Technologie-Neztwerk Mitten in einem Cluster kann die Innovationskraft gedeihen

Autor / Redakteur: Wolfgang Marquardt* / Karin Pfeiffer

Big Data, komplexe Maschinen, vernetzte Produktion: Die Digitalisierung stellt den Mittelstand vor echte Herausforderungen. Im Technologie-Netzwerk it’s OWL entwickeln Wirtschaft und Forschung gemeinsam konkrete Lösungen für Industrie 4.0.

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Mit dem Projekt Scientific Automation reduziert Beckhoff im Spitzencluster Energieverbrauch und Immissionen.
Mit dem Projekt Scientific Automation reduziert Beckhoff im Spitzencluster Energieverbrauch und Immissionen.
(Bild: Beckhoff Automation)

Bei it’s OWL geht es nicht nur um Technologien, sondern auch die Auswirkungen auf die Arbeitsbedingungen und Anforderungsprofile. Kernkompetenz des Netzwerkes ist dabei die intelligente Automatisierung. Dazu entwickeln Beckhoff, Harting, Lenze, Phoenix Contact, Wago und Weidmüller, die allesamt zu den Weltmarktführern zählen, in Clusterprojekten neue Lösungen. Mit einem Baukastensystem für effiziente Antriebslösungen von Lenze beispielsweise ist es Unternehmen möglich, bis zu 35 % Energie und Ressourcen in der Produktionslogistik zu sparen.

Weniger Aufwand für Umrüsten

Phoenix Contact wiederum hat für Komponenten wie Steuerungen oder Profinet-Feldgeräte eine Autokonfigurations-Funktion und ein Bildverarbeitungssystem entwickelt. Durch digitales Engineering ist es gelungen, den Aufwand für das Einstellen und Umrüsten von Maschinen um 30 % zu reduzieren. Ein Demonstrator für den Schaltschrankbau ermöglicht die Fertigung individualisierter Artikel bei durchgängiger Datenintegration. Das Verfahren wird bei Krones, einem international führenden Hersteller in der Abfüll- und Verpackungstechnik, bereits zur Erstellung individueller Klemmenleisten eingesetzt, die in den rund 8500 pro Jahr gefertigten Schaltschränken installiert werden.

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Beckhoff Automation arbeitet gemeinsam mit dem Heinz Nixdorf Institut, Maschinenbauern und Anwendern in der Küchenmöbelindustrie an einer Scientific Automation Plattform. Durch die Integration von Messtechnik, Condition Monitoring, Analyse- und Lernverfahren in die Standard-Automatisierungstechnik lassen sich Produktionseffizienz und Produktqualität steigern.

Ausgerichtet auf Condition Monitoring

Mit den neuen EtherCAT-Klemmen können Maschinenzustandsdaten wie etwa Schwingungen, Temperaturen, Drücke oder Energieverbräuche erfasst werden. Das Softwarewerkzeug TwinCAT Analytics erstellt ein komplettes zeitliches Abbild des Prozesses und der Produktionsdaten. Für die Datenauswertung stellt Beckhoff Algorithmen in Form von Softwarebausteinen in Bibliotheken wie TwinCAT Condition Monitoring bereit.

Die Nutzung dieser Technologien ermöglicht eine umfassende Zustandsanalyse und vorausschauende Wartung der Maschine. So können beispielsweise Maschinentakte auf Minimal-, Maximal- und Durchschnittswerte der Taktzeiten untersucht oder Verschleiß aufgrund von Schwingungsänderungen erkannt werden.

17 Prozent Energie eingespart

Schirmer Maschinenbau setzt die Technologien in Profilbe­arbeitungsmaschinen ein. Dadurch konnte das Unternehmen Energie und Immissionen in erheblichem Umfang minimieren. Zur Reduzierung von Spitzenströmen hat Schirmer einen vorausschauenden Betrieb von Maschinenmodulen eingeführt. Unter Berücksichtigung der nächsten Arbeitsvorgänge und des Energieverbrauchs wechseln aktuell nicht benötigte Module in den Energiesparmodus.

So regelt der vorausschauende Betrieb des Sägemoduls die Servomotoren der Sägen, die temporär wenig oder nicht benötigt werden, auf eine reduzierte Drehzahl. Das spart rund 17 % Energie ein und verringert Geräuschbelastung, Verschleiß und thermische Einflüsse auf die Bearbeitungstoleranzen.

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Fertigung nach dem Baukastenprinzip

Harting hat mit der eigenen Smart Factory, der HAII4YOU Factory, eine neuartige Produktionsplattform auf Basis intelligenter Fertigungsmodule entwickelt. Diese können Anwender durch einen „Plug and Produce“-Ansatz in Fertigungslinien dynamisch integrieren und kombiniern, ohne dass eine manuelle Programmierung vor Ort erforderlich ist.

Gemeinsam mit dem CoR-Lab der Universität Bielefeld ist es dem Hersteller aus Espelkamp gelungen, die klassische Funktionsweise einer Maschinensteuerung aufzubrechen und die Arbeitsabläufe in der Maschine in Abhängigkeit von leicht änderbaren Arbeitsplänen aus der Planungsebene heraus zu koordinieren. Standardisierte Prozessmodelle führen zu einer flexiblen Produktionssteuerung in vernetzten Fertigungslinien und bieten eine Basis für die Selbstoptimierung von Fertigungsprozessen.

Algorithmen des maschinellen Lernens unterstützen die Fertigungslinienüberwachung und ermöglichen eine vorausschauende Instandhaltung. Derzeit flexibilisiert das Projekt die Inhalte der einzelnen Fertigungsmodule. Dabei geht es auch um neue Methoden der Mensch-Roboter-Interaktion, beispielsweise für die Konfiguration und Programmierung roboterunterstützter Fertigungsschritte für neue Produktvarianten.

Produkte intelligent entwickeln

Die zunehmende Komplexität von Maschinen und Anlagen stellt hohe Anforderungen an den Produktentwicklungsprozess, wie beispielsweise ein ganzheitliches Systemverständnis und die Betrachtung des gesamten Produktlebenszyklus. Systems Engineering (SE) bietet dabei einen durchgängigen, fachdisziplinübergreifenden Ansatz für die Entwicklung technischer Systeme.

SE stellt das multidisziplinäre System in den Mittelpunkt und umfasst die Gesamtheit aller Entwicklungsaktivitäten. Auf diese Weise verkürzt es Entwicklungszeiten, minimiert Abstimmungsbedarfe und nachträgliche Änderungen und erhöht die Produktqualität. Im Spitzencluster werden konkrete SE-Ansätze für Unternehmen verfügbar gemacht. Modellbasierte Synthese- und Analysemethoden wie beispielsweise Fehlerbaum- und Risikoanalyse sichern die spezifizierten Systemeigenschaften. Leitfäden, Werkzeuge und Schulungen bieten den Unternehmen praxisnahe Unterstützung.

Systems Engineering für die Großwäscherei

Anwendung finden sie beispielsweise im Projekt einer ressourceneffizienten Großwäscherei von Kannegiesser. Dabei geht es um die bestmögliche Nutzung von Ressourcen wie Energie, Wasser und Waschmittel – bei einer zeit- und kostenoptimalen sowie umweltgerechten Reinigung der Wäsche. Dazu erarbeitet das Projektteam Modellierungs- und Simulationsmodelle, mit denen sich die Planung, Steuerung und Überwachung des Prozesses optimieren lässt.

Die Modelle beschreiben das systemische, informationstechnische und physikalische Verhalten der Teilsysteme – vom Produkt Wäsche über die einzelnen Produktionsmittel bis hin zum gesamten Wäscheverarbeitungsprozess. Durch die durchgängige Verwendung dieser Modelle bei der Planung, Steuerung und Überwachung lassen sich suboptimale Zustände frühzeitig erkennen und Optimierungen zielgerichtet umsetzen. Das reduziert die Bearbeitungszeit der Wäscherei um voraussichtlich 10 %.

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Transferprojekte für die KMU

Das Technologie-Netzwerk it’s OWL macht neue Technologien und Verfahren für intelligente Produkte und Produktionsverfahren auch gezielt für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) verfügbar. Neben Systems Engineering geht es dabei noch um Felder wie Selbstoptimierung, Mensch-Maschine-Interaktion und intelligente Vernetzung.

In Transferprojekten können KMU in Kooperation mit einer Forschungseinrichtung diese Technologien nutzen, um konkrete Herausforderungen im Kontext Industrie 4.0 zu lösen. Insgesamt setzt das Cluster 170 Transferprojekte um, 73 sind bereits erfolgreich abgeschlossen, weitere 57 laufen.

Die Resonanz und die Rückmeldungen aus der Wirtschaft sind sehr gut. Die Unternehmen erhalten einen Zugang zu praxiserprobten Technologien, die sie schnell und einfach einsetzen können. Die Transferprojekte bieten einen wirkungsvollen Einstieg in das Thema In- dustrie 4.0. Auf Grundlage der Ergebnisse können die KMU die nächsten Schritte planen. Das Konzept, das jetzt in 2016 mit dem Industriepreis ausgezeichnet wurde, findet bundesweit und international ein hohes Interesse und wird jetzt auch in anderen Regionen umgesetzt.

Mechatronischer Systembaukasten

Wächter Packautomatik aus Bad Wünnenberg hat beispielsweise mit der Fraunhofer-Einrichtung für Entwurfstechnik Mechatronik IEM in einem dieser Transferprojekt einen mechatronischen Systembaukasten realisiert, der die Konstruktion und Produktion von kundenspezifischen Tray- und Wrap-Around-Packern vereinfacht. Das sind Anlagen, die Kartons und Trays für Nahrungsmittel und Konsumgüter aufrichten, befüllen und verschließen.

Aus der virtuellen „Zerlegung“ der Maschinen entwickelte das Team einen Produktkonfigurator. Konkret hat es zunächst die denk- und realisierbaren Funktionen einer Anlage hierarchisch gegliedert und dabei alle relevanten Konstruktionsdaten sämtlicher beteiligten Gewerke berücksichtigt. Diese Funktionen – es sind mehr als fünfzig – lassen sich zu Systemelementen zusammenfügen. Dabei ist der Konfigurator so intelligent, dass er auf vorhandene Lösungen zurückgreifen und inkompatible Lösungen ausblenden kann.

Der Konstrukteur wählt im Konfigurator anhand der Anforderungen Funktionsmodule und Systemelemente aus, die sich zu kompletten kundenindividuellen Maschinen und Anlagen verknüpfen lassen. Dabei bestehen die Module jeweils aus Konstruktionsdaten verschiedener Disziplinen. Das verlangt die Abkehr von der traditionellen Methodik, ein Gewerk nach dem anderen zu konstruieren und die Konstruktionsdaten von der Mechanik über die Elektrotechnik bis zur SPS-Programmierung sozusagen „durchzureichen“ und zu bearbeiten. Im Ergebnis ist der Produktentstehungsprozess erheblich beschleunigt.

Wenn Elektromotoren sehen lernen

In einem weiteren Transferprojekt hat der Motorenhersteller Hanning Elektro-Werke mit dem Institut für industrielle Informationstechnik der Hochschule OWL ein Verfahren entwickelt, das den Materialabzug von Strickmaschinen automatisiert einstellt. Ein Bildverarbeitungssystem erfasst die sogenannte Gestrickqualität optisch und stellt sie dann als eine Regelgröße zur Einstellung der geforderten Zugkraft über den eingesetzten Antrieb bereit.

Eine Applikationssoftware leitet aus dem Maschinenbild in Echtzeit die Materialspannung ab, indem sie u.a. die durchschnittlichen Höhen und Breiten der einzelnen Maschen erfasst. Dabei werden Fehlerquellen wie Reflexionen und weitere Störeinflüsse etwa bei farbigem Gestrick ausgeblendet.

Außerdem verbessert Rauschunterdrückung (Medianfilter) und Kon- trastanpassung die Signalgüte. Anhand eines Demonstrators konnte gezeigt werden, dass sich eine komplexe, kamerabasierte Prozessregelung auch mittels vergleichsweise kostengünstiger Hardware durchführen lässt. In diesem Fall hat das Transferprojekt-Team dazu ein Odroid-C1-Board und eine USB-2.0-Kamera mit 130 Bildern pro Sekunde verwendet.

Die Kopplung von Smart-Kamerasystem, Applikationssoftware, Android-Plattform und regelbarem Elektroantrieb wird so zu einem intelligenten (Sub-)System, das nach weiteren Entwicklungs- bzw. Adaptionsschritten auch in anderen Produktionsprozessen angewendet werden kann.

Neue Geschäftspotenziale erschließen

Im Technologie-Netzwerk erschließen die Mitglieder die Geschäftspotenziale für die intelligente Fertigung gemeinsam. Seit dem Start von it’s OWL wurden 30 Unternehmen gegründet und 24 Geschäftskonzepte entwickelt. Ein Beispiel ist das Software-Haus verlinked aus Paderborn, das sich auf die Entwicklung von passgenauen Internet-of-Things (IoT)-Lösungen spezialisiert hat. Sie ermöglichen sowohl die Vernetzung von technischen Anlagen und Maschinen (M2M-Kommunikation) als auch die Kommunikation mit Dingen des alltäglichen Lebens (Consumer IoT).

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Zusätzliche Software-Dienste können verschiedene Anwendungsfälle wie Smart Home, Health Care, Fernwirkung und -wartung technischer Anlagen sowie Prozessüberwachung und -optimierung realisieren.

Als eines der ersten Projekte wurde im Cluster für Phoenix Contact Electronics eine maßgeschneiderte M2M-Plattform entwickelt, die standortunabhängige Kommunikation zwischen Maschinen und Systemen auf Basis des bewährten Profinet-Standards ermöglicht. Seit der Gründung ist das Unternehmen auf Wachstumskurs und beschäftigt mittlerweile sieben Mitarbeiter.

Unterstützungsangebote für KMU

Auf Grundlage der Erfahrungen im Spitzencluster entwickelt it’s OWL in zwei Projekten neue Angebote für kleine und mittlere Unternehmen: „Digital in NRW – Das Kompetenzzentrum für den Mittelstand“ – eins von elf nationalen Kompetenzzentren des Bundeswirtschaftsministeriums – und „Industrie 4.0 für den Mittelstand“. Das Spek­trum der kostenlosen Angebote reicht von Veranstaltungen und individueller Beratung über Schulungen und Fachgruppen bis zu Demonstrationszentren und Quick Checks. (pf)

* *Wolfgang Marquardt ist Prokurist der OstWestfalenLippe GmbH – Gesellschaft zur Förderung der Region

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