RetroFitting

Nachrüstung von Maschinen für Industrie 4.0

Viele Hersteller haben bestehende Produktionsanlagen und wollen ihre Digitalisierung vorantreiben. Da die bestehenden Anlagen jedoch aus verschiedenen Gründen nicht einfach zu ersetzen sind, wird das Thema des Retrofitting für die Digitalisierung immer wichtiger. Während mechanische Bauteile langlebiger sind, haben Software und Steuerungstechnik einen kürzeren Lebenszyklus. Deshalb ist im Vergleich zu einer Neuanschaffung der Retrofit einer bestehenden Anlage oftmals wesentlich kostengünstiger.

Neubeschaffung von Maschinen oder digitaler Retrofit

Im Vergleich zur Neuanschaffung bietet ein Retrofit einige interessante Vorteile. Das Hauptargument sind vorallem die geringeren Investitionskosten im Verhältnis einer Neuinvestiation. Diese entsprechen in der Regel nur einem Bruchteil der Anschaffungskosten für eine neue Maschine. Ein weiterer Vorteil ist außerdem, dass für die Durchführung eines Retrofits im Vergleich zur Neuanschaffung keine langwierigen Genehmigungsverfahren nötig sind. Zusätzlich sind für einen Retrofit keine kostenintensiven Um- oder Neubauten der Fertigungshallen nötig. Außerdem ist der Schulungsaufwand nach einem Retrofit im Vergleich zur Neuanschaffung viel geringer, da die Grundfunktionalität der Maschine erhalten bleibt. So können durch die Implementierung eines Retrofis mit den entsprechenden Bauteilen mit einem niedrigen Kapitaleinsatz trotzdem die gewünschten Effekte erzielt werden:

• Verlängerung der Nutzungsdauer der Maschine Maschinenbestand wird auf den aktuellen technischen Stand gebracht.
• Verringerung von Ausfallzeiten
• Kürzere Durchlaufzeiten
• Geringere Produktionskosten durch Verbesserung von Energieeffizienz, Produktivität und Produktqualität, Produktqualitätsverbesserungen, erhöhte Präzession und Leistungsgsfähigkeit
• Erfüllung gesetzlicher Vorgaben (z. B. Emissions- und Sicherheitsbestimmungen)
• Erfassung von Prozess- und Maschinendaten für Industrie 4.0

Durch den digitalen Retrofit ergeben sich folgende Vorteile:

• Kostenersparnis im Vergleich zur Neuanschaffung von Maschinen
• gewohnte Arbeitsweise der Mitarbeiter an den Maschinen kann beibehalten werden
• keine Erweiterungen des Platzangebots notwendig
• Senkung von Produktionskosten
• bessere Energieeffizienz
• Verlängerung der Lebensdauer der Anlagen
• Erfüllung aktueller gesetzlicher Vorgaben oder Sicherheitsbestimmungen
• Überholung in Herstellerqualität
• Generalüberholung der Komponenten
• Erfüllung von Sicherheits- und Qualitätsvorschriften
• Nachhaltigkeit
• Wiederherstellung der Produktivität und Genauigkeit
• Überholung ist steuerlich absetzbar
• Keine Schulungsprozesse für die Anwender
• Kurze Dauer der Überholung

Nicht immer ist die digitale Aufrüstung von Anlagen mit vertretbarem Aufwand möglich oder sinnvoll. Deshalb sollte vor einem digitalen Retrofit eine Abwägung gegenüber einer Neuanschaffung vorgenommen werden. Grundsätzlich sind selbst älteste Maschinen mit digitaler Technik modernisierbar, doch nimmt der Aufwand hierfür unter Umständen ein enormes Ausmaß an. Ausserdem können Kosten extrem steigen und neue Technologien und Verfahrensweisen sind gegenüber einem Retrofit wesentlich sinnvollter.

Für die Entscheidung zwischen einer Ersatzbeschaffung und dem digitalen Retrofit sind folgende Fragen zu beantworten:

• Sind die bestehenden Anlagen bereits abgeschrieben?
• In welchem Allgemeinzustand befindet sich der zu digitalisierende Maschinenpark?
• Wie lange sind die Anlagen noch nutzbar?
• Ist die erzielbare Produktionskapazität ausreichend?
• Entspricht die erzielbare Qualität der Produkte den Anforderungen?
• Welche Kosten und Aufwände entstehen durch den Retrofit?
• Welche Kosten und welchen Aufwand verursacht eine Neubeschaffung?
• Sind neue Verfahren und Technologien zukunftsfähiger, effektiver, flexibler, …

Wie hilft Retrofitting bei der Digitalisierung und wie kann dies umgesetzt werden?

Die Grundlage für Digitalisierung und Industrie 4.0 bilden Daten und die Vernetzung von Maschinen und Anlagen über das Internet of Things.

Durch das <Internet der Dinge> (engl. Internet of Things = IoT) und die Etablierung von Cyber-Physischen-Systemen wird die Kommunikation von Maschinen, Anlagen und ihren Komponenten untereinander, sowie mit den Maschinenbedienern, über das industrielle Internet ermöglicht. Diese Entwicklung wird unter anderem durch die kostengünstige Herstellung und Miniaturisierung von Sensoren getrieben, sodass der vermehrte Einsatz physischer Sensoren in der Produktion erheblich erleichtert wird. Vor allem sind Nachrüstungen in bestehenden Anlagen leichter zu realisieren und entsprechende Lösungen im Markt erleichtern die Umsetzung.

Vor allem sind vier Messgrößen von Bedeutung:

• die Prozessmedien wie die elektrische Leistung, Druckluftversorgung, Wasserversorgung und Ölversorgung
• die Umgebungsbedingungen der Maschine wie die Temperatur, Luftfeuchte und -druck, Feinstaub- oder Gaskonzentrationen,  Geräuschentwicklung sowie Umgebungsbeleuchtung
• die Vibrations- und Bewegungsdaten
• die Prozessspezifische Messgrößen

Die  bestehenden Bestandsanlagen werden dann mit modernen Sensorikelementen und Kommunikationstechnik ausgestattet.  Dies können zum Beispiel Sensoren sein wie oben genannt die physische Größen, Temperatur, Schall, den Stromverbrauch oder den Druck messen.  Oder man kann mit  Sensoren die Drehzahl (Lichtschranke), die Temperatur der Werkzeugspitze (Pyrometer), der Vorschübe eines  Bohrfutters (Ultraschall-Abstandssensor) sowie die elektrische Leistungsaufnahme (Energiemessgerät) erfasst werden.  Es kann auch zusätzliche Sensorik für die Erfassung von Klimadaten und Umgebungsdaten installiert werden, sodass Umgebungseinflüsse auf Maschinen und Anlagen überwacht werden können

Integrierte Steuerung und Sensorik Maschinendaten können, auf drei Arten erfasst werden. Befindet sich in der Maschine eine elektronische Steuerung mit Ethernet-basierender Schnittstelle, so können Prozessdaten (Verarbeitungszeiten, Werkzeugeinsatz, etc.) und Daten von integrierten Sensoren potentiell mit einem steuerungsabhängigen Datenprotokoll zur Verfügung gestellt werden. Besteht keine Möglichkeit die Daten aus der Steuerung auszulesen, können die analogen Strom- oder Spannungswerte der integrierten Sensoren ggf. elektrisch abgegriffen werden ohne die Steuerung zu beeinflussen. Die dritte Option besteht in der Anbringung externer Sensorik an der Maschine. Die gewonnen Messwerte werden mithilfe von Hardware in Form eines sogenannten IoT-Gateways ausgelesen und digital erfasst. Dadurch sind keine Eingriffe in die sensible SPS-Steuerung der Maschine nötig, falls man diese nicht unbedingt austauschen muss oder nicht die Notwendigkeit dafür besteht.

Die Herausforderung von Industrie 4.0 und dem Industrial Internet of Things (IIoT) liegt in der Vernetzung verschiedener Systeme unterschiedlichster Hersteller – die allesamt über unterschiedliche Schnittstellen, Profile und Kommunikationsmechanismen verfügen. Genau hier setzt OPC UA an und schafft eine einheitliche Basis für den durchgängigen Informationsaustausch vom Feld bis in die Cloud.

Die Sensoren sind mit einem Produktionsdatenerfassungssystem verbunden, welches als Gateway fungiert. Dieses stellt die Daten per OPC UA zur Verfügung, so dass sie über einen VPN-Tunnel von einem Cloud-basierten Datendienst verarbeitet werden können.

So können dann  die umgerüsteten Maschinen und Anlagen in übergeordnete Systeme, wie Manufacturing  Execution System (MES) oder Enterprise-Resource-Planning (ERP), eingebunden werden. Dies ermöglicht die Erfassung und Analyse von Produktionsdaten sowie die Vernetzung und Kommunikation zwischen den Anlagen, welche die Basis für eine Fertigung im Sinne von Industrie 4.0 bilden.