Bestandsmaschine frisch vernetzt: Digitalisierung einer Motorenlackierung

Autor Philipp OsterwaldErstellt am Ein KommentarKategorien Connected Automation

In der heutigen Produktionswelt gibt es noch viele Maschinen und Anlagen, die noch nicht im Zeitalter der Digitalisierung angekommen sind. Diese Maschinen zu vernetzen und damit aus dem Schatten des nicht digitalen Zeitalters herauszuholen ist eine der aktuellen großen Herausforderungen. Hier ein Beispiel aus der Motorenfertigung von Bosch Rexroth im Werk Lohr.

 

Digitalisierung in fünf Schritten

Schauplatz unseres i4.0 Projekts ist die Lackiererei für elektrische Motoren in Lohr am Main. Hier bekommen die Gehäuse ihren typischen schwarzen Anstrich. Der Prozess der bislang nicht-vernetzten Anlage gliedert sich in wenige Schritte: Die Motoren werden zunächst in die Schlitten des Fördersystems eingehängt und fahren anschließend über ein Schienensystem zur Lackieranlage, wo sie vor einem Wasservorhang lackiert werden. Der überschüssige Lack wird über das Wasser abgeführt und abgeschieden, getrocknet und entsorgt. Die lackierten Motoren fahren anschließend weiter zum Ofen, wo sie bei ca. 80°C trocknen. Auf die anschließende Abkühlphase folgen Verpackung und Versand. Um die Produktion besser kennenzulernen und zu optimieren, wählte die Werksleitung ein einfaches Vorgehen in fünf Schritten, mit dem sich ohne Eingriff in die Automatisierungsinfrastruktur ausreichend viele Produktionsdaten erfassen, speichern und verarbeiten lassen.

   

Die Motoren werden über ein Transportsystem zum Lackierprozess befördert.

 

Schritt 1: Einflussgrößen festlegen

Durch das i4.0 Upgrade und die neu generierte Datenbasis soll die Anlage sukzessive optimiert und eine motorenspezifische Dokumentation (traceability) mit allen qualitätsrelevanten Daten realisiert werden. Im ersten Schritt wurden dazu die Einflussgrößen auf Bauteilqualität und -kosten festgelegt, entsprechende Sensoren ausgewählt und schrittweise weitere Einflussgrößen auf Basis der gesammelten Daten ermittelt. Ein Beispiel: Die Durchlaufzeit des Ofens ist von der Trocknungsgeschwindigkeit der Motoren abhängig. Diese wird beeinflusst von Motorengröße und den schwankenden Bedingungen im Ofen. Durch ein Monitoring von Luftfeuchtigkeit und Temperatur soll die nötige Durchlaufzeit dynamisch berechnet und auf ein Minimum reduziert werden.

Für den Trocknungsprozess sind Temperatur und Feuchtigkeit qualitätsrelevante Kenngrößen.

 

Schritt 2: Auswahl und Nachrüsten der Sensorik

Die Sensoren zur Erfassung der relevanten Messgrößen bilden die Grundlage für einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess in der Produktion. Insgesamt wurden 25 analoge Sensoren unterschiedlichster Hersteller systematisch ausgewählt und in der Anlage installiert. So wurde etwa zur Luftdruckmessung an der Lackierpistole ein analoger Sensor verwendet. Ebenso für Temperatur und Feuchte während der Trocknung. Der Druckluftdurchfluss wird ebenfalls erfasst, um mögliche Leckagen festzustellen und den Verbrauch zeitlich zu erfassen. Beschleunigungssensoren messen die Vibration der Umwälzpumpen und des Hauptantriebs. Die künftige Überwachung nach DIN ISO 10816 dient dazu, Motorenausfälle frühzeitig zu erkennen und ungeplante Stillstände (predictive maintenance) zu vermeiden.  Last but not least wird mittels Strommessumformer (Hall-Sensor) auch der Stromverbrauch direkt im Schaltschrank gemessen. Hier ein Überblick:

Betriebsmittel | Messgröße | Ort Betriebsmittel | Messgröße | Ort
B1.1 Temperatur OfenHinten B3.1 Luftdruck Lackstation
B1.2 Temp. Schaltschrank B3.2 Luftdruck Lackpistole
B3.3 Luftd. SCHIERHOLZ
B2.1 Temp. Lackierkabine
B2.3 Temp. OfenMot B5.2 Vibra Wasservorh.
B2.3 Feuchte OfenMot B5.3 Vibra SCHIERHOLZ
B2.4 Temp. KühlVorne
B2.4 Feuchte KühlVorne B6.1 Luftdurchf. Lackstation
B2.5 Temp. KühlMitteOben
B2.5 Feuchte KühlMitteOben B7.1 Strom L1
B2.6 Temp. KühlHinten B7.2 Strom L2
B2.6 Feuchte Kühl. Hinten B7.3 Strom L3

25 nachgerüstete Sensoren erzeugen die Datenbasis für die künftigen i4.0 Projekte der Lackiererei.

Schritt 3: Anbinden der Sensorik an das IoT Gateway

Um die vielen Messdaten aufzunehmen und den richtigen Systemen zur Verfügung zu stellen, wird ein Gateway benötigt. Es muss die Sensordaten sammeln und zur Weiterverarbeitung an übergeordnete IT-Systeme weiterleiten. Dies geschieht über die IoT Gateway Software von Bosch Rexroth. Die in diesem Fall auf der industrietauglichen Hardware Embedded-Steuerung XM installierte Software-Lösung eröffnet der Produktionsleitung nicht nur ein breites Spektrum an Datenquellen, sondern auch eine hohe Konnektivität nach „oben“. Zudem können Sensoren schnell und einfach über die schon existierenden und standardisierten I/O Module der Automatisierung eingebunden werden. Weiterhin war auch eine möglichst schnelle und einfache Konfiguration und Bedienung gewünscht, die keine Programmierkenntnisse voraussetzt.

i4.0 Upgrade mit IoT Gateway im beleuchteten Schaltschrank (obere Reihe Mitte) und Visualisierung im Dashboard auf einem Industrie-PC (rechts am Bildrand).

Schritt 4: Webbasierte Konfiguration

Die Bedienung der IoT Gateway Software erfolgt über ein browserbasiertes Webinterface, das verschiedene Apps zur Verfügung stellt. Es muss keine Software auf dem Rechner installiert werden. Zur Datenerfassung nutzt der Anwender die App „Devices“. Hierbei können z.B. analoge und digitale Sensoren, (kabelgebundene und drahtlose), diverse Steuerungen, OPC UA Server, etc. eingebunden werden. Für unterschiedliche Datenquellen stellt die IoT Gateway Software Vorlagen zur Verfügung, die wie Templates ausgefüllt werden. Sind die Sensoren oder andere Datenquellen eingerichtet, kann mit der Dashboard App überprüft werden, ob die Daten korrekt eingebunden sind und man erhält eine erste Visualisierung der Werte. Über die Processing App legt der Nutzer anschließend fest, welche Daten, in welcher Form und Genauigkeit an übergeordnete Systeme gesendet werden sollen. Dank einer benutzerorientierten Bedienung dauert der Vorgang nur wenige Minuten.

Anbindung der übergeordneten IT-Systeme

Im letzten Konfigurationsschritt wird mittels der Processing-App der Datentransfer an die überlagerten IT-Systeme festgelegt. Dank weiterer Templates ist dies ebenfalls ein einfacher Vorgang. Im Fall der Lackieranlage wurden folgende vier Systeme angebunden: Das MES-System OpCon MES als erstes System wird mittels Direct Data Link und XML eingebunden. Auf diesem Weg soll u.a. die motorenspezifische Serialnummer mit den jeweiligen Produktionsparametern in Verbindung gebracht werden. Die zweite Anwendung, der OPCON CM Condition Monitor kommuniziert ebenfalls über XML. Sie visualisiert beispielsweise die Ofentemperatur und gibt bei wichtigen Events Warnmeldungen für ein frühzeitiges Eingreifen aus. Als dritte Instanz wird Oracle Application Express (APEX) verwendet. Mit diesem Tool lassen sich schnell und individuell eigene Anwendungen und Auswertungen erstellen, um etwa die Lackierungsqualität über Zeitstempel mit Einflussgrößen zu korrelieren. Des Weiteren wird derzeit auch das automatisierte Verschicken von E-Mails bei Events getestet. Als viertes soll schließlich die Energy Monitoring Plattform von Bosch Energy & Building Solutions erprobt werden.

Weitere Konnektoren erhöhen Zukunftssicherheit

Bei Bedarf stehen der Produktionsleitung ergänzend noch viele weitere Anbindungsmöglichkeiten zur Verfügung, etwa der Production Performance Manager (PPM) von Bosch Software Innovations, aber auch für Cloud-Plattformen wie Azure von Microsoft, Amazon Web Services oder die IoT Cloud von Oracle.  Der Anwender kann so künftig mit minimalem Aufwand beliebige IT-Systeme einbinden. Eine weitere Besonderheit des Gateways besteht darin, dass sich die Daten auch gleichzeitig an unterschiedliche Systeme schicken lassen. So kann beispielsweise ein Maintenance-System gleichzeitig Informationen über den Verschmutzungsgrad der Wasseraufbereitung erhalten, während die Durchlaufzeit an das MES übermittelt wird.

Mittels verschiedener Provider-Apps bindet das IoT Gateway unter anderem das Bosch-interne OPCON Shopfloor Dashboard an.

 

Schritt 5: Verbesserungspotentiale erschließen

Industrie 4.0 ist ein Prozess. Wie die i4.0-Landschaft entwickelt sich auch das implementierte Projekt in der Lackiererei stetig weiter. Aus den kontinuierlich neu generierten Informationen über die Anlage lassen sich immer wieder neue Maßnahmen ableiten. Für die Lackiererei ergeben sich nach erfolgreicher Implementierung nun zahlreiche Verbesserungspotentiale. So kann im konkreten Fall durch die Integration des MES- Systems und Speicherung produktionsrelevanter Daten die Produktionshistorie serialnummerspezifisch getrackt und ein höherer Grad an Traceability erreicht werden.Über das CM Dashboard lassen sich die Prozess- und Produktionslandschaft ortsunabhängig visualisieren, sei es auf dem zentralen Active Cockpit in der Produktion, oder auf mobilen Endgeräten. Auf Erfahrungen basierende Warngrenzen erlauben ein frühzeitiges Reagieren. Für spontane Analysen lässt sich die Visualisierung schnell und einfach auf unterschiedliche Werte umschalten.

Oracle APEX liefert die Grundlage für das Condition-Monitoring ausfallkritischer Größen, aber auch für spätere Big Data Anwendungen. Über das angebundene Energiemanagementsystem lässt sich zu guter Letzt auch der Strom- und Druckluftverbrauch minimieren.

 

Blick in den Schaltschrank: Über die grünen Energiemessklemmen lassen sich Daten zur Optimierung des Stromverbrauchs gewinnen.

 

Fazit: Jetzt kann’s losgehen

Mithilfe analoger Sensoren und der IoT Gateway Software ist es den Verantwortlichen der Motorenlackiererei in kurzer Zeit gelungen, ihre Anlage zu modernisieren und Transparenz zu schaffen. Die IT-Systeme sind angebunden, alle relevanten Kenngrößen werden kontinuierlich erfasst und stehen für die weitere Optimierung und Dokumentation des Fertigungsprozesses bereit.

Über den Autor:

ist Produktmanager IoT Gateway bei Bosch Rexroth. Er studierte Wirtschaftsingenieurwesen Maschinenbau an der RWTH Aachen sowie an der Tsinghua-University in China. 2014 stieg er mit einem Trainee-Programm bei der Bosch AG ein und ist seit 2016 bei Bosch Rexroth.

Ein Kommentar bei “Bestandsmaschine frisch vernetzt: Digitalisierung einer Motorenlackierung

  1. Torsten Kübert

    Toller, anschaulicher und umfassend erläuterter I4.0 use case mit dem IoT Gateway von Bosch Rexroth. Danke Philipp Osterwald!

    Antworten

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