Industrie 4.0 mit LIMS-Edge-Geräten beschleunigen: Produktion & Wettbewerbsfähigkeit steigern

Begriffe wie Smart Factory, Industrie 4.0 und Industrial Internet of Things (IIoT) sind zu unvermeidbaren Schlagwörtern geworden, die von jedem Entwickler von Fertigungsausrüstung und -software bemüht werden. Viele Diskussionen über smarte Fabriken beginnen mit Visionären, die Bilder davon zeichnen, wie die globale Fertigungsindustrie transformiert wird.

Diese Beschreibungen umfassen oft aufstrebende Technologien wie additive Fertigung, 3D-Visuelle Simulation und kollaborative Robotik. All das kann für den durchschnittlichen Lohnfertiger unerreichbar scheinen – und viel zu teuer, um es überhaupt in Betracht zu ziehen. Wer braucht das wirklich?

Diese populäre branchenweite Sicht auf intelligente Fertigung ist ungewollt irreführend – vergleichbar damit, die Frage „Was ist ein Auto?“ mit der Beschreibung des Interstate-Highway-Systems zu beantworten. In beiden Fällen ist die Kernidee viel simpler – und die Antwort auf die Frage, wer smarte Fertigung wirklich braucht, ist eindeutig: der durchschnittliche Lohnfertiger – und jeder Hersteller, der in Zukunft wettbewerbsfähig bleiben will.

Begriffe definieren

Ein nützlicher Weg, die Smart Factory zu verstehen, ist der Start mit einer vergleichsweise einfachen Technologie: dem kostengünstigen elektronischen Sensor. In der Prä-Sensor-Welt programmiert der Maschinenbediener eine CNC-Dreh- oder Fräsmaschine, und die Maschine führt die Anweisungen aus und spannt Metall ab. Die Kommunikation ist rein einseitig, vom Bediener zur Maschine.

Hat die Maschine die Anweisungen genau befolgt? Abgesehen von einem offensichtlichen Desaster wie einem Crash wird der Hersteller es nicht wissen, es sei denn, er prüft das Teil nach Abschluss der Operation – was Zeit und Geld kostet.

Hier kommt der Sensor ins Spiel. Moderne, strategisch in der Bearbeitungszentrale platzierte Sensoren ermöglichen bidirektionale Kommunikation. Die Sensoren erlauben der Maschine, Informationen über ihren eigenen Status und den Status der Operation während der Arbeit aufzuzeichnen oder zu kommunizieren. Vibrationsmessung, Temperaturschwankungen, Motorstromanalyse und andere Faktoren können über ein Netzwerk zur Überwachung und Analyse geteilt werden. Der Status der Maschine und wie sich dieser auf die Operation auswirkt, kann schnell – sogar in Echtzeit – bewertet werden.

Dort, wo der Sensor auf die Maschine trifft, trifft Gummi auf Straße im IIoT. Neue Produktionsanlagen sind grundsätzlich mit geeigneten Sensoren ausgestattet, diese können aber auch in ältere Anlagen zu relativ geringen Kosten nachgerüstet werden.

Mit LIMS in die intelligente Fertigung einsteigen

„Industrie 4.0 dreht sich wirklich darum, wie man Daten nutzen kann, um sein Geschäft besser zu betreiben“, sagte Larry Megan. „Und wenn man die Daten nicht hat, hat man keinen Ausgangspunkt.“

Megan ist Vice President von Advanced Manufacturing International (AMI), Clearwater, Florida, einer Non-Profit-Organisation mit der Mission, kleine und mittlere Hersteller (SMMs) auf diesem Weg – der „digitalen Transformation“ – zu unterstützen.

„Die Probleme, die Hersteller lösen wollen, sind dieselben, die Menschen seit 100 Jahren zu lösen versuchen“, stellte er fest: „‚Wie steigere ich die Effizienz? Wie reduziere ich den Energieverbrauch? Wie maximiere ich den Durchsatz? Wie gehe ich Qualitätsprobleme an?‘ Was sich geändert hat, ist, dass wir jetzt Technologie haben, um die Daten, die die Antworten liefern können, schnell sichtbar zu machen, damit sie als Sprungbrett für bessere Entscheidungen genutzt werden können.“

Megans und AMIs Arbeit mit SMMs umfasst oft die Empfehlung eines von LECS Energy entwickelten Geräts: dem LIMS Appliance.

LIMS steht für Low Investment Manufacturing System – eine unscheinbare kleine Box, bestehend aus einem Computer mit proprietärer Solution-Engine-Software, einem I/O-Hub (Input/Output) und einer 110-V-Stromquelle, die in eine Standardsteckdose passt. Am Rand einer Produktionsanlage verdrahtet, wird sie zu einer einfachen Lösung für das Sammeln und Teilen komplexer sensorbasierter Daten. (AMI wird Live-Demonstrationen des LIMS-Systems auf HOUSTEX, EASTEC, SOUTHTEC und WESTEC im Oktober und November durchführen. AMI ist der exklusive Distributor der LIMS-Box.)

„Für viele Hersteller, besonders im diskreten Fertigungsbereich – Automobil, Luftfahrt und andere – halten wir die LIMS-Lösung für einen großartigen Einstiegspunkt“, sagte Megan. „Sie ist für Hersteller konzipiert, die eine CNC- oder andere Maschine nutzen, aber keine Transparenz über die Produktivität dieser einzelnen Maschine oder allgemein über das Geschehen auf dem Shopfloor haben. Die LIMS-Lösung ist ein kostengünstiger, einfacher Weg, um Daten aus ihren Prozessen zu holen und in ein nutzbares Format zu bringen. Und dann können sie anfangen, damit bessere Entscheidungen zu treffen.“

In den Worten des Hauptentwicklers Nat Frampton von LECS Energy: „LIMS wurde entwickelt, um Bedienern und Ingenieuren zu ermöglichen, ihren Prozess zu ‚berühren‘, ihn zu analysieren und ein neues Verständnis zu gewinnen – die Daten zu sammeln, sie historisch zu betrachten, mit Datenbanken zu interagieren oder Daten dorthin zu bewegen, und schließlich die Analyseergebnisse zu nutzen, um ihren Prozess zu verbessern.“

Laut Frampton ist LIMS das Produkt von 20 Jahren Entwicklung, ursprünglich für die Sprengstoffherstellung für die US-Armee konzipiert. Ein zentrales Ziel war von Anfang an, dass Nutzer ohne spezialisierte Programmierkenntnisse das System installieren und bedienen können.

„Wenn Sie Ihren eigenen Betrieb verstehen, wenn Sie mit Ihrer Ausrüstung arbeiten können, haben Sie bereits alle Computerkenntnisse, die Sie brauchen, um dieses Gerät zu konfigurieren“, sagte Frampton.

Der LIMS-Anwendungsablauf

LIMS ist zu einer Vielzahl von Aufgaben fähig, lässt sich aber auf einen fünfstufigen Anwendungsablauf vereinfachen. Der erste Schritt ist die Verbindung des Systems mit einer bestimmten Produktionsanlage. Wie diese Verbindung funktioniert, hängt von der anzuschließenden Anlage und dem Netzwerk-Setup des Betriebs ab – falls eines existiert. LIMS ist darauf ausgelegt, je nach diesen Variablen die effizienteste Verbindungsart zu wählen.

„LIMS basiert auf offenen Standards“, sagte Frampton. „Wenn es also an eine relativ neue Maschine angeschlossen wird, die ein Standard-Datenprotokoll wie MTConnect nutzt, ist es sehr einfach für jedermann, die Daten vom Netzwerk abzuholen und in eine Datenbank zu bewegen. Wenn die Maschine jedoch keine Standard-Datenprotokolle nutzt, die Daten aber auf der lokalen SPS [speicherprogrammierbare Steuerung] verfügbar sind, die die Maschine steuert, dann können wir – wenn sie relativ neu ist – die Daten von der SPS holen. Wir verstehen die SPS-Protokolle und haben Treiber dafür.“

Das LIMS-Gerät „spricht“ über 50 verschiedene industrielle Protokolle. „Wissen Sie einfach: Wenn Sie irgendein Gerät haben, das ‚spricht‘, können wir wahrscheinlich mit ihm reden.“

Und wie erwähnt, falls nichts davon funktioniert, können Sensoren an die Produktionsmaschine angebaut und an das LIMS-Gerät verdrahtet werden, sagte Megan.

„Wir hatten Fälle, wo wir Sensoren hinzugefügt haben, um bestimmte Analysen zu ermöglichen – Temperatur, Luftfeuchtigkeit in der Halle, solche Dinge. Diese können als typische verdrahtete Signale eingebunden werden, wie sie in eine SPS oder anderes eingehen würden.“

Unabhängig davon, wie die Verbindung hergestellt wird, ist der Vorteil: „Jetzt landen Sie alles über ein System, sodass Sie alles konsistent zeitstempeln. Alles wird in einer Standarddatenbank landen, gut organisiert, im Kontext und an einem Ort, den Sie nutzen können.“

Glätten, Speichern und Analysieren

Sobald die Verbindungen hergestellt sind und Daten zum LIMS fließen, ist der zweite Schritt das Filtern der Daten, um Rauschen zu reduzieren und das Signal zu stärken. „Die hereinkommenden Daten von der Anlage sind nicht immer perfekt“, sagte Frampton. „Sie können verrauscht sein.“ Deshalb enthält das Solution-Engine-Programm eine einfache Analyse-Engine, die glättet. Zum Beispiel: „Vielleicht haben Sie einen Strom, der hereinkommt, und Sie wollen ihn in Kilowattstunden integrieren, um Ihren CO2-Fußabdruck für ein bestimmtes Teil zu kennen.“ Das Filtern ermöglicht einen klareren, präziseren Datensatz. Diese initiale Datenfilterung unterscheidet sich von der komplexeren Analytik, die möglich wird, sobald das System länger Daten aufgezeichnet und gespeichert hat.

Der dritte Schritt ist das Sammeln der Daten und das Speichern in der Datenbank der Wahl des Nutzers – lokal oder in der Cloud.

„Keine Cloud ist erforderlich“, betonte Frampton. Der Nutzer könnte beispielsweise eine SQL-Datenbank einrichten, „und Sie könnten diese Datenbank in die Cloud stellen, wenn Sie wollen – aber Sie müssen nicht. Sie können sie einfach lokal auf dem LIMS-Gerät speichern.“ Das LIMS-Gerät hat standardmäßig 16 Gigabyte Speicher.

Ein weiterer Unterscheidungsmerkmal: „Eines der Dinge, die wir nicht tun, ist die Datennutzung zu überwachen und Ihnen für jedes Speichern von Daten zu berechnen oder Tag-Limits zu setzen. Die Daten gehören Ihnen.“

Der vierte Schritt ist die Berichterstellung und Analyse aus den Daten. Da die meisten Maschinenbediener nicht unbedingt Datenbankexperten sind, ist LIMS so gestaltet, dass Datensammlung und -speicherung so einfach wie ein Mausklick sind.

„Wenn Sie kein Datenbank-Jockey sind oder sich mit Datenbanken unwohl fühlen, machen Sie sich keine Sorgen“, sagte Frampton. „Sie können einfach rechts auf die Daten klicken und sie nach MS Excel ausgeben. Ich bin von Ausbildung Maschinenbauingenieur, daher habe ich immer sichergestellt, dass unsere Tools direkt nach Excel exportieren.“

Falls der Nutzer jedoch Azure, Google Cloud oder ein anderes Cloud-System hat, „können wir diese Daten nehmen und direkt in Tabellen in Azure bewegen, damit Sie sie in Power BI sehen können“ oder in andere Programme/Formate. „Wir können auch Machine Learning anschauen und Ergebnisse zurückbekommen.“

Die Daten nutzen

Der fünfte und letzte Schritt ist der Grund, warum das System überhaupt installiert wird – die gesammelten Informationen zur Prozessverbesserung zu nutzen.

„Sobald Sie herausgefunden haben, wie Sie den Prozess verbessern, ist das Wichtigste, ihn steuern zu können – etwas dagegen zu tun“, erklärte Frampton.

Die gewünschte Aktion mag anfangs relativ einfach sein, wie das Sichtbarmachen einer relevanten Information durch eine Rot-Gelb-Grün-Lichtstapel-Anzeige. Mit der Zeit können die gesammelten Daten jedoch viel mehr ermöglichen.

„Wir positionieren LIMS als Einstiegspunkt für die digitale Transformation“, sagte Megan. „Es beginnt typischerweise mit der Idee, Daten zu sammeln und einfache Visualisierung zu ermöglichen. Wenn man das hat, kann man im Laufe der Zeit anspruchsvollere Dinge damit tun. Man kann sich die Reifekurve hinaufarbeiten – von grundlegender Analytik hin zu fortgeschrittenen Lösungen wie KI.

„Aber am besten fängt man einfach an – und LIMS ist ein großartiger Startpunkt.“