Industrie 4.0 – Stand der praktischen Umsetzung in der Galvanotechnik
Wie viele andere Industriebereiche steht auch die Galvanotechnik vor der Herausforderung, sich auf Industrie 4.0 umzustellen. Die dabei zu lösenden Aufgaben sind oft komplexer als zum Beispiel in der maschinellen Teilefertigung. Dank erfolgreicher Entwicklungsarbeiten in den letzten Jahren lassen sich jetzt auch diffizile Vorgänge wie die Elektrolytführung präzise simulieren und durchgängig mit der Produktionsplanung (ERP) verknüpfen.
Die Anforderungen der Kunden
Industrie 4.0 wird von den Kunden, besonders aus der Automobilindustrie, immer mehr erwartet und gefordert. Die Umsetzung bringt eine erhebliche Transformation der Produktion mit sich und erfordert auch einen Wandel der Unternehmenskultur. Wesentlich ist dabei die informationstechnische Vernetzung vieler Unternehmensprozesse in bisher nicht gekannter Weise: Die Produktion wird durchgängig vernetzt – von der Auftragsannahme über die Produktionsplanung, die Produktions- und Prozesssteuerungen bis zur Qualitätskontrolle und Auslieferung an den Kunden. Auch Einkauf und Vertrieb, Marketing, Finanzwesen oder Personalbereich werden zunehmend eingebunden. Durch höhere Effizienz und Transparenz aller Abläufe und klarere Dokumentation erhofft man sich eine deutliche Kostensenkung, außerdem eine Einsparung von Energie und Rohstoffen sowie eine Verminderung von Abfällen und Ausstoß an Kohlenstoffdioxid (CO2).
Konzepte zur Umsetzung von Industrie 4.0
Wesentliches Element ist die Modellierung aller relevanten technischen Prozesse. Auf diese Weise entstehen Cyber-Physikalische Systeme (CPS) beziehungsweise Cyber-Physikalische Produktionssysteme (CPPS), in denen die Produktionsplanung und -steuerung (ERP - Enterprise Resource Planning) mit realen Produktionseinrichtungen in horizontaler und vertikaler Richtung miteinander verschmolzen sind. Digitale Zwillinge bilden alle wichtigen Maschinen, Anlagen, aber auch Werkstücke oder Produkte softwaremäßig ab. Damit werden Simulationen aller Art möglich.
Zum Beispiel kann jetzt virtuell mit einer Maschine oder Anlage experimentiert werden, ohne die physische, im laufenden Betrieb befindliche Anlage zu beeinflussen. Austestbar sind beispielsweise geänderte Betriebsweisen oder Rahmenbedingungen sowie auch eine Bearbeitung von andersartigen Werkstücken. Schadensfälle lassen sich vorab theoretisch sondieren: Was würde passieren wenn… – vom simplen mechanischen Defekt über einen selbstverursachten Systemabsturz bis zum bösartigen Hackerangriff. Indem Veränderungen an bestehenden Anlagen oder Neuplanungen virtuell durchspielbar sind, wird die Gefahr von Fehlinvestitionen deutlich verringert. Eingehende Aufträge sind simulierbar, bevor sie real angenommen und begonnen werden, unter anderem auf Machbarkeit, Energie- und Materialbedarf oder Kosten. Energie- und Stoffströme, Abfälle oder CO2-Ausstoß lassen sich einzelnen Prozessen beziehungsweise Produkten präzise zuordnen. Und ein neues Geschäftsmodell wird möglich: pay per use - Bezahlung nach Ergebnis.
Voraussetzungen für die Realisierung
Unabdingbar für Industrie 4.0 ist eine permanente Überwachung aller Anlagen auf korrekte Funktion. Herkömmliches Condition Monitoring mit Meldung von Störungen (rote Karte) ist nur der Anfang. Die Weiterführung davon ist Predictive Maintenance - vorausschauende Wartung mit frühzeitiger Vorwarnung, wenn irgendein Parameter sich kontinuierlich einem gefährlichen Grenzwert nähert (gelbe Karte). Notwendig ist dafür ein deutlicher Ausbau der Betriebsdatenerfassung mit geeigneten Sensoren, die an vielen wichtigen Stellen zusätzlich integriert werden, um relevante Betriebsparameter aufzunehmen, in elektrische Signale passender Form umzuwandeln, die ein Rechner dann weiterverarbeiten kann.
Ein nachträglicher Einbau in bereits bestehende Maschinen oder Anlagen ist häufig schwierig. Bei einer Neukonstruktion dagegen kann die permanente Überwachung mit Sensoren gleich von Anfang an eingeplant werden.
Die Sensoren liefern zunächst eine sehr große Flut an Rohdaten. Diese müssen, bevor sie zum Zentralrechner gelangen, zunächst vorverarbeitet, sprich auf die hier relevanten Informationen eingedickt werden. Dazu dient zweckmäßigerweise ein geeigneter Mikrocontroller unmittelbar vor Ort, um die Übertragungswege (Kabel oder Funkverbindungen) zu entlasten. Dieser muss eine geeignete Schnittstelle haben (nach Möglichkeit bidirektional), mit der er an das Datenverarbeitungssystem angekoppelt wird.
Komplementär zur Signalerfassung mittels zusätzlicher Sensoren ist der sogenannte Big Data-Ansatz. Dabei werden die großen Datenmengen, die von den Galvaniksteuerungen bereits heute erfasst werden können, gezielt ausgewertet, um zusätzliche Informationen zu gewinnen. Zum Beispiel können mit geeigneten Algorithmen aus der hochaufgelösten Erfassung von Strom- und Spannungssignalen der Anlage wichtige Aussagen zur vorausschauenden Wartung von Anlagenteilen abgeleitet werden. Daraus wird deutlich, dass es sich bei der großen Zahl an unterschiedlichen Einzelschritten zur Umsetzung von Industrie 4.0 in der Galvanotechnik um ein komplexes und damit auch ein aufwendiges Gesamtsystem handelt, das im Falle eines guten Zusammenspiels aber neue und weitreichende Verbesserungen erwarten lässt.
Bei aller Euphorie stößt die konkrete Realisierung von Industrie 4.0 nach wie vor auf eine Reihe von Hindernissen. Absolut essenziell ist die Sicherheit - zum einen gegen intern bedingten Ausfall, etwa Hardware-Defekte oder Software-Absturz des Zentralrechners, zum anderen gegenüber externen Angriffen durch Hacker, wie es immer wieder vorkommt. Nicht zu unterschätzen ist der hohe Implementierungsaufwand, der die Wirtschaftlichkeit des Vorhabens (return on investment) durchaus in Frage stellen kann. Ein weiteres Problem kann der Mangel an Fachkräften sein; gerade IT-Spezialisten sind stark gesucht.
Generell ist mit einer großen Menge von Unwägbarkeiten zu rechnen. Das Projekt kann zu einer Dauerbaustelle werden die niemals fertig wird. Und es gibt derzeit noch keine Standardlösungen; jedes Unternehmen muss hier noch ausgehend vom individuellen IST-Zustand einen eigenen Realisierungspfad finden.
Einzug in die Galvanotechnik erfolgreich
Während in der maschinellen Fertigung Industrie 4.0 schon weitgehend realisiert ist, liegt die Galvanotechnik im Vergleich dazu bisher im Rückstand. Die zu lösenden Aufgaben sind in den Galvanikbetrieben weit komplexer, weil zu den Herausforderungen der Erfassung und Abbildung mechanischer Prozessschritte die Elektrochemie mit ihren umfangreichen und zum Teil schwierig zu fassenden Einflussgrößen einfließt. Besonders gilt dies für die Elektrolyte, die aus vielen Einzelbestandteilen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zusammengesetzt sind und deren vom Chemiehersteller auf den jeweiligen Anwendungsfall hin optimierte Rezepturen oftmals nicht in allen Einzelheiten vorliegen.
Eine weitere Herausforderung bei der Elektrolytführung und auch bei einer Erfassung der Kennwerte im Sinne von Industrie 4.0 ist die Veränderung der Elektrolyte im Laufe ihrer Gebrauchsdauer. In der Praxis werden einzelne Bestandteile in Abhängigkeit der abgeschiedenen Metallmengen durch Zugaben korrigiert. Häufig erhält das Werkstück nicht nur eine einzige Schicht, sondern mehrere übereinander mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Dazu durchlaufen die Werkstücke in einer längeren Straße nacheinander eine ganze Reihe von Arbeitspositionen. Trotz der stets zwischengeschalteten Spülstufen können hierbei Reste eines Elektrolyten in die Folgeposition gelangen und diesen verunreinigen. Dieser als Verschleppung bezeichnete Vorgang ist wegen des höheren Chemikalienverbrauchs oder des Einflusses auf die Qualität einer Oberflächenbehandlung in der Praxis ein gravierendes Problem.
Die entscheidende, aber auch anspruchsvolle Herausforderung für die Einführung von Industrie 4.0 in diesen Technologiebereich besteht darin, die Vielzahl der Einzelprozesse mit vertretbarem Aufwand als digitale Zwillinge zu repräsentieren und die gesamte Prozesslinie durch die Verknüpfung dieser Teilmodelle zu einer realistischen Abbildung des Gesamtsystems zu verknüpfen. Dies war Thema eines zweieinhalbjährigen Entwicklungsprojekts, koordiniert von eiffo eG in Zusammenarbeit mit der B+T Oberflächentechnik GmbH in Wetzlar als betrieblichem Anwender sowie der DiTEC GmbH für die Anlagensteuerung und der Softec AG für das ERP-System. Dabei wurde eine ausgewählte Beschichtungsanlage von B+T (Abb. 1) komplett in einem Simulationsmodell (Abb. 2) als digitaler Zwilling abgebildet.
Abb. 1: Die Beschichtungsanlage bei der B+T war Basis für die Erstellung eines digitalen Zwillings (Quelle: B+T)
Abb. 2: Cyber-physisches Produktionssystem als Grundlage für intelligente Dienstleistungen (Quelle: IWF, TU Braunschweig)
Die Methodik dazu wurde vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der TU Braunschweig in Kooperation mit dem Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart und dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, entwickelt. Das Projekt wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und ist mittlerweile erfolgreich abgeschlossen.
Der neue Ansatz der Prozessführung erfasst alle relevanten Energie- und Stoffströme, einschließlich der Chemikalienverschleppung und ermöglicht eine durchgängige, von der Produktionsplanung bis zu den Einfahrsequenzen der Aufträge optimierte Steuerung der Produktion nach Kapazität, Energieeinsatz und Kosten. Erstmals ist auch eine vorausschauende Elektrolytwartung möglich, die sich an der produktionsabhängigen Elektrolytverschleppung orientiert.
Dank der Erfassung auch kleinerer Parameter ist die Simulationsgenauigkeit dabei bereits sehr hoch. Ein einmonatiger Validierungstest hat bestätigt, dass das digitale Abbild des Elektrolyten mit einer Abweichung von nur wenigen Prozenten mit dem auf herkömmlichem Wege analytisch bestimmten tatsächlichen Zustand übereinstimmt. Die Nachdosierung der einzelnen Bestandteile kann jetzt – im Vergleich zur erkennbar ungenaueren herkömmlichen Methode auf Basis der geflossenen elektrischen Ladung – wesentlich präziser erfolgen. Die Regelung des Prozesses innerhalb deutlich engerer Grenzen als bisher führt zu einer merklichen Energie- und Chemikalieneinsparung.
Für diese erfolgreiche Umsetzung des Industrie 4.0-Gedankens in die industrielle Praxis wurde von den beteiligten Partnern der Begriff Galvanik 4.1 geprägt [1–6]. Damit soll betont werden, dass die die Herausforderung der daten- und simulationsgestützten Produktionsplanung und -steuerung in einem ersten Schritt gemeistert wurde; gleichzeitig ist die weitere Entwicklung vorgezeichnet.
Ein anderes Beispiel für die erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0 beschreiben die abas Software GmbH in Karlsruhe und Galvanotechnik Kessel in Vechelde bei Braunschweig. Basis für Industrie 4.0 ist hier die ERP-Software, welche die Produktion über Schnittstellen zu den Galvanikanlagen und Analyseautomaten und Erfassung der Rückmeldedaten der Maschinen an den Produktionsautomaten steuert; auch die Qualitätssicherung wird im ERP abgebildet und die Ergebnisse werden verwaltet. Das System zeigt die aktuellen Betriebsaufträge an und erstellt gleichzeitig einen Plan für die Abarbeitung. Der Maschinenbediener sieht so, welche Aufträge er in welcher Reihenfolge bearbeiten muss, um die Anlage möglichst optimal auszulasten. Ein umfangreicher Anwenderbericht hierzu wird von abas als Download angeboten.
Weitere Entwicklungsarbeiten
Eine anspruchsvolle Weiterführung von Galvanik 4.1 erfolgt in dem kürzlich begonnenen Projekt SmARtPlaS, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 2,8 Millionen Euro gefördert wird. (Das Acronym steht für Smart Augmented Reality Plating Services.) In dem Projekt werden Lösungen entwickelt, die einen ganzheitlich optimierten Betrieb und vorausschauende Wartung von Galvanikanlagen ermöglichen sollen.
Ziel ist eine modular aufgebaute Systemlösung mit Modulen für den elektrochemischen Beschichtungsprozess, die Beschichtungsanlage sowie die Peripheriesysteme (z. B. Abluft und Abwasser). Diese intelligenten Dienste werden durch die Abbildung aller relevanten betrieblichen Systeme als digitaler Zwilling ermöglicht, welcher die Zustandsdaten der verschiedenen Systemkomponenten vernetzt und daraus für den Galvanikbetrieb Mehrwert schöpft. Dabei wird der gesamte Beschichtungsprozess einbezogen, einschließlich der eingesetzten Prozesschemikalien und der peripheren Anlagentechnik.
Ein nützliches Hilfsmittel zur intelligenten Mitarbeiterführung zum Beispiel für die Bearbeitung von Aufträgen oder für komplizierte Wartungsarbeiten ist die sogenannte Augmented Reality. Der Mitarbeiter bekommt – zum Beispiel in einer Datenbrille oder auf einem Tablet – in Echtzeit alle für seinen Arbeitsauftrag benötigten Informationen angezeigt. Die in SmARtPlaS entwickelten Lösungen sollen den Anwendern entweder als Softwareprodukte zum Betrieb in Eigenregie oder auch als intelligente Dienstleistungen zur Verfügung gestellt werden.
Ziel eines weiteren Entwicklungsvorhabens ist es, durch einen Data Mining-Ansatz sowie der Verknüpfung von Daten aus dem Manufacturing Execution System (MES) und einer hochfrequenten Leistungsmessung, Ansätze für die effizientere Steuerung und Führung von galvanotechnischen Anlagen zu gewinnen. Data Mining ist ein mittlerweile weit verbreiteter Prozess für die Auswertung großer Datensätze, der auch in der Produktionstechnik zunehmend Anwendung findet. Ein wichtiges Werkzeug des Data Mining sind Algorithmen, die unter dem Begriff maschinelles Lernen zusammengefasst werden. Dieser Ansatz soll ohne oder mit möglichst wenig zusätzlicher Sensortechnik zur Datenerfassung eine vorausschauende Wartung ermöglichen, die sowohl für die periphere Anlagentechnik mit ihren Antrieben als auch für den Beschichtungsprozess eine verbesserte Führung erlauben. Der zu entwickelnde Ansatz soll in ein cyber-physisches Produktionssystem überführt werden, um einen kontinuierlichen Einsatz im Betrieb zu ermöglichen.
Das Projekt SynARCO, das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert wird, befasst sich mit der kombinierten Verbesserung von Ressourceneffizienz und Chemikalienmanagement in der Galvano- und Oberflächentechnik. Die Analyse von Prozessdaten einschließlich Energie- und Stoffströmen ist für heutige Unternehmen essenziell, um kostengünstig produzieren zu können und eine umweltfreundliche Produktion nachweisen zu können. SynARCO verknüpft Ressourceneffizienzanalysen (Ziel: nachhaltiger Einsatz von Roh-, Hilfs-, Betriebsstoffen und Energie) und Chemikalienmanagement (Ziel: minimale Belastung und Risiken für Umwelt und Mensch). Während für die Analyse und Verbesserung der Ressourceneffizienz bereits etablierte Verfahren verfügbar sind (z. B. Energie- und Stoffstrommanagement, Ökobilanzierung, Materialflusskostenrechnung), besteht in Bezug auf gängige Verfahren für betriebliche Anwendungen zum Chemikalienmanagement und zur Risikobewertung noch Nachholbedarf.
Ziel ist ein Softwaretool für kleine und mittlere Unternehmen der Oberflächentechnik, aufbauend auf einer detaillierten Material- und Energieflusssimulation, welche die Fertigungsprozesse dynamisch abbildet und Konsequenzen unterschiedlicher Handlungsoptionen prognostiziert. Der Ansatz zielt insbesondere auf die Schaffung von Transparenz hinsichtlich Energie- und Stoffflüssen, die individuelle Bewertung und Prognose der Chemikalienbelastung von Mitarbeitern und Umwelt sowie die synergetische Verbesserung der Ressourceneffizienz und des Chemikalieneinsatzes.
Industrie 4.0-kompatible Entwicklungen sind aber auch in der Anlagentechnik weit fortgeschritten. Zum Beispiel haben die Unternehmen LUDY Galvanosysteme, Airtec Mueku, Plating electronic und IWAC Automation im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projekts das Kompakt-Beschichtungs-Center GalvanoMat konzipiert.
Der GalvanoMat ist eine vollautomatische Einheit für die Hochgeschwindigkeitsbeschichtung, die als flexible Fertigungszelle im Stand-alone-Betrieb oder auch integriert in die Produktionslinie eines Endkunden einsetzbar ist. Für Galvanikbetriebe sind dabei besonders der weitgehend emissions- und abwasserfreie Betrieb und die hohe Energieeffizienz der Anlage interessant. Die Anlage benötigt insbesondere keine Zulassung nach der Bundesimmisionsschutzverordnung (BImSchV). Sie ist für unterschiedliche Prozesse flexibel einsetzbar bei einem Platzbedarf von nur zwei Standardcontainern. Eine Fernüberwachung mit vorausschauender Wartung soll einen weitgehend automatischen Betrieb ermöglichen, bei Bedarf auch am Standort des Kunden.
Für Fertigungsbetriebe ist das GavanoMat-Konzept unter dem Industrie 4.0-Gesichtspunkt aber auch noch aus einem weiteren Grund sehr interessant: Die vollautomatisch zu betreibende Beschichtungsanlage kann grundsätzlich wie ein Fertigungsautomat in die Produktionslinie integriert werden. Damit wird auch die Oberflächentechnik zu einem normalen Fertigungsschritt, für den kein Bruch in der Fertigungsorganisation und keine zusätzliche Logistik mehr erforderlich sind. Wenn der GalvanoMat dann von einem kompetenten Dienstleister als Contract-Lösung betrieben wird, ist dafür nicht einmal eigenes Galvanik-Know-how erforderlich.
Auch im Bereich einzelner Anlagenkomponenten, insbesondere bei Pumpen, sind solche zukunftsweisenden Entwicklungen im Gange. Bei Galvanikpumpen handelt es sich meist um spezielle Konstruktionen, sehr robust ausgeführt. Mechanischer Verschleiß und Korrosion führen dennoch immer wieder zu Ausfällen. Zwar werden in der Regel Reservepumpen bereitliegen und der Austausch ist mittlerweile Routinearbeit, er kostet aber Zeit, während der oftmals die gesamte Linie stillsteht. Eine vorausschauende Wartung mit geplanten statt ungeplanten Stillständen ist weit wirtschaftlicher.
Die Weiterentwicklung der Pumpen zielt auf noch höhere Robustheit ab, gleichzeitig auf noch höhere Effizienz und auf einfache Überwachbarkeit. Ein hierfür gut geeignetes Prinzip ist die Messung des aufgenommenen Betriebsstroms, und zwar breitbandig, um auch hohe Oberwellen zu erfassen. Die Abtastfrequenz liegt typisch bei 10 kHz. Eine Änderung des Frequenzspektrums erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand des Motors. Der für die Analyse vor Ort eingesetzte Mikrocontroller ist mit dem Zentralrechner vernetzt. Als Kern des Industrie 4.0-Konzepts muss der Datenaustausch dazu bidirektional möglich sein - sowohl zwischen zentraler Leittechnik und dezentraler Feld-Komponente als auch zwischen den Komponenten und einer (betriebsinternen oder externen) Service Cloud.
Anwenderplattform / Arbeitskreis Industrie 4.0
Zur weiteren praxisgerechten Weiterentwicklung und Umsetzung des Industrie 4.0-Gedankens in der Galvano- und Oberflächentechnik organisiert eiffo e. G. den Aufbau eines Arbeitskreises Industrie 4.0 in der Galvanotechnik. Hier sollen vor allem auch die Anwender zu Wort kommen und die Möglichkeiten erhalten, im Austausch mit den verschiedenen Technologielieferanten und Fachfirmen, mit Fachleuten aus Forschungseinrichtungen und Verbänden aus den Ergebnissen der bisherigen und laufenden Projekte zu lernen sowie ihr eigenes Wissen und ihre Anforderungen einzubringen. Ziel ist es, die Umsetzung von Industrie 4.0 in der Galvano- und Oberflächentechnik zu einem Erfolg für Teilnehmer und Branche zu machen.
Wichtige Themen sind hier vor allem:
- Datenerfassung (Big Data)
- intelligente Vernetzung für optimierte, flexible Auftrags- und Anlagensteuerung
- vorausschauende Wartung
- Energie- und Ressourceneffizienz
Die Absicht des Arbeitskreises ist es dabei, bestehende Probleme und Herausforderungen zu erkennen, Vorbehalte zu überwinden und Lösungsansätze aufzuzeigen und zu bewerten. So sind zum Beispiel Entscheidungen gegen Investitionen in Maßnahmen zur (Energie-)Effizienzsteigerung oftmals durch ein hohes Risiko von Fehlinvestitionen begründet. Die Prognosen zur Wirksamkeit und somit zu möglichen Amortisationszeiträumen sind komplex und nicht immer frei von Eigeninteressen der Technologieanbieter oder Technologieberater. Daneben schreckt der erwartete personelle und organisatorische Aufwand, besonders für die Geschäftsleitung selbst, oft ab.
Durch die Kooperation sollen die Betriebe in die Lage kommen, derartige Risiken deutlich zu reduzieren. Im Zusammenwirken von Anwendern, Anlagenbauern, Systemintegratoren und Wissenschaft kann so eine neue Dimension von Prognosesicherheit entstehen, welche die Investitionsbereitschaft in Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung wesentlich erhöhen kann.
Bei Interesse an einer Zusammenarbeit ist eine Kontaktaufnahme direkt über eiffo e. G. (www.eiffo.de) oder die Redaktion der WOMag (info@womag-online.de) möglich.
Literatur
[1] U. Sievers: Von Industrie 4.0 zu Galvanik 4.1 - Potenzial und praktische Umsetzung des Konzepts der Industrie 4.0 in die Galvanotechnik; WOMag 11/2018
[2] A. Leiden, Ch. Herrmann, S. Thiede: Von Industrie 4.0 zu Galvanik 4.1 - Cyber-physische Produktionssysteme für die Galvanoprozesskette; WOMag 12/2018
[3] M. Hellmuth: Von Industrie 4.0 zu Galvanik 4.1 - Von den Forschungsergebnissen zu Umsetzung im ERP-System; WOMag 1-2/2019
[4] S. Kahlich: Von Industrie 4.0 zu Galvanik 4.1 - Intelligente Prozesssteuerung als Basis für eine höhere Wirtschaftlichkeit, Qualität und Ressourceneffizienz; WOMag 3/2019
[5] S. Kölle, K. Schmid, Ch. Mock, C. dos Santos: Von Industrie 4.0 zu Galvanik 4.1 - Elektrolytführung neu gedacht; WOMag 4/2019
[6] F. Benner, H. Käszmann: Von Industrie 4.0 zu Galvanik 4.1 - Ergebnisse aus Sicht des Anwenders; WOMag 5/2019