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Auf dem Weg nach IoT

Internet der Dinge und Industrie 4.0 haben den Blick der Unternehmen auf die Produktion verändert. Wo das noch nicht geschehen ist, steht es vermutlich unmittelbar bevor, denn der Druck des Wettbewerbs wird den meisten kaum eine andere Wahl lassen. Man muss nicht gleich an komplett neue Lösungen und Geschäftsmodelle denken, denn die umfassende Vernetzung verändert zunächst einmal vor allem die vorhandenen Prozesse.

Wartung und Steuerung, die Kontrolle von Betriebszuständen, das Erfassen von Fehlern – alles erfolgt auf dieser Basis einfacher und schneller; Ausfallzeiten lassen sich auf diese Weise verringern oder durch Predictive Maintenance sogar ausschalten. Für den Aufbau einer entsprechenden Produktionsumgebung müssen die folgenden Voraussetzungen geschaffen werden:

  • Konnektivität: Nicht die Verteilungen miniaturisierter Sensoren und Aktoren, sondern deren Einbindung in eine durchgängige Kommunikationsinfrastruktur – über entsprechende Gateways – ist das zentrale Element des Internet der Dinge. Nur damit lassen sich die erforderlichen Daten abrufen und die Prozesse neu organisieren.
  • Anwendungsentwicklung: Selbstverständlich ist das IoT von den Sensoren bis zu den auswertenden Systemen Software-gesteuert. Um qualitativ hochwertige Lösungen kurzfristig bereitstellen zu können, sollten Unternehmen auf agile Methoden setzen.
  • Analytics: Das IoT stellt Daten in Hülle und Fülle zur Verfügung. Unternehmen müssen sich hier passender Analysemethoden bedienen, um aus diesen Daten neue Erkenntnisse über ihre Prozesse zu gewinnen; beispielsweise über Dashboards, die es erlauben Muster in den Daten schnell zu beurteilen.
  • Cloud: Die Implementierung von IoT-Systemen lässt sich durch Cloud Computing erheblich vereinfachen; die Cloud stellt skalierbare Ressourcen an jedem Ort zur Verfügung, was gerade im IoT-Umfeld wichtig sein kann.
  • Security: Die Sicherheit wird in IoT-Projekten bisher oft vernachlässigt. Nachdem sich aber kürzlich auch Botnetze unzureichend gesicherter IoT-Geräte bedient haben, um DDOS-Angriffe auszuführen, hat das Thema hohe Priorität. Da das IoT als Einfallstor in Unternehmen ungenutzt werden kann, muss die Sicherheit von Anfang an konzeptionell berücksichtigt werden; eine nachträgliche Sicherung der Systeme ist in der Praxis meist nicht möglich.

Auf diesen vier Voraussetzungen können Unternehmen eine Produktionsumgebung aufbauen, die dann auch den Anforderungen des Konzepts Industrie 4.0 genügt: Die Anlagen lassen sich auf diese Weise in komplexe Wertschöpfungsketten einfügen, die über das jeweilige Unternehmen hinausreichen und beispielsweise auch Lieferanten oder Abnehmer umfassen.

Auch wenn die grundlegenden Verfahren des IoT schon seit langem bekannt sind – die Industrie arbeitet seit Jahrzehnten mit Sensoren – es schafft durch die Integration in die Kommunikationsinfrastruktur des Webs neue Bedingungen. Die Abstimmung von Infrastruktur und Prozessen ist daher die Hauptaufgabe bei IoT-Projekten.

Don’t call us, we call you

Angesichts immer komplexerer Produkte, die über einen langen Produktlebenszyklus funktionieren sollen, rückt die Instandhaltung in den Fokus der Unternehmen. Zum einen müssen sie für die eigenen Anlagen eine hohe Betriebsbereitschaft sicherstellen, um ungeplante Unterbrechungen im Produktionsfluss zu vermeiden. Gerade in Just-in-Time-Szenarien, bei kurzen Projektlaufzeiten und engen Terminplänen ist eine hochentwickelte Instandhaltung Voraussetzung für den Erfolg. Zum anderen gehören entsprechende Services mittlerweile auch zu den unverzichtbaren Leistungen, vor allem in Verbindung mit Garantie- und Gewährleistungszusagen, die häufig mit Wartungsvorschriften verbunden sind.

Mit einer Ad-hoc-Wartung nach Augenmaß – „rufen Sie einfach an, wenn was nicht läuft“ – wird man sich in diesem Markt schwerlich behaupten können. Gefragt ist eine Wartung, die sich nicht an festen Zyklen orientiert, sondern die an tatsächliche Betriebszustände anknüpft. Predictive Maintenance, also vorausschauende Wartung, weiß, wann in Bauteilen oder Komponenten eine Störung auftreten wird, und leitet entsprechende Maßnahmen ein; im Idealfall weiß der Hersteller vor dem jeweiligen Anwender, ob und wann es zu einem Störfall kommt. Es heißt nun: „Don’t call us, we call you.“

Die Industrie hat heute einen großen Bedarf an effizienten Wartungsprozessen, und mit den Konzepten von Industrie 4.0 und mit dem Internet der Dinge (IoT) stehen entsprechende technische Antworten zur Verfügung. Seit Maschinen und Anlagen umfassend mit hoch entwickelter Sensorik ausgestattet sind, seit diese einfach in eine überall verfügbare Infrastruktur eingebunden werden kann, stehen Betriebsdaten in Hülle und Fülle zeitnah zur Verfügung. Kein System ist zu klein, keine Einsatzbedingungen sind zu schwierig, um sich nicht für die Erfassung zu eignen.

Mit diesen Betriebsdaten kann man zum einen den Zustand einzelner Anlagen exakt kontrollieren, und so individuelle Fehler rechtzeitig erkennen. Zum anderen fallen durch diese umfassende Datensammlung so viele Daten über alle Systeme und die jeweiligen Einsatzbedingungen an – beispielsweise Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit –, dass eine per­fekte Datenbasis für statische Verfahren entsteht. Damit lassen sich dann mit entsprechenden Algorithmen Wahrscheinlichkeiten für Störfälle ermitteln. Man kann nun zum Beispiel folgern, dass ein Störfall auftreten könnte, weil unter gegebenen Betriebsbedingungen bei einem bestimmten Einsatzprofil in der Vergangenheit 70 Prozent aller Systeme ausgefallen sind; daher führt der Hersteller nun vorsorglich eine Wartungsmaßnahme aus und tauscht vielleicht eine Komponente, die individuell problemlos läuft.

Innovative Wartung

Auf Basis von IoT-Technologien und mit Big-Data-Analytics können Betreiber und Hersteller von Maschinen und Anlagen innovative Lösungen für eine vorausschauende Wartung aufbauen. Dadurch lassen sich ungeplante Ausfallzeiten, aber auch die Maintenance-Kosten deutlich reduzieren.

Ausgangspunkt für einen Predictive-Maintenance-Prozess bildet die Datenerhebung (Data Acquisition), bei der das Sensor-Netzwerk die Betriebsdaten an ein IoT-Gateway, beispielsweise ein Dell Edge Gateway 5000, sendet. Dieses Gateway nimmt gleich vor Ort für die Daten der Sensoren eine Qualitätskontrolle und Integritätsprüfung vor, aggregiert sie und leitet sie an Backend-Systeme weiter. Dort werden Daten aus unterschiedlichen Quellen zusammengeführt (Data Collection and Aggregation). Für die eigentliche detaillierte Auswertung (Data Analytics) sorgen dann Big-Data-Lösungen, die auf den Storage-Systemen laufen. Die Aufbereitung der Analyseergebnisse erfolgt schließlich mit Visualisierungsfunktionen, wie sie Business-Intelligence-Tools bereitstellen.

Die Phasen des Predictive-Maintenance-Prozesses
OEM Dell

Mit einer derartigen Lösung können auch bestehende Anlagen nachgerüstet werden; sie können auch zunächst nur für einzelne Maschinen oder Prozessschritte implementiert werden. Eine inkrementelle Strategie ist also ohne weiteres möglich. Wichtig ist dabei, dass sich das IoT-Gateway softwaremäßig anpassen lässt, denn so können die Betreiber über individuelle Applikationen festlegen, welche Daten aus dem Produktionsprozess welche Maintenance-Aktionen auslösen sollen.