QC-Messdaten nahtlos in Fertigungssysteme integrieren für höhere OEE

Das Internet der Dinge (IoT) – und im weiteren Sinne die Vierte Industrielle Revolution (Industrie 4.0) – ist heute das allgegenwärtige neue Paradigma in der Fertigung und beeinflusst tiefgreifend die Art und Weise, wie Hersteller arbeiten oder planen zu arbeiten. Die Verbesserung der Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness, OEE) ist eine zentrale IoT-Anforderung, und die Optimierung der OEE erfordert präzise, aktuelle Daten über die gesamte Organisation hinweg – einschließlich Mess- und Prüfdaten, die sowohl aus Qualitätslabors als auch direkt vom Shopfloor stammen.

Bedeutung schneller, umfangreicher und präziser Datenerfassung

Die Erhöhung von Geschwindigkeit, Volumen und Genauigkeit bei der Erfassung von Mess- und Inspektionsdaten ist entscheidend, da sie leistungsstarke Einblicke liefert, die für die Steigerung der Effizienz und die konsistente Fertigung qualitativ hochwertiger Teile unverzichtbar sind. Beim Sammeln von Präzisionsmessdaten für Qualitätskontrollzwecke führt der klarste Weg zu diesen Vorteilen über drahtlose und mobile Erfassungstechnologien.

Anforderungen an drahtlose Datenerfassungssysteme

Drahtlose Datenerfassungssysteme sollten mobil, robust verschlüsselt und gesichert sein und für vielfältige Anforderungen geeignet sein – von uneingeschränkten Distanzen und Messgerätekompatibilität bis hin zu Benutzerfreundlichkeit und praktischer Integration in automatisierte Fertigungsabläufe. Die besten Systeme können die Produktivität drastisch steigern, Fehlerpotenziale eliminieren, vollständige Dokumentation bereitstellen und den Datenerfassungsprozess automatisieren. All diese Vorteile sollten sowohl bei der Nutzung durch einen einzelnen Mitarbeiter als auch unternehmensweit in einem integrierten Qualitätskontrollsystem zur Verfügung stehen.

Gründe für die Erfassung präziser, zeitnaher und vollständiger Messdaten

Es gibt viele Gründe, warum Hersteller genaue, zeitnahe und vollständige Mess- und Inspektionsdaten benötigen. OEE-, Lean- und Six-Sigma-Initiativen erfordern vertrauenswürdige Daten, um beste Qualitätskontrollpraktiken zu unterstützen. Hersteller – insbesondere in Branchen wie Medizintechnik, Biomedizin, Luft- und Raumfahrt sowie Rüstung – müssen häufig regulatorische Anforderungen erfüllen und rückverfolgbare, zuverlässige Dokumentation für die Fertigung kritischer Bauteile vorlegen.

Häufige Limitationen herkömmlicher Datenerfassungssysteme

Potenzial für menschliche Fehler und Verzögerungen

Systeme, die Mitarbeiter auffordern, wichtige Messwerte manuell zu erfassen, erfordern extrem präzise Aufmerksamkeit bis ins Detail – dutzende oder sogar hunderte Male pro Schicht. Das ist selbst unter idealen Bedingungen schwer konsequent umzusetzen. Hinzu kommt das Bildungsniveau: Mitarbeiter verfügen möglicherweise nicht über den Hintergrund, um Daten vollständig zu verstehen und fehlerfrei zu erfassen und zu übertragen. Vertauschte Ziffern, falsch gesetzte Dezimalpunkte und ähnliche Fehler sind an der Tagesordnung. Zudem muss ein Mitarbeiter unter Umständen die Produktion unterbrechen, um Messwerte zu erfassen und zu protokollieren, was die Gesamtproduktivität mindert.

Digitale Sicherheitsprobleme

Unsichere Netzwerke, die zur Übertragung von Messdaten verwendet werden, können Angreifern Einfallstore verschaffen, um umfassenderen Zugriff auf Unternehmensdaten zu erlangen. Wird Messdatenübertragung ohne angemessene Sicherheitsmaßnahmen durchgeführt, entsteht ein potenziell ernsthaftes Sicherheitsrisiko.

Fehlende Skalierbarkeit

Unternehmenswachstum und Diversifizierung können zusätzliche Qualitätskontrollprozesse erforderlich machen, die sich über eine oder mehrere Standorte erstrecken. Ist ein Datenerfassungssystem nicht skalierbar, ist die Einrichtung separater Prozesse zeitaufwändig, umständlich und kann zu Verwirrung, Ungenauigkeiten und verzögerter Kommunikation führen. Im schlimmsten Fall resultieren daraus Produktablehnungen, Ausfälle und rechtliche Konsequenzen gegenüber Kunden.

Unvollständige Analyse durch Stichprobenstrategien

Eine Stichprobenstrategie kann niemals das vollständige Bild liefern, das eine 100%-Messung jedes gefertigten Bauteils bietet. Diese bei traditionellen QC-Prozessen verbreitete Struktur kann dazu führen, dass abweichende Fertigungstoleranzen nicht vorhergesagt und erkannt werden. Für Branchen wie Medizintechnik oder Rüstung, die 100%-Teileinspektion und rückverfolgbare Dokumentation vorschreiben, ist eine Stichprobenstrategie ohnehin keine Option.

Erhöhtes Ausschussrisiko

Jedes Ausschussteil bedeutet Verlust von Geld, Zeit und Ressourcen. Ohne die volle Transparenz durch 100%-Messung riskieren Hersteller zusätzliche Kosten und potenzielle Schäden an Kundenbeziehungen. Gelangt ein eigentlich aussortiertes Teil zum Kunden – besonders bei strengen Compliance-Anforderungen – können die Folgen gravierend, ja katastrophal sein.

Neue Systeme verbessern, modernisieren und straffen die Datenerfassung

Ein Grundprinzip besteht darin, Herstellern zu ermöglichen, große Mengen an Messdaten präzise und konsistent zu erfassen, um Industrie-4.0-Anforderungen zu erfüllen. Heutige drahtlose Messdatenerfassungssysteme sollten vollständig, skalierbar, sicher und robust für Industrie 4.0 sein. Das bedeutet: grundlegende Vorteile durch Automatisierung, einfache Bedienung, gestraffte Skalierbarkeit, robuste Datenverschlüsselung und -schutz sowie uneingeschränkte Distanzen und unbeeinträchtigte Übertragung. Das Ergebnis: gesteigerte Produktivität, reduzierte Fehler, vollständige Dokumentation und ein zuverlässiger, automatisierter Datenerfassungsprozess.

Basierend auf modernster Funknetzwerktechnologie, die Kurzwellen-Frequenzen nutzt, um Smartphones, Computer und drahtlose Geräte zu vernetzen, ermöglichen diese Systeme deutlich höhere Geschwindigkeiten, größere Bandbreiten und größere Reichweiten für höheren Datendurchsatz. Solche Systeme bieten eine Reihe entscheidender Vorteile:

Automatisierung

Wenn Mitarbeiter wiederholt die Arbeit unterbrechen müssen, um einen Messwert zu protokollieren, leidet die Produktivität zwangsläufig. Manuelle Erfassungsprozesse können Fehler in die Datenbank einbringen, die Genauigkeit stark reduzieren und Fehler fortpflanzen. Mit modernen Messdatenerfassungssystemen überträgt ein Knopfdruck die Messdaten – was erheblich Zeit spart; beispielsweise ist das Drücken eines Knopfes mindestens viermal schneller als das Aufschreiben und anschließende Eintippen der Daten in einen Computer.

Automatisierung durchdringt den gesamten Qualitätskontroll-Messdatenerfassungsprozess, verbessert die Prozesseffizienz und die Genauigkeit der erfassten Messwerte. Funktionen wie automatische Zeitstempelung liefern kritischen Kontext für jeden Datenpunkt, der für Rückverfolgbarkeit und Einhaltung von Qualitätskontroll-/Produktionsspezifikationen erforderlich ist. Das Senden einer Bestätigung an das Messgerät über den Empfang ist ebenfalls nützlich.

Geschwindigkeit

Hohe Datenvolumen können ohne Verzögerung verarbeitet werden, selbst bei Volllast, dank Systemen mit höheren Bitraten und extrem kurzen Datenlaufzeiten von unter 50 ms sowie ultra-niedrig-latenzen Netzen.

Einfache Bedienung

Die Einführung eines Messdatenerfassungsprozesses kann auf mehreren Ebenen auf Widerstand stoßen. Beim Management besteht möglicherweise Unsicherheit, ob eine neue Methode messbare Vorteile bringt. Bei den Bedienern können Angst vor dem Unbekannten und Bedenken beim Erlernen neuer Prozesse auftreten. Um diese Bedenken zu zerstreuen, hat Benutzerfreundlichkeit höchste Priorität, damit Bediener schnell Vertrauen gewinnen und der Erfassungsprozess in kurzer Zeit optimiert wird; beispielsweise erstreckt sich die einfache Bedienung auf die mobile App, die das Mitführen größerer Hardware wie Laptops in den Feldbetrieb überflüssig macht.

Vielseitigkeit

Eine neue Netzwerktopologie kann für viele einfache oder komplexe Situationen konfiguriert werden, und verteilte Remote-Gateways können ebenfalls genutzt werden. Der modulare Aufbau heutiger Systeme ermöglicht es, einen Qualitätskontroll-Messdatenerfassungsprozess einfach zu erweitern oder zu reduzieren, ohne ein neues Datenerfassungssystem anschaffen zu müssen. Daten werden von Messgeräten mit eingebauten Funkmodulen oder extern angebrachten Endknoten an Gateways übertragen und sind sowohl auf Android™- als auch iOS®-Mobilplattformen sowie auf Windows®-basierten Computern (Laptops, Desktop-PCs, Thin Clients, Server) nutzbar. Repeater- und Brückenkomponenten können zudem direkt an SPS und andere Hochgeschwindigkeits-Serielle-Automatisierungsgeräte angebunden werden für Echtzeit-Datenerfassung oder Fernmaschinensteuerung.

Für drahtlose Messung ist es äußerst produktiv, Messwerkzeuge mit eingebetteten Funkmodulen zu verwenden, was die Datenerfassung erleichtert. Auch von Vorteil ist die Kompatibilität mit einer breiten Palette elektronischer Präzisionswerkzeuge und Messgeräte verschiedener Marken. Rucksack-Funkmodule erweitern die Funktionalität, sind unauffällig und leicht zu befestigen. Anwender modernster Messdatenerfassungssysteme können mehrere Gateways als zentrale oder verteilte Datenerfassungspunkte nutzen – im Gegensatz zu konventionellen Systemen mit nur einem Gateway. Kompakte Gateways und Repeater passen problemlos in eine Handfläche.

Zusätzlich sind die Anwendungsbereiche für Datenerfassung äußerst vielfältig, und das System sollte vielseitig genug sein, all diese abzudecken. Die neuesten Messdatenerfassungssysteme sind an nahezu jeden Use Case anpassbar – von Automobil- und Agrarindustrie bis hin zur 100%-Messung aller Teile und Komponenten in stark regulierten Branchen wie Rüstung, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Energie und mehr.

Skalierbarkeit

Die neuesten Datenerfassungssysteme sind darauf ausgelegt, Präzisionsmessdaten zuverlässig und präzise in einer breiten Palette von Anwendungen und Distanzen zu erfassen. Von nur einem oder wenigen Messwerkzeugen über kurze Distanzen bis hin zu Konfigurationen mit vielen Messwerkzeugen, die hunderte Yards voneinander entfernt in einer großen Fabrik oder über eine Meile über mehrere Standorte verteilt sind – wachsende Distanzen und steigende Anwendungsanforderungen lassen sich problemlos bewältigen, wenn sich die Anforderungen an die Messdatenerfassung weiterentwickeln.

Anwendungsszenarien

Portable Scheme: In seiner einfachsten Form besteht ein Portable Scheme aus einer drahtlosen App auf einem Mobilgerät. Dieses unkomplizierte Setup kann ein drahtloses Messwerkzeug mit eingebettetem Funk umfassen, das Daten bis zu 30 Fuß (10 Meter) an das Mobilgerät überträgt. Je nach Mobilgerät können 5 bis 8 Messwerkzeuge mit der mobilen App verbunden werden für Datenübertragung bis 30 Fuß (10 Meter). Auch können Benutzer Messdaten einfach bis 30 Fuß (10 Meter) von einem (oder mehreren) drahtlosen Messwerkzeug(en) an einen Laptop oder PC mit USB-Gateway übertragen (Abbildung 1).

Typical Scheme: Hier könnte ein Computer oder Laptop das Messdatenerfassungssystem betreiben, um 20 Messwerkzeuge im Erfassungsprozess über eine Distanz von bis zu 200 Fuß zu unterstützen. In diesem Setup ist ein USB-Gateway enthalten, und Rucksack-Endknoten an den Messwerkzeugen erhöhen die Übertragungsreichweite von 30 auf 200 Fuß (Abbildung 2).

Large Factory Scheme: In diesem Beispiel können 20 Messwerkzeuge eine Bridge und ein Remote-Gateway nutzen, um die Gesamtdatenübertragungsreichweite auf hunderte Fuß oder Yards zu erweitern (Abbildung 3).

Enterprise Scheme: Hier kann die Messdatenübertragung von hunderten Yards auf über eine Meile erhöht werden. Durch den Einsatz von Remote-Gateways, Bridges und ggf. Repeatern können über 100 Messwerkzeuge eingebunden werden. Jedes Remote-Gateway kann 20 Messwerkzeuge bedienen. Für noch größere Distanzen können Yagi-Langstreckenantennen in das Schema integriert werden (Abbildung 4).

Robuste Datenverschlüsselung und -schutz

Datensicherheit hat für alle Hersteller – einschließlich des Militärs – oberste Priorität. Zwar sind Qualitätskontroll-Messdaten für sich genommen für Hacker möglicherweise nicht besonders wertvoll, doch Cyberkriminelle können die zur Übertragung genutzten Netzwerke spoofen, um generelleren Zugriff auf die digitale Infrastruktur zu erlangen. Messdatenerfassungssysteme begegnen diesem Problem durch diverse Maßnahmen, darunter eine hochsichere Funkplattform. Übertragene Daten werden mittels eines mehrschichtigen Ansatzes verschlüsselt, der jeglichen externen Zugriff – ob passiv oder aktiv – absolut verhindert.

Zusätzlich verbindet sich die mobile App nicht mit dem Betriebssystem eines Smartphones oder Tablets, was unbeabsichtigten Zugriff an einem kritischen Punkt einschränkt. Die Aufrechterhaltung guter Sicherheit umfasst auch die regelmäßige Behebung neuer Schwachstellen in der Funkübertragung, um Systeme langfristig sicher zu halten – wofür Ihr Lieferant engagiert sein sollte.

Uneingeschränkte Distanzen und unbeeinträchtigte Übertragung

Der Einsatz von Remote-Gateways, Bridges und Repeatern bietet einen effizienten und zuverlässigen Rahmen für Datenübertragung. Systemstrukturen können so wenig Komponenten umfassen wie einen Rucksack- oder eingebetteten Funk zusammen mit einem Mobilgerät, auf dem die mobile App läuft, oder Bridges, Gateways und Repeater nutzen, um Übertragungsreichweiten in großen Fabrikkonfigurationen erheblich zu erweitern.

Die Softwareanwendung der neuesten Messdatenerfassungssysteme nutzt ein drahtloses Netzwerk, um Informationen von mehreren Messwerkzeugen zu sammeln. Das drahtlose Netzwerk verlässt sich auf die eingebaute Funktechnologie oder Endknoten der Messwerkzeuge, um Daten zu sammeln und an den PC zurückzuübermitteln. Das Datenerfassungssystem kann auch Signale an die Netzwerkkomponenten senden, um Übertragungen zu verifizieren und Daten anzufordern. Die Hardwarekomponenten des Systems sind USB-Gateway, Remote-Gateway, Bridge-Extender und Endknoten. Der Endknoten ist ein Funk-Sender/Empfänger, der an ein Messwerkzeug angebracht wird. Das USB-Gateway ist ein Funk-Sender/Empfänger, der an einen PC angeschlossen wird. Das Remote-Gateway entspricht dem USB-Gateway, erweitert aber die Kommunikationsreichweite vom PC durch einen Bridge-Extender, der die Signale zwischen Remote-Gateway und PC verstärkt. Das Remote-Gateway hat die gleiche Reichweite wie das USB-Gateway, kann aber sehr weit vom PC entfernt aufgestellt werden.

Unabhängig von der implementierten Systemarchitektur ist das Ergebnis eine zuverlässige, präzise und schnelle Lösung für die Erfassung von Qualitätskontroll-Messdaten an jedem Betriebspunkt, an dem Datenerfassung benötigt wird.

Praktikabilität

Es ist effizient, Endknoten und drahtlose Messwerkzeuge zu verwenden, die wiederaufladbar sind, was Batteriewechsel und damit verbundene Kosten eliminiert. Ebenfalls zu berücksichtigen: Endknoten und drahtlose Messwerkzeuge mit IP67-Schutz für raue Werkstattumgebungen. Die Fähigkeit, sich an die meisten bestehenden SPC-, MRP- und ERP-Programme anzupassen, ist ein weiterer Vorteil des Messdatenerfassungssystems.

Weitere Details und Fähigkeiten

• Betriebsabstand von Gateways oder Mobilgerät: bis zu 30 Fuß (10 Meter) für drahtlose Messwerkzeuge.
• Betriebsabstand von Gateways: bis zu 200 Fuß (61 Meter) für Rucksack-Endknoten.
• Ein Gateway-System handhabt bis zu 20 Messwerkzeuge, primär Messschieber, Mikrometer und Messuhren.
• Zusätzliche Remote-Gateways erweitern die Anzahl der unterstützten Messwerkzeuge in Schritten von je 20; ein Repeater kann die Übertragungsreichweite auf Meilen erhöhen.
• Endknoten-Funkmodule können bis zu 10 Messwerte speichern, falls das Hauptsystem ausfällt oder belegt ist.
• Sende-Reichweite: bis zu 2.000 Fuß (610 Meter) zwischen Remote-Gateways und Bridge.
• Virtuelle Multiplexer im Messdatenerfassungssystem nehmen viele Eingänge (Werkzeugdaten) entgegen und teilen sie über eine einzige Ausgaberessource – einen virtuellen COM-Port. Der virtuelle Multiplexer leitet Werkzeugdaten an einen COM-Port für SPC-Software und andere Softwarepakete weiter.
• Fernzugriff über LAN auf den Datenerfassungsserver via Remote-Client-Software.
• Optionale Antennentypen für verschiedene Einsatzszenarien.

Lieferantenwissen, Service und Support sind entscheidend bei der Wahl eines drahtlosen Messdatenerfassungssystems. Tiefe Erfahrung kombiniert mit Expertise in Qualitätskontrolle trägt maßgeblich zu einer erfolgreichen Implementierung bei.

Dieser Artikel wurde verfasst von Jeff Wilkinson, Director, Research & Development und General Manager – Advanced Technology Division bei der L.S. Starrett Company (Athol, MA). Weitere Informationen finden Sie hier.