Produktionsprozesse werden effizienter, ungeplante Maschinenstillstände lassen sich vermeiden.
(Bild: Weidmüller)

Mit seinen Rührreibschweiß-Systemen bietet Grenzebach ein Fügeverfahren zum Verbinden von technisch reinen Metallen, Legierungen und Mischverbindungen. Die Rührreibschweiß-Technologie (Friction Stir Welding, FSW) eignet sich besonders für das Schweißen von Leichtmetallen wie zum Beispiel Aluminium und dessen Legierungen. Zur Realisierung eines Echtzeit-Monitoring-Systems beim Schweißvorgang sowie zur Kosten- und Ressourceneinsparung durch eine gezielte Wartung nutzt der Spezialist im Maschinen- und Anlagenbau die Industrial Analytics Software von Weidmüller.

Grenzebach wird damit in die Lage versetzt, pro aktiv zu reagieren und kann sofort eine Aussage über die Qualität der erstellten Schweißnaht treffen, bzw. die genaue Fehlstelle dem Anlagenbediener visuell mitteilen. Über die im Schweißkopf integrierte Sensorik wertet die Software Prozessdaten aus, die Rückschlüsse etwa auf den Werkzeugzustand (Beanspruchung, Laufleistung/Lebensdauer) ermöglichen und berechnet auf diese Weise präzise das nächste Werkzeugwechsel-Intervall, Kosten- und Ressourcen lassen sich einsparen. Mit dem Einsatz von Industrial Analytics eröffnen sich völlig neue Einsatzbereiche und Anwendungsfelder in der 24/7-Serienproduktion.

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Datenaufnahme in Zusammenarbeit

Die Rührreibschweiß-Technologie ermöglicht robuste, verzugsarme und mechanisch feste Verbindungen ohne eine Verwendung von Schweißzusätzen und Schutzgas. Die mit FSW produzierten Verbindungen verfügen darüber hinaus über eine sehr gute Oberflächenqualität. Die zum Verbinden benötigte Prozesswärme wird beim Rührreibschweißen mit einem drehenden Werkzeug (Reibstift) durch Reibung und Druck an der Nahtstelle erzeugt. Das Metall verformt sich plastisch durch die eingebrachte Wärme und wird durch die Rotation des Werkzeugs entlang der Nahtstelle verrührt. Auf diese Weise entsteht eine robuste und langzeitbeständige Naht, mit nur geringen Bauteildeformationen bzw. Eigenspannungen. Für eine dynamische Prozessregelung ist der speziell entwickelte Schweißkopf mit Kraftsensoren ausgestattet, die die Verformung sowie die Zug- und Druckkräfte messen.

Die so erzeugten Daten nutzt Weidmüller für seine Analytics-Software, um daraus das Reibstift-Verhalten zu lernen. In Zusammenarbeit mit den Grenzebach-Ingenieuren startete Weidmüller mit der Datenaufnahme. Datensätze von über 100 Schweißnähten wurden ermittelt, beurteilt sowie die relevanten Daten herausgefiltert und anhand von intelligenten Datenanalyseverfahren ausgewertet. Das Ergebnis der umfangreichen und detaillierten Analyse wurde als Referenzdatensatz hinterlegt. Einen wesentlichen Bestandteil der Analysen bildet das Know-how von Grenzebach. Die Analyse-Software kann Fehler zwar mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit vorhersagen – Voraussetzung hierfür ist jedoch stets, dass er zuvor klassifiziert worden ist. Nur Grenzebach kann bewerten, ob eine Anomalie tatsächlich als kritischer Fehler einzustufen ist.

Real-Time Qualitätskontrolle per Software

Eine Qualitätskontrolle erfolgte beim Rührreibschweißen bisher optisch durch den Bediener im Anschluss an den Schweißprozess. Bei diesem Vorgehen steht das Schweißergebnis im direkten Zusammenhang mit dessen Know-how. Diese aufwändige und umständliche Kontrolle entfällt zukünftig durch den Einsatz der Industrial Analytics Lösung. Das funktioniert folgendermaßen: Während des Schweißprozesses vergleicht die Software die Daten, die von den Sensoren geliefert werden, mit dem hinterlegten idealen Datenmodellen des Referenzsatzes. Sobald eine Abweichung außerhalb der definierten Parameter vorliegt, erhält der Anlagenbediener einen Hinweis, dass eine Anomalie beim Schweißprozess aufgetreten ist. Die Software arbeitet so präzise, dass sie dem Bediener die genaue Fehlstelle visuell mitteilt. Die bisherige manuelle Kontrolle der Schweißnaht entfällt.

Ein Plus: Lückenlose Dokumentation

Die Analytics Software ermöglicht nicht nur die Qualität jeder Schweißnaht zu erfassen, sondern auch von jedem produzierten Teil – mit anschließender lückenloser Dokumentation. Damit lässt sich eine vereinfachte haftungsrechtliche Absicherung des Produktherstellers, eine Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit der Teile sowie die Erfüllung der gesetzlich geforderten Archivierung von relevanten Informationsinhalten realisieren.

Fertigung „rund um die Uhr“ – 24/7

Gleichzeitig liefert die Software auch Hinweise, wann der für die Erzeugung der Wärme zuständige Reibstift an der Maschine auszufallen droht und ersetzt werden muss. Diese Vorhersage ermöglicht eine weitaus effizientere Nutzung des Reibstifts, mit entsprechendem Kostenvorteil. Denn: Durch diesen Hinweis kann der Maschinenbediener den Wechsel des Reibwerkzeugs anpassen und beispielsweise zwischen zwei Schweißvorgänge oder einen Schichtwechsel legen, so dass die Ausfallzeit der Anlage auf ein Minimum reduziert wird. Dadurch lassen sich Ressourcen besser nutzen und die Verfügbarkeit der Maschinen und Anlagen erhöhen. Eine bestmögliche Verfügbarkeit ist von großer Bedeutung und es wird viel unternommen, damit die Produktion so wenig und so kurz wie möglich unterbrochen wird. Damit bringen Grenzebach und Weidmüller die 24/7-Serienfertigung auf ein neues Level. Eine Fertigung „rund um die Uhr“, also 24 Stunden am Tag und 7 Tage die Woche, ist gerade für Unternehmen in Hochlohnländern ein entscheidender Wettbewerbsvorteil.

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Mögliche Geschäftsmodelle mit Industrial Analytics

Mit Industrial Analytics nutzt Grenzebach die Möglichkeit verschiedene Geschäftsmodelle anzubieten. Zum einen: Die Analytics Software wird zusammen mit der Maschine bzw. Anlage verkauft. Bei diesem Ansatz übernimmt der Kunde das Monitoring der Anlage. Zum anderen: Es werden nur Software-Lizenzen verkauft, so dass der Kunde keine Maschine erwerben muss, die Vorteile von Industrial Analytics aber nutzen kann. Generell gilt: Die Analyse-Software lässt sich sowohl in Verbindung mit einer Cloud, aber auch ohne Cloud betreiben.

Strategie Druckluft 4.0 durch besseren Service

Mit der Erfahrung von mehr als 100 Jahren gehört die Boge Kompressoren Otto Boge GmbH & Co. KG zu den ältesten Herstellern von Kompressoren und Druckluftsystemen in Deutschland. High-Speed-Turbo(HST)-, Schrauben-, Kolben-, Scroll-Kompressoren, komplette Anlagen oder einzelne Maschinen – sie erfüllen unterschiedlichste Anforderungen. Die neuen HST-Kompressoren stellen einen Meilenstein in der Weiterentwicklung der ölfreien Drucklufterzeugung der Klasse 0 dar.

Um dieses Ziel der ölfreien Druckluft zu erreichen, verwendet Boge im HST 220 einen Permanentmagnetmotor. Dessen Konstruktionsprinzip reduziert sowohl Bauteile wie auch das Gewicht des Kompressors, darüber hinaus garantiert es einen verschleißarmen Betrieb sowie verbesserte Effizienzwerte. Zudem ist kein Getriebe nötig, um die erforderlichen hohen Drehzahlen zu erreichen. Da die Antriebswelle des Motors luftgelagert ist, kommt das gesamte System ohne Öl aus. Ein weiteres entscheidendes Konstruktionsdetail: An beiden Enden der Antriebswelle sitzt ein aus Titan gefertigter Impeller, der im Verbund mit Diffusor und Spiralgehäuse die Druckluft erzeugt. Beide, Motor und Welle sorgen für einen zuverlässigen, wartungsarmen Betrieb bei minimalem Energiebedarf.

Zu den Anwendungsbereichen der HST Kompressoren gehören die Pharma- und Nahrungsmittelindustrie, Industrielle Lackierbetriebe sowie die Halbleiterproduktion. Hier haben Maschinenstillstände fatale Folgen. Die präventive Fehlervermeidung ist Voraussetzung für eine höhere Prozesssicherheit und ein bestmögliches Energiemanagement beim Kunden. Deshalb treibt Boge seine Strategie Druckluft 4.0 im Bereich Service und Wartung weiter voran.

Intelligente Datenauswertung und -nutzung

Um mögliche Fehler und Betriebsanomalien aufzudecken noch bevor sie entstehen, setzt Boge auf eine Software für Predictive Maintenance von Weidmüller. Diese Lösung ist Teil von Boge Analytics, dem Industrie 4.0-Paket zur intelligenten Datenauswertung und -nutzung. Es umfasst zudem die Remote-Monitoring-Lösung Boge Airstatus, das Continous Improvement Programme und das 24-Stunden Recovery.

Die Software zur vorausschauenden Wartung erkennt Fehler und kritische Abweichungen der technologischen Parameter frühzeitig. In die Datenauswertung fließen die Einsatzerfahrungen aller Boge Druckluftlösungen ein. So können im laufenden Betrieb Vorhersagen über einen zukünftig anstehenden Wartungsbedarf getroffen und Serviceeinsätze optimal geplant werden. Betroffene Bauteile können dann vor dem Eintritt eines prognostizierten Schadens ausgetauscht werden. Eine kostenintensive Nachsorge und lange Stillstandszeiten gehören damit der Vergangenheit an. Mit Predictive Maintenance setzt Boge auf einen zentralen Werttreiber für eine wettbewerbsfähige und kontinuierliche Druckluftversorgung nach Industrie-4.0-Standards.

Grundlage: Machine Learning

Das gemeinsame Predictive-Maintenance-Projekt begann zunächst mit einer Machbarkeitsstudie. Das Ziel: Eine Wartung oder Reparatur soll vorbeugend vorgenommen werden können, bevor ein Ausfall eintritt. Dazu startete Boge mit der Aufnahme der Kompressordaten, aus denen das Verhalten gelernt wird. Anschließend konzentriert man die Analyse auf die fehlerrelevanten Daten, die zum Verständnis möglicher Kompressorausfälle erforderlich sind. Um möglichst robuste Vorhersagen zu treffen werden aktuelle Verfahren des maschinellen Lernens zugrunde gelegt, die helfen das Kompressorverhalten zu beschreiben und zu prognostizieren.

Bei den Analysen stand Boge als Anwender mit seinem wichtigen Know-how im Mittelpunkt. Die Software kann einen Fehler zwar mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit vorhersagen – Voraussetzung hierfür ist jedoch stets, dass er zuvor von einem Applikationsexperten als relevant klassifiziert wurde. Nur der Anwender kann bewerten, ob eine Anomalie tatsächlich als kritischer Fehler einzustufen ist.

Ausschlaggebend ist das Datenmuster

Die aufgenommenen Daten stammen alle von Messtechnik-Komponenten, die ohnehin im Kompressor vorhanden sind. Es musste keine neue Sensorik nachgerüstet werden. In die Auswertung und Analyse wurden Motortemperatur, Luftdruck und Motordrehzahl einbezogen. Die Datenqualität wurde beurteilt und gemeinsam mit Boge über ihre Relevanz entschieden. Anschließend sortierte man nicht relevante Datenquellen aus. Dabei gilt es zu beachten wie die Messwerte miteinander interagieren, denn ausschlaggebend ist nicht der einzelne Wert, sondern das vorhandene Datenmuster. So entsteht ein komplexes Datenmodell der Normalität, mit dessen Hilfe der Schadensfall präzise vorhersagbar ist, wenn die Werte in einer bestimmten Weise vom gelernten Model abweichen. Mit entscheidend ist, dass das System permanent hinzulernt. Mit jeder neuen Fehlermeldung und anhand von Rückmeldungen des Bedieners verändert sich das Model.

Daraus ergeben sich wertvolle Analytics Ergebnisse: In welchem Status befindet sich der Kompressor aktuell und in der Vergangenheit, wann wird sich der Zustand zu einem kritischen Fehler hin verändern und wie effizient war der Kompressor, d. h. wie viel Druck hat er in den letzten Tagen geliefert. Die Analytics Lösung von Boge ist so konzipiert, dass sich auch noch nicht bekannten Fehler hinzulernen lassen – berechnete Vorhersagen über den Kompressorausfall werden also über die gesamte Betriebszeit des Kompressors immer präziser.

Maschinenstillstände lassen sich vermeiden

Letztlich profitiert der Anwender von einer hocheffektiven Software, die konkret darüber Auskunft gibt, wie viele Minuten oder Stunden es noch dauert, bis ein technisches Problem an der Maschine entsteht. Interessanterweise entscheidet dann der weitere Einsatz des Kompressors darüber, ob dieser Wert Bestand hat: Verändert sich das Einsatzszenario und die Maschine wird zum Beispiel geschont, verlängert sich die angezeigte ‚Restlaufzeit‘. In jedem Fall lassen sich größere Schäden verhindern, wenn Anwender rechtzeitig reagieren und einen Serviceeinsatz bzw. ein Wartungsintervall einleiten – und genau hier schließt sich der Kreis für Boge, denn das gesamte Selectcair-Servicepaket des Druckluft-Spezialisten basiert auf dem Prinzip „Sicherheit geht vor“. Es wird alles unternommen, damit die Maschine so wenig und so kurz wie möglich während ihres Lebenszyklus stillsteht. Eine Investition in Redundanzanlagen ist nicht mehr nötig – ein dickes Plus für den Kunden.

Fazit: Mit ihren Automatisierungslösungen, Fertigungsverfahren und Konstruktionen setzen Grenzebach sowie Boge jeweils Benchmarks in ihren Branchen. Industrial Analytics von Weidmüller unterstützt dieses Anspruch.

Hannover Messe: Halle 11, Stand B58

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