Cluster Mechatronik & Automation

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16.09.2021

Produktionsdatenauswertung, Gesamtanlageneffektivität (OEE) und Digitaler Zwilling

Teil einer unternehmensweiten Digitalisierungsstrategie zur Steigerung der Produktivität und Effizienz im Produktionsprozess

Lingl bietet seinen Kunden eine ganzheitliche Lösung, um Ausfallzeiten zu reduzieren sowie Produktionsdaten zu erfassen und darzustellen. Dem Anlagenbetreiber soll die Möglichkeit gegeben werden, die Maschineneffizienz zu erhöhen. Basis des weiterentwickelten Systems ist das seit 1997 bestehende und mehr als 800-fach bewährte Maschinen-Bedien- und Visualisierungssystem MBVL.
Abbildung 1: Abschrankungsübersicht © Lingl Anlagenbau GmbH
Einleitung
Bezeichnungen wie „Industrie 4.0“ und „Industrial Internet of Things“ sind Schlüsselworte, wenn über Digitalisierung gesprochen wird. Diese Begriffe hängen auch mit weltweiten Aktionen von Regierungen und Industrieverbänden zusammen, die bereits vor mehr als zehn Jahren begonnen haben. Die generellen Ideen dahinter sind ziemlich ähnlich bis gleich. Es geht letztendlich um die „intelligente“ Fabrik („Smart Factory“) für u.a.:

  • Losgröße-„1“-Produktion
  • Ressourceneffizienz
  • Ergonomie


Das generelle Ziel dahinter kann man auch so beschreiben: die Komplexität beherrschbar machen. Um dies zu erreichen, ist ein Verschmelzen von Informations- und Kommunikations- sowie Automatisierungs- und Produktionstechnologien notwendig. Die Basis dafür ist mittlerweile geschaffen: vernetzte Objekte. Nach verschiedenen Studien steigt die Anzahl der Ethernet- Komponenten von 500 Mio. in 2003 auf über 75 Mrd. in 2025 an.
Abbildung 2: Erstellung des digitalen Zwillings, © Lingl Anlagenbau GmbH
Komponentenlieferanten werben mittlerweile mit Produkten für Predictive Maintenance, Cloud-Lösungen und neuerdings mit künstlicher Intelligenz, die von Maschinen- und Anlagenbauern eingesetzt werden können. So sollen z. B. Daten in einer Cloud gesammelt und ausgewertet werden, um darüber zukünftige Maschinenausfälle vorherzusagen. Das Ziel ist es, Ausfallzeiten zu reduzieren und die Maschinenlaufzeiten dementsprechend zu erhöhen. Diese Ansätze sind vielversprechend. Einen Durchbruch hat es aber aufgrund fehlender mathematischer Modelle (genaue Vorhersage der Ausfallzeit) wegen der Frage der Datenhoheit bzw. Datensicherheit (Cloud) und der Kosten noch nicht gegeben.
Lingl hat deshalb einen eigenen Weg beschritten, um seinen Kunden eine ganzheitliche Lösung zu bieten, um Ausfallzeiten zu reduzieren, Produktionsdaten zu erfassen und darzustellen. Dem Anlagenbetreiber soll die Möglichkeit gegeben werden, die Maschineneffizienz zu erhöhen. Basis der Weiterentwicklung ist das seit 1997 bestehende und mehr als 800-fach bewährte Maschinen-Bedien- und Visualisierungssystem MBVL. Weil dieses System eine eigens entwickelte, datenbankbasierende Windows-Anwendung ist, konnten die folgend beschriebenen Optionen und Funktionen als Erweiterung implementiert werden:

  • 3-D-Anlagenübersicht
  • Digitaler Zwilling/Digital Twin
  • Produktionsdaten
  • Gesamtanlageneffektivität OEE

Abbildung 3: Digitaler Zwilling im MBVL, © Lingl Anlagenbau GmbH
3D-Anlagenübersicht
Der immer größer und komplexer werdende Teil der Maschinensteuerung ist die Maschinen- und Personensicherheit. Um dieser Entwicklung Rechnung zu tragen, wurde die Sicherheit in die Steuerungssoftware der speicherprogrammierbaren Steuerung integriert. Vorteile sind:

  • kleinere Sicherheitsbereiche, damit bei Zugang nicht die gesamte Maschinenanlage zum Stillstand kommt
  • eine bessere Diagnose für schnelleres Wiederinbetriebsetzen nach Maschinenstilltand und Störung
  • eine schnellere Inbetriebnahme


Auch aus diesem Grund wurden zusätzlich 3D-Übersichtsbilder für ein schnelles Auffinden des aktivierten Sicherheitsbereichs eingebunden.

Abbildung 1 zeigt detailliert die ausgelöste (durchschrittene) Sicherheitstüre/-fotozelle und somit den im Stilltand befindlichen Maschinenbereich. Die Vorteile sind:

  • eine bessere Übersicht durch die realitätsnahe Darstellung
  • ein schnelleres Auffinden der ausgelösten Sicherheitsbarriere und Neustart der Maschine, um die Produktion so zeitnah wie möglich aufzunehmen

Abbildung 4: Produktionsdaten: Viertelstundenansicht,  © Lingl Anlagenbau GmbH
Digitaler Zwilling/Digital Twin
In den letzten Jahren konnte man feststellen, dass die Begriffe Digitalisierung und Digitaler Twin zwar häufig verwendet werden, aber viele Menschen darunter unterschiedliche Dinge verstehen. Wikipedia zum Beispiel sagt: „Ein digitaler Zwilling ist eine digitale Repräsentanz eines materiellen oder immateriellen Objekts oder Prozesses aus der realen Welt“.

Die Definition ist sehr allgemein, sodass die Verwendung in vielen verschiedenen Zusammenhängen möglich ist. Einige Bedeutungen sind zum Beispiel:

  • Anlagenvermessung/Anlagensicht in der Planungsphase
  • Online-Maschinenstatus
  • Organisation (Prozessoptimierung durch künstliche Intelligenz)


Lingl sieht im Online-Maschinenstatus in der Visualisierung einen großen zusätzlichen Kundennutzen und hat ihn deshalb als optionales Produkt entwickelt. Abbildung 2 gibt einen kurzen Überblick über den Workflow für das Modell des Digitalen Zwillings:

Das in der mechanischen Konstruktion entstandene 3D-Datenmodell wird zunächst um nicht notwendige Informationen wie Schrauben, Gewindebolzen reduziert. Der Hintergrund ist, dass so an der Maschinenanlage weiterhin ein Standard-Industrie-PC verwendet werden kann. Zur Laufzeit wird das 3D-Modell mit allen notwendigen dynamischen Daten der Steuerung verknüpft, wie:

  • Schalterpositionen
  • Absolutwert- und Motorgeberdaten
  • Status- und Alarminformationen
  • Daten der Sicherheitsbereiche (Türen, Fotozellen, Scanner)


Daraus wird für den Anlagenbediener und -betreiber eine Live- Ansicht der gesamten Maschine erstellt, welche unter anderem folgenden Funktionen ermöglicht:

  • Maschinenstatus wird in Echtzeit am Bediensystem abgebildet
  • Bedienung am Touchmonitor mit Zoom- und Drehfunktionen wie bei bekannten 3D-Anwendungen
  • intuitives Auswählen der Maschinen „vom Großen ins Kleine“ mit Sprung in die Handfunktionsebene durch Anklicken des entsprechenden Antriebs
  • schnellere Fehlerfindung, weil der Bediener visuell unterstützt wird, z.B. Anzeigen von Zählerständen; Aufleuchten des fehlerhaften Maschinenelements
  • Remotesupport wird erleichtert, weil stets die aktuelle Maschinenstellung dargestellt wird

Abbildung 5: OEE-Anzeige als Monatssicht, © Lingl Anlagenbau GmbH
Produktionsdaten
Eine weitere Standardfunktion des MBVL ist eine umfangreiche Produktionsdatenerfassung der Maschinen. Die datenbankbasierte Lösung gestattet für jedes Produkt eine Schicht-, Tages-, Wochenauswertung der Produktionsleistung. Konfigurierbare Zähler ermöglichen eine einfache Erweiterung um zusätzliche eigene Zählungen. Es hat sich gezeigt, dass eine sehr nützliche Funktionalität zur Auswertung der Produktivität darin besteht, die Maschinenleistung über einen kurzen Zeitraum zu sehen. Darum werden die Produktionsdaten in Viertelstundenabschnitten erfasst (Abbildung 4).

Diese Daten werden über das csv-Format archiviert, um sie einem übergeordneten Management-Information-System zur Verfügung zu stellen.

Gesamtanlageneffektivität OEE
Was helfen die Produktionsdaten ohne detaillierte Informationen darüber, warum die Produktion so ist, wie sie ist?

Die Massenproduktionsindustrie, angefangen von der Automobilindustrie, hat für eine detaillierte Produktionsanalyse die OEE als Leistungskennzahl implementiert.

Die Gesamtanlageneffektivität ist ein Begriff in der Produktion, der die Produktionseffektivität bewertet. Der Begriff ist das Produkt von:

  • Verfügbarkeit (Verlust) AL
  • Leistung (Verlust) PL
  • Qualität (Verlust) QL


Die OEE-Formel lautete somit:
OEE = AL x PL x QL (1)

Lingl hat Anfang 2019 damit begonnen, die OEE als zusätzlichen Standardbericht über die Maschinensteuerung zu implementieren, um dem Kunden bei der Analyse seiner Produktion zu unterstützen. Wie in der Produktionsdatenanzeige werden hierbei Schicht-, Tages- und Monatsdaten über die gesamte gesteuerte Maschinenanlage angezeigt:

  • Verfügbarkeit bedeutet hier, die im Zeitraum laufende Maschine, sprich z.B. Schichtzeit abzüglich Störzeiten geteilt durch die Schichtzeit
  • Leistung bedeutet die Ist-Leistung bezogen auf Sollleistung
  • Qualität definiert z.B. die verpackten Ziegel verglichen mit den entladenen Ziegeln (also abzüglich der aussortierten Menge)


Anlagenbediener und Management können damit die Leistungsverlustursachen qualitativ und quantitativ erkennen und entsprechende Korrekturmaßnahmen festlegen.
Abbildung 6: Werkzeuge im Kontext zur Effizienzsteigerung, © Lingl Anlagenbau GmbH
Zusammenfassung
Bilder oder Grafiken zeigen mehr als nur Text, in Abbildung 6 ist deshalb der Zusammenhang dargestellt zwischen:

  • 3D-Visualisierung/Digitaler Zwilling
  • Informationen über Produktionsdaten
  • OEE
  • Flaschenhalserkennung


Die vier bereits beschriebenen Werkzeuge in einem Bediensystem wie dem MBVL-System von Lingl helfen dem Produktionsmanagement, die Produktion durch eine “manuelle” Engpasserkennung im realen Umfeld der täglichen Arbeit im Werk zu steigern. Manuell, weil das Management anhand der Produktions- und OEE-Informationen herausfindet, wo sich die Engpässe befinden, und so die Produktion optimiert.

 

Autor
Markus Martl

Kontakt
Lingl Anlagenbau GmbH
Nordstraße 2
86381 Krumbach
Tel. +49 8282 825-0
lingl@lingl.com


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