IoT und Umformtechnik: Pressen vernetzen – warum und wie?

Die Vernetzung mittels IoT-Technologien (Internet of Things) versetzt Pressenhersteller in die Lage, den typischen Herausforderungen der Umformtechnik kosteneffizienter, schneller und intuitiver zu begegnen als mit klassischen Automationstools. Die topologieübergreifend verfügbare Digitalisierung bildet die Basis für neue Geschäftsmodelle wie Verfügbarkeit als Dienstleistung oder Pay-per-Use. Was ist technologisch bereits umsetzbar und wie sieht die Zukunft aus?

In der Fabrik der Zukunft ist alles miteinander vernetzt. Es entsteht ein „intelligenter Raum“, in dem nahezu alles beweglich und flexibel ist. Wie passt dies zur Umformtechnik mit ihren stationären Pressen? Auch sie können deutlich flexibler, produktiver und verfügbarer werden, wenn die Hersteller konsequent auf „IoT-Ready“-Komponenten, Systemlösungen- und Architekturen setzen.

 

IoT und Umformtechnik: Pressen vernetzen - warum und wie?

Die Vernetzung von Pressen aus drei verschiedenen Perspektiven

Welchen Nutzen bringt Vernetzung?

Das Potential durch Vernetzung lässt sich aus drei Perspektiven beleuchten.

1.Perspektive: Use-Cases umsetzen

Aus Use-Case-Sicht nehmen Prozessexperten, Wartungsverantwortliche, Bediener, Arbeitsplaner vor allem vier typischen Herausforderungen in den Fokus:

  • Design vereinfachen,
  • Installation beschleunigen,
  • Produktivität maximieren und
  • Downtime minimieren.

Diese vier Herausforderungen sind nicht neu. Sie begleiten OEMs und Endanwender teils seit Jahrzehnten. Neu ist aber das Potential der IoT-Technologien. Denn gegenüber dem bisherigen Stand der Technik lassen sich die gewünschten Effekte deutlich schneller, einfacher und kosteneffizienter erreichen. Schon heute lassen sich Technologien, Technologie-Operation und Services zu konkreten Lösungspaketen (Solution Sets) verbinden, mit denen sich die Anlagenverfügbarkeit verbessern und ungeplante Stillstandszeiten vermeiden lassen. Ein Beispiel hierfür ist das Online Diagnostics Network ODiN von Bosch Rexroth.

2.Perspektive: technische Herausforderungen lösen

Aus Technologiesicht besteht der Mehrwehrt in einem umfangreichen Technologie-Baukasten zum Aufbau vernetzter Architekturen. So genannte IoT Building Blocks – das sind einzelne Stellglieder und Teillösungen – erleichtern Entwicklern, IT-Architekten und technischen Funktionen in Werken die Lösung bestimmter Probleme. So ein Building Block ist beispielsweise ein IoT Gateway, mit dessen Hilfe sich in einer Presse Daten sammeln, vorverarbeiten und an übergeordnete IT-Systeme weiterleiten lassen.

3.Perspektive: Business-Cases verwirklichen

Aus unternehmerischer Sicht (Geschäftsführer, Business-Developer, IoT-Projektleiter, etc.) liegt der Reiz der IoT-Technologien in der Realisierung von Business-Cases. Hierzu zählen zum Beispiel neue Formen der Zusammenarbeit, schlankere Geschäftsprozesse, digitale Wertschöpfungsnetzwerke und neue Umsatzquellen durch Geschäftsmodelle wie Pay-per-Use. In Kooperation mit einem Anbieter lassen sich hierfür drei Vorgehensweisen unterscheiden:

  • Do it yourself: Dieser Ansatz erweitert das Produktportfolio um IoT-Technologien. Für den Kunden erweitert sich dadurch die ihm zur Verfügung stehende technologische Werkzeugkiste um entsprechende Building Blocks.
  • Do it together: Der Anbieter (wie Bosch Rexroth) erarbeitet gemeinsam mit dem Kunden ein gemeinsames Verständnis von Herausforderungen und Use-Cases und implementiert eine passende Lösungsarchitektur. Der Betrieb der Lösung liegt aber beim Kunden.
  • Do it for me: Der Anbieter (wie Bosch Rexroth) übernimmt zusätzlich zur Implementierung auch den Betrieb der Lösung. Der entscheidende Kundennutzen: minimale Risiken und Total Cost of Ownership (TCO).

 

Die Architektur: Vernetzung über fünf Ebenen

Wer bisher eine Presse ohne IoT-Technologien konnektiv machen wollte, hatte die klassische Automatisierungspyramide vor Augen – mit all ihren Schnittstellen und Abhängigkeiten. Über diesen Weg Konnektivität herzustellen ist möglich, aber extrem aufwendig und daher häufig nicht attraktiv. Datenauswertungen und -prozesse verkomplizieren sich und werden dadurch unnötig teuer. Ein IoT-Ansatz erlaubt dagegen eine direkte und einfache Datenerfassung, -analyse und -auswertung – je nach Use-Case für Einzelkomponenten, Teilsysteme oder die Presse als Gesamtsystem.

Zur Erarbeitung von IoT-Lösungsarchitekturen, bietet es sich an, fünf Ebenen zu betrachten, und zu diskutieren welche Funktionalität wo implementiert werden soll.

Physische Welt (Ebene 1) und Datenquellen (Ebene 2)

Die physische Welt (Ebene 1) betrachtet das technische System und seine Wirkzusammenhänge. Ausgehend davon sind für Monitoring-Architekturen die Datenquellen (Ebene 2) zu diskutieren. Hierzu zählen je nach Use Case dedizierte Sensoren, aber auch vorhandene Maschinensteuerungen und Antriebe, die als virtuelle Sensoren verwendet werden. Daten, die in Regelungs- und Automationssystemen ohnehin entstehen, werden so für weitere Anwendungsfälle nutzbar. Ebenfalls relevant sind Sensorknoten. Das sind Sensoren die mit mikrocontroller-basierter Rechenkapazität und typischerweise Wireless-Technologien kombiniert werden, um auf einfache und flexible Weise zusätzliche Datenquellen zu integrieren.

Connectivity-Architektur (Ebenen 3 bis 5)

Die eigentliche Connectivity-Architektur lässt sich auf drei Ebenen verteilen: maschinennah mithilfe von Edge-Devices (Ebene 3), auf dedizierten Servern auf Enterprise-Ebene (4) sowie auf Cloud-Ebene (5). Hier gilt es, typische Zeithorizonte (bspw. Abtastraten), verfügbare Datenspeicher- sowie Rechenkapazitäten abzuwägen. Durch Kombination von Softwaresystemen auf verschiedenen Ebenen lassen sich ferner bestimmte Vorteile kombinieren.

Als Edge-Devices werden Netzwerkkomponenten am Rand des Netzwerkes (Edge) bezeichnet, über welche die Maschine Zugang zu übergeordneten Netzen erhält. Intelligente Edge-Devices wie das Rexroth IoT Gateway dienen als sicheres, verknüpfendes Element zwischen Maschinen- und übergeordneten Datensystemen. Die Enterprise-Ebene ist bestimmt durch Server, die für bestimmte Einsatzzwecke eingerichtet und typischerweise innerhalb von Firmennetzen betrieben werden. Die Cloud-Ebene stellt Server-Infrastruktur als Service (IaaS) bereit. Hierdurch lassen sich die nötigen Rechen- und Speicherkapazitäten extrem flexibel schaffen und anpassen.

 

Funktionale Designaspekte

Für Pressenhersteller und andere Maschinenbauer bietet es sich nun an, die folgenden funktionalen Designaspekte zu diskutieren:

1. Input- & Output-Technologien Welche Schnittstellen, Protokolle und Semantik sollen verwendet werden, um einzelne Module der Architektur zu verbinden?
2. Storage Wie und wo verleiht man der Architektur „Gedächtnis“, d.h. Puffer sowie Datenspeicher für Rohdaten und aggregierte Daten?
3. Data Intelligence Welche Verfahren setzt man ein, um aus Daten Informationen abzuleiten?  Hier eröffnet sich ein weites Feld: von Regeln und Trends bis hin zu umfangreichen Analyse-Algorithmen anhand großer Datenmengen.
4. User Interface Wo und wie sollen Interaktionspunkte zwischen Softwaresystemen und Nutzern realisiert werden?


IoT vs. klassische Automatisierung – Die Potentiale

Der modulare und flexible Netzwerk-Ansatz des IoT macht entsprechende Lösungen gegenüber der klassischen Automation nicht nur deutlich kostengünstiger, sondern auch schneller und intuitiver. Mithilfe moderner Webtechnologien können Anwender etwa kurzfristig und ohne Expertenhilfe nutzerorientierte Oberflächen / HMIs bauen, etwa ein Dash Board oder ein Ticket-System für die zustandsbasierte Wartung. Mögliche Qualitätsprobleme oder neue Anforderungen an die Energieeffizienz lassen sich schneller in den Griff bekommen, indem zusätzliche Sensoren angebracht bzw. aktiviert und ausgewertet werden. Dazu ein Beispiel: Durch Beschleunigungssensoren werden Komponenten und Prozesse überwacht, um Vibrationen zu detektieren. Durch eine Frequenzbandanalyse lässt sich so auf Verschleiß schließen.

Mit der gewonnenen Flexibilität durch IoT-Technologien kommt der Endanwender der Vision der Fabrik der Zukunft ein großes Stück näher. Für den OEM liegt die Chance darin, durch die komplette Prozessüberwachung die Kontaktfläche mit dem Kunden gemeinsam mit dem Anbieter zu erweitern. So lassen sich bestehende Geschäftsbeziehungen vertiefen und neue Geschäftsmodelle erschließen. Ein denkbares Szenario: Der Anwender kauft „Verfügbarkeit als Dienstleistung“ oder gar eine gewisse Produktivität, die der OEM als Gesamtpaket liefert. Um mögliche Ausfallrisiken im Griff zu behalten, ergeben sich darüber hinaus neue Geschäftsmodelle zwischen OEM und Versicherungs- gesellschaften.

 

IoT und Umformtechnik: Pressen vernetzen - warum und wie?

Die 5 Ebenen der Vernetzung

 

Wie sieht die Vernetzung in der Praxis aus?

Technologische Herausforderungen müssen interessierte OEMs und Anwender mittlerweile nicht mehr fürchten, denn alle Topologien lassen sich heute vollständig vernetzen. Bezüglich Digitalisierung und Kosteneffizienz bieten hydraulischen Pressen gegenüber der elektromechanischen eine gleichwertige Basis für den Einsatz von IoT-Technologien. Anwender können somit frei die zu ihrer Applikation passende Antriebstechnologie wählen. Besonders interessant ist dabei die Elektrohydraulik, weil sie die Vorteile beider Welten – der Hydraulik und der elektrischen Antriebstechnik – kombiniert. Hier ein paar Beispiele:

Eine neue Generation an Hydraulikaggregaten mit integrierter Intelligenz, Sensorik und Condition-Monitoring steigert die Flexibilität, Energieeffizienz und vor allem die Verfügbarkeit. Neue Designansätze steigern auf kleinstem Bauraum die verfügbare Leistung, während Aufstellfläche und Geräuschemission deutlich sinken. Weil die hydraulische Versorgungseinheit nun auch direkt neben der Maschine platziert werden kann, ergeben sich neue Freiheitsgrade bei den Maschinenkonzepten.

Ein weiteres State-of-the-Art-Beispiel zeigt Bosch Rexroth mit der neuen Onboard-Elektronik für Regelventile, welche die bislang 200 (vornehmlich analogen) Varianten auf eine einzige technologieübergreifende Plattform reduziert. Hiervon profitiert auch die neue Regel-Wege-Einbauventilreihe WRC-4X, die sich über Multi-Ethernet in Betrieb nehmen lässt. Darüber hinaus ermöglicht das CFD-optimierte Design (Computational Fluid Dynamics) bei gleichem Volumenstrom eine höhere Dynamik. Dies ermöglicht die Verwendung einer kleineren Nenngröße und senkt die Investitionskosten.

 

Was bringt die Zukunft?

Durch die Anwendung moderner IoT-Building Blocks und Solution Sets lassen sich Use-Cases in der Umformtechnik wesentlich einfacher, kostengünstiger und intuitiver erfüllen. Dank der modularen Netzwerkarchitektur können OEMs und Endanwender intelligente Systeme kurzfristig auf- und umbauen – auch als Nachrüstung. Weil sich die zur Steigerung der Overall Equipment Effectiveness (OEE) notwendigen Daten unabhängig von der Pressentechnologie direkt und flexibel anwendungsspezifisch erfassen lassen, werden letztlich auch neue Geschäftsmodelle wie Pay-per-Use technisch umsetzbar. Mit den passenden Abrechnungsmodellen und Geschäftsprozessen können OEMs Produktivität und Verfügbarkeit künftig als Dienstleistung verkaufen, zum Beispiel als „Uptime as a Service“ in Verbindung mit einem Versicherungspartner. Ein weiteres, kurzfristig realisierbares Szenario: Der Endanwender kauft vom OEM anstelle eines Hydraulikaggregats ein definiertes Versorgungsvolumen und profitiert damit von reduzierten Anschaffungskosten und einer Flexibilisierung der Investitionskosten.

 

Die Zukunft beginnt jetzt

Der nächste Evolutionsschritt nach den Condition-Monitoring-Systemen von heute stellen selbstlernende Systeme dar. Gestützt von Machine-Learning und künstlicher Intelligenz agiert die Presse selbständig und trifft eigenständige Entscheidungen. Sie handelt adaptiv gemäß vorrangiger Optimierungskriterien, um die Produktivität zu steigern oder die Verfügbarkeit zu gewährleisten bzw. die Energieeffizienz zu verbessern.

Ungeachtet dessen ist die technische Basis für neue Geschäftsmodelle schon heute vorhanden und die Umformtechnik auf einem klaren Weg in Richtung Fabrik der Zukunft. Mit dem richtigen Partner können OEMs sofort durchstarten, das Potential der IoT-Technologien ausschöpfen und – als wichtigen Schritt zum Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit – zukunftsweisende Geschäftsmodelle erschließen.

 

Konkrete Anregungen und Umsetzungen finden Sie auf der
EuroBLECH bei Bosch Rexroth Halle 11, Stand D08.

 

Über den Autor:

Director Sales Industry Sector Presses

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