Quality 4.0: Wie drahtlose IoT-Sensoren die Fertigungsqualität revolutionieren

Qualitätskontrolle ist in jeder Branche fundamental, doch in der Fertigung ist sie hyperkritisch. Volatile Marktnachfrage, hohe Material- und Produktionskosten sowie die geschäftskritische Natur der Endprodukte zwingen Hersteller, nichts Geringeres als erstklassige Qualität und minimale Ausschussraten anzustreben. Mit dem Internet der Dinge (IoT), das in der Fertigungsindustrie allmählich an Fahrt gewinnt, bietet das Qualitätsmanagement transformative Chancen.

Die Herausforderung des Qualitätsmanagements im Überblick

Effektives Qualitätsmanagement basiert auf der Fähigkeit, eine Vielzahl von Maschinen- und Prozessparametern, die die Produktqualität beeinflussen, ständig zu überwachen und zu steuern. Um konsistente und den Standards entsprechende Produkteigenschaften zu gewährleisten, wird die Ausrüstung kontinuierlich neu kalibriert, sobald Prozessabweichungen und andere Änderungen in der Produktionslinie auftreten. Doch mit der wachsenden Komplexität von Werkzeugsystemen und Fertigungsprozessen bleiben viele Prozessvariablen aufgrund der Grenzen sperriger kabelgebundener Netzwerke unbeachtet.

Während kabelgebundene Kommunikation ideal für hochdurchsatzfähige, zeitkritische Automatisierungsaufgaben ist, fehlt ihr die Flexibilität und Wirtschaftlichkeit, um Telemetriedaten im großen Maßstab und über die Maschinenebene hinaus zu erfassen. Faktoren wie Umgebungsbedingungen, obwohl sie einen großen Einfluss auf Qualitätsvariabilität haben, werden oft nicht untersucht und kontrolliert. Beispielsweise kann in der Automobilfertigung eine ungünstig niedrige Raumtemperatur die Qualität von 3D-gedruckten Komponenten mindern, da diese zu schnell abkühlen.

Hinzu kommt: Die meisten kabelgebundenen Industriesysteme, die im letzten Jahrhundert entworfen wurden, sind nicht für den Datenaustausch über den Shopfloor hinaus ausgelegt. Dies schafft isolierte Dateninseln, die nicht zur Steigerung von Produktionseffizienz und -durchsatz genutzt werden können. Stattdessen hängen Prozessoptimierung und Qualitätsmanagement oft von reaktiven, manuellen Nachkontrollen ab. Neben teuren Personaleinsätzen führt dies zu erheblicher Qualitätsvariabilität und damit verbundenen Kosten, während die Rückverfolgung der Ursachen von Qualitätsproblemen erschwert wird.

Industry 4.0: Proaktives Qualitätsmanagement

Der drängende Bedarf an verbesserter Prozess透明heit unterstreicht das enorme Potenzial von IoT und seinem Pendant, Industry 4.0, für proaktives Qualitätsmanagement.

Drahtlose IoT-Netzwerke erfassen eine große Anzahl granularer kritischer Datenpunkte entlang der Produktionslinie – beispielsweise Druck, Vibration, Temperatur und Feuchtigkeit. Mit potenziell tausenden vor Ort installierten Sensoren werden Daten alle 10 bis 20 Sekunden gesammelt und über eine Basisstation an das bevorzugte Backend-System des Nutzers gesendet, sei es on-premise oder in der Cloud. Über eine remote IoT-Plattform werden alle Sensordaten für Echtzeitüberwachung, actionable Insights und Prozessautomatisierung konsolidiert. Alarme können sofort ausgelöst werden, sobald außerhalb der Spezifikation liegende Bedingungen an laufenden Anlagen und Prozessen auftreten. Dies gibt Herstellern beispiellose Kontrolle über ihre Abläufe und Produktergebnisse. Über die reaktive End-of-Line-Qualitätsprüfung hinaus ermöglicht IoT-Daten einen proaktiven Quality-Assurance-Ansatz, um Fehler viel früher im Prozess zu diagnostizieren und zu verhindern – für maximale Produktionsdurchsatz und Wiederholbarkeit. Dies führt auch zu reduzierten Kosten und Abfall. Gleichzeitig liefert es wertvolle Erkenntnisse für das Erreichen und Aufrechterhalten von Best Practices.

Fünf führende Anwendungen für proaktives Qualitätsmanagement:

1. Zustandsüberwachung und Predictive Maintenance

IoT-Sensoren erfassen und kommunizieren wichtige Gesundheits- und Betriebsmetriken wie Druck, Vibration, Temperatur, Feuchtigkeit und Spannung zahlreicher Maschinen und Anlagen im gesamten Industriekomplex (Condition Monitoring). Neben einem aufschlussreichen Bild aktueller Produktionsprozesse und Anlagenleistung speisen diese massiven Datenströme analytische Modelle, um drohende Probleme proaktiv vorherzusagen und bedarfsbasierte Inspektionen und Reparaturen zu planen (Predictive Maintenance). Beispielsweise mindert hohe Feuchtigkeit im Getriebe die Leistung rotierender Komponenten, was zu Korrosion, beeinträchtigter Produktqualität oder sogar Maschinenausfall führt. Übermäßige Vibration von Motoren und Pumpen deutet auf mögliche Montagefehler, Wellenfluchtfehler und Lagerabnutzung hin. Mit Predictive Maintenance können Ausfälle im Voraus verhindert werden, wodurch die Anlagenauslastung maximiert und kostspielige Verluste durch Stillstandzeiten reduziert werden.

2. Umweltüberwachung

Umgebungsbedingungen können eine bedeutende Rolle in Produktion und Qualitätsmanagement spielen. Mithilfe von Umweltsensoren, die Temperatur, Feuchtigkeit und Luftqualität messen, können Werksbetreiber optimale Umgebungen für verschiedene werksweite Prozesse von ihrem Leitstand aus fernüberwachen und steuern. So sichert beispielsweise die Aufrechterhaltung eines idealen Luftdruckdifferenzials die Produktqualität in der Pharma- und Mikroelektronikindustrie, indem Staubeintrag in den Fertigungsbereich verhindert wird. Klebe- und Lackierprozesse in der Automobilproduktion lassen sich durch optimale Feuchtigkeitswerte verbessern. Ebenso gewährleistet präzise Temperaturüberwachung von Verarbeitungs- und Lagereinrichtungen Produktsicherheit in der Lebensmittelindustrie.

3. Asset Tracking und -Management

An einzelne Assets wie Werkzeuge, Maschinen und Fahrzeuge angebrachte IoT-Sensoren erfassen und melden detaillierte Informationen über aktuelle Zustände sowie darüber, wo und wie sie genutzt werden. Durch ein ganzheitliches, Echtzeit-Bild standortübergreifender Assets können Betreiber unterausgelastete Ausrüstung schnell identifizieren, drohende Probleme und Engpässe diagnostizieren und Werkzeuge sowie Ersatzteile einfach mobilisieren. Letztlich ermöglicht die IoT-Anwendung im Asset Management Organisationen, Wartungsaktivitäten und die Nutzungsdauer von Assets zu optimieren, während fehleranfällige manuelle Aufzeichnungen und übermäßige Bestellungen eliminiert werden.

4. Fernüberwachung von Pipelines und Tanks

Tanks und Pipelines sind kritische Assets in vielen Prozessindustrien. Überlauf oder Leckage von Chemikalien und Gasen führt nicht nur zu Produktionsverlusten, sondern verursacht auch schwere Umweltschäden und gefährdet die öffentliche Sicherheit. Durch den Einsatz von Füllstand-, Vibrations-, Durchfluss- und Drucksensoren können Unternehmen die strukturelle Gesundheit ihrer weit verteilten Tanks und Pipelines rund um die Uhr im Blick behalten, während manuelle Kontrollen gleichzeitig reduziert werden. Alarme werden bei potenziellen Austritten, Lecks oder Rissen ausgegeben, die zu Katastrophen führen könnten. Auch Alarme bei niedrigen Füllständen in Tanks ermöglichen rechtzeitiges Nachfüllen zur Produktivitätssteigerung.

5. Facility Management

IoT ermöglicht digitalisiertes Management und Schutz kritischer Werksanlagen. IoT-fähige Aufzüge, Rauchmelder, Feueralarme und andere Facility-Ressourcen im gesamten Werk senden regelmäßig Daten zu ihrem Batteriezustand oder „Alive“-Status. Dies hilft Herstellern, zeitaufwendige manuelle Inspektionen zu reduzieren, während sie schnell auf Probleme reagieren können, die die Produktionslinie unterbrechen könnten.

Zukunftssichere drahtlose Konnektivität für Quality 4.0

Da Datenerfassung in den meisten industriellen Umgebungen eine inhärente Herausforderung darstellt, können IoT-Implementierungen oft überwältigend komplex, teuer und einschüchternd wirken. Es wird prognostiziert, dass es bis 2025 36,8 Milliarden aktive IIoT-Geräte geben wird, gegenüber 17,7 Milliarden heute. Da immer mehr Unternehmen neue IoT-Anwendungen nutzen wollen, ist es wichtig, die langfristige Zuverlässigkeit, Integrierbarkeit und Verwaltbarkeit des Kommunikationsnetzwerks zu berücksichtigen, wenn es skaliert, um Tausende vernetzter Endpunkte aufzunehmen. Die Realität ist: Alles kommt darauf an, die richtige IoT-Konnektivität für den richtigen Business Case zu wählen.

Drahtlose Instrumentierung ist in der Fertigung nicht neu, aber entscheidende Anforderungen an Reichweite, Energieeffizienz und einfache Integration schränken die praktikablen Optionen ein. Industrielle Überwachungsanwendungen könnten beispielsweise erfordern, dass Millionen von Nachrichten pro Tag von Tausenden von Sensoren gesendet werden. Dies verlangt eine hochskalierbare und energieeffiziente Lösung, um häufigen Batteriewechsel und -entsorgung zu vermeiden, die die Total Cost of Ownership schnell in die Höhe treiben können. Ebenso erfordern weitläufige, strukturell dichte Industrieanlagen zuverlässige drahtlose Kommunikation, die große Distanzen überbrücken und physische Hindernisse überwinden kann. Das traditionelle Design von Fertigungsanlagen schafft zusätzliche Herausforderungen: Drahtlose Lösungen müssen in der Lage sein, mit Altsystemen wie SPS zu integrieren, um Datensilos aufzubrechen und Zugriff auf zuvor unzugängliche Informationen zu erhalten.

Legacy-Funktechnologien können die Anforderungen an Reichweite, Energie und Kosten in IoT-Sensornetzen nicht erfüllen. Traditionelle zellulare Konnektivität (z. B. 3G, LTE) und WLAN sind zu teuer und energiehungrig für die Übertragung kleiner Datenmengen von einer großen Anzahl von Sensorgeräten. Andere Lösungen wie Bluetooth, Zigbee und Z-Wave haben stark begrenzte physische Reichweite; und obwohl viele von ihnen eine Mesh-Topologie zur Reichweitenvergrößerung einsetzen, ist Multi-Hop-Relaying energieintensiv und erfordert komplexe Netzwerkplanung und -verwaltung. Daher eignen sich Mesh-Netzwerke höchstens für mittelgroße Anwendungen.

Low-Power Wide Area Networks (LPWAN) sind einzigartig darin, diese Fallstricke zu überwinden und eine effiziente, kostengünstige und einfach zu implementierende Lösung für massive IoT-Netzwerke zu liefern. Der Reiz von LPWAN liegt in seinen beiden Markenzeichen: großer Reichweite und geringem Energieverbrauch. Während WLAN und Bluetooth bestenfalls über zehn bis hundert Meter kommunizieren können, ist ein LPWAN in der Lage, Signale in ländlichen Gebieten bis zu 15 km und in städtischen, strukturell dichten Gebieten bis zu 5 km zu übertragen. Darüber hinaus reduzieren leichte, energieoptimierte Protokolle die Transceiver-Kosten und ermöglichen eine sehr lange Batterielebensdauer für Sensorknoten.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Servicequalität zwischen LPWAN-Technologien variiert. Dies ist hauptsächlich auf zwei Gründe zurückzuführen: ihren Betrieb im lizenzfreien Spektrum und die Nutzung einfacher asynchroner Kommunikation, typischerweise reines ALOHA (ein Knoten greift auf den Kanal zu und sendet eine Nachricht, wann immer Daten gesendet werden sollen). Während dies erhebliche Energievorteile bringt, erhöhen unkoordinierte Übertragungen in asynchronen Netzwerken die Wahrscheinlichkeit von Paketkollisionen und Datenverlust erheblich. Da drahtlose IoT-Implementierungen und Funkverkehr in den lizenzfreien Sub-GHz-Bändern rasant wachsen, bringen Legacy-LPWANs potenziell ernsthafte Quality-of-Service (QoS)- und Skalierbarkeitsherausforderungen durch Co-Channel-Interferenz mit sich. In gleicher Weise sind Standardisierung und zuverlässige Mobilitätsunterstützung weitere kritische Faktoren, die nicht übersehen werden dürfen.

Fazit

Die Fähigkeit, verborgene Muster zu erkennen, zukünftige Probleme vorherzusagen, Nutzung und Kosten zu prognostizieren und Erkenntnisse aus IoT-Sensordaten abzuleiten, wird den industriellen Prozess für immer verändern. Während der Sektor seit einiger Zeit Kommunikationstechnologie einsetzt, hilft neue drahtlose Konnektivität wie LPWAN, weit mehr Datenpunkte zu einem viel niedrigeren Preis online zu bringen. Angesichts sich häufender Branchenherausforderungen kann die IoT-Implementierung ein Wendepunkt sein, um Qualitätsmanagement und betriebliche Effizienz auf die nächste Stufe zu heben und der Konkurrenz einen Schritt voraus zu sein.

Dieser Artikel wurde von Wolfgang Thieme, Chief Product Officer, BehrTech (North York, ON, Kanada), verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Thieme unter wthieme@behrtech.com oder besuchen Sie hier.