05.05.2022 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Closed-Loop-Engineering: Produktplanung in der Industrie 4.0

Closed-Loop-EngineeringQuelle: B4LLS/Getty Images/iStockphoto

Industrie 4.0 kann wertvolle Daten für Produktverbesserungen liefern. Wie Maschinen- und Anlagenbauer mit Nutzungsanalysen ein Retrofit oder die nächste Generation planen und ausführen können, zeigt das Forschungsprojekt DizRuPT anhand erster Ergebnisse aus der Praxis.

Im Zuge von Industrie 4.0 stattet der Maschinen- und Anlagenbau neue Systeme mit moderner Sensorik und Kommunikationstechnik aus. Viele Hersteller rüsten auch Bestandsanlagen nach, damit ihre Kunden von den Vorteilen der Digitalisierung wie dem Closed-Loop-Engineering profitieren, ohne dass eine teure Neuanschaffung von Maschinen nötig ist.

Intelligent vernetzte Systeme liefern kontinuierlich Informationen zum Betriebszustand oder Fehlermeldungen, die durch systematische Datenanalysen wichtige Impulse für Produktverbesserungen geben können. Mit dem Ziel, dieses zentrale Anwendungsfeld für Hersteller zu erschließen, startete 2019 das Verbundprojekt DizRuPt (Daten-gestützte Retrofit- und Generationenplanung im Maschinen- und Anlagenbau).

Von der Hypothese zum Wissen

Viele ausgelieferte Systeme sind immer noch eine Art Blackbox für Maschinen- und Anlagenbauer: Sie wissen oft zu wenig darüber, wie Kunden sie tatsächlich nutzen. Daher stützen sie die Produktplanung auf Hypothesen ab, die sie durch Marktforschung, Rückmeldungen aus dem Kundendienst oder persönliche Gespräche ermitteln. Dieses Vorgehen bremst das Potenzial der Digitalisierung aus. DizRuPt hat nun die Voraussetzungen dafür geschaffen, dass produzierende Unternehmen ihre Kunden durch die Interpretation von Datenanalysen besser verstehen und die Erkenntnisse für ein Closed-Loop-Engineering nutzen können. Der Lehrstuhl für Advanced Systems Engineering am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn hat das Forschungsprojekt koordiniert. Neben Contact Software als Technologiepartner zählen das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin, die Fachhochschule Südwestfalen sowie vier Industrieunternehmen unterschiedlicher Größe und aus unterschiedlichen Branchen zum Projektkonsortium.

Closed-Loop-Engineering: Die Industriepartner

Das Produktportfolio der DizRuPt-Industriepartner ist sehr heterogen: Lüftungssysteme für die Haustechnik, die überwiegend aus Zukaufteilen bestehen (Westaflex). Komplexe Geldautomaten, die als geschlossene Systeme betrachtet und über externe Sensoren intelligent gemacht werden (Diebold Nixdorf). Tonnenschwere hydraulische Schmiedehämmer, die sich im Worst Case durch extreme Kräfte selbst zerstören, wenn Probleme zu spät entdeckt werden (Lasco). Und Feldbuskoppler, die die Kommunikation zwischen den Automatisierungssystemen in der Produktion sicherstellen (Weidmüller).

Die Unternehmen validieren die Forschungsergebnisse anhand unterschiedlicher Use Cases und Demonstratoren. Eine dieser Pilot-Anwendungen für die datengetriebene Retrofit- oder strategische Produktplanung stellen wir hier näher vor.

Closed-Loop-Engineering
Closed-Loop-Engineering auf Basis von Contact Elements. Bild: Contact Software

Praxisszenario Feldbuskoppler

Feldbuskoppler unterstützen die Systemintegration im Produktionsprozess, indem sie Sensoren und Aktoren (Feldgeräte) mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) verbinden, um entlang der verschiedenen Ebenen der Automatisierung die Durchgängigkeit der Daten zu gewährleisten. Für ihren Hersteller kristallisierten sich im Projekt zwei Produkthypothesen heraus, die verfolgt werden sollten.

Eine Annahme war, dass der Einsatzbereich aufgrund der festgelegten Betriebstemperaturen zu eng definiert sei. Manche Kunden nutzen das Produkt daher nicht, obwohl es bei extremeren Temperaturen eingesetzt wird. Zudem wird die Verbauung der Feldbuskoppler im laufenden Betrieb hinsichtlich der angeschlossenen Sensoren und Aktoren angepasst, die Änderungen und ihr Zeitpunkt aber nur sporadisch aufgezeichnet. Die mangelnde Nachvollziehbarkeit führte zu der zweiten Annahme, dass eine kontinuierliche Datenerfassung im Digitalen Zwilling die Zeit zwischen der potenziellen Problemerkennung und -lösung verkürzen und den Kundensupport verbessern würde. Gemeinsam mit dem Hersteller wurde ein Demosystem auf Basis der Contact Elements Plattform aufgebaut, um diese beiden Hypothesen zu überprüfen.

Methodik und Software-Implementierung

Zuerst wird aus dem virtuellen Produktmodell eine Vorlage für den Digitalen Zwilling abgeleitet, aus der dann Assets für die Geräte im Feld auf der IoT-Plattform instanziiert werden. Die Engineering-Stückliste wird zu einer Service-Stückliste (sBOM) mit klassifizierten Asset-relevanten Komponenten. Die Synchronisation zwischen PLM- und IoT-Anwendung leitet aus der sBOM eine Komponentenstruktur (aBOM) ab.

Stücklistenpositionen, die nicht als Asset-relevant gekennzeichnet wurden, werden dennoch als Ersatz- oder Verschleißteile im digitalen Zwilling für etwaige spätere Servicefälle verwaltet. Durch die Anbindung der realen Feldgeräte lassen sich Nutzungsdaten sammeln, visualisieren und verarbeiten. Diese Daten dienen als Grundlage für Analysen oder zum Auslösen von MRO-Prozessen.

Closed-Loop-Engineering

Hersteller können Analysen für einzelne Assets wie auch für Flotten durchführen. Die Ergebnisse – beispielsweise die maximale und minimale Temperatur, unter der die Feldbuskoppler arbeiten – lassen sich als KPIs weiterverarbeiten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen von der IoT-Plattform zurück in das PLM-System zur weiteren Produktplanung und -optimierung. Aufgrund der Datenkontinuität und Rückverfolgbarkeit ist das Ereignis-Objekt mit dem virtuellen Produktmodell verknüpft und kann zur Validierung der Produkthypothesen eingesetzt werden.

Das Beispiel zeigt, dass die Feldbuskoppler auch bei höheren Betriebstemperaturen als angenommen fehlerfrei arbeiten, so dass das Akzeptanzkriterium automatisch als positiv und anwendbar bewertet wird. Danach kann der Hersteller das Produkt durch eine technische Änderung mit anschließender Auswirkungsanalyse optimieren oder auf Basis der Kundenbetriebsdaten neue Geschäftsmodelle entwickeln.

Fazit und Ausblick

Ein smart vernetztes Asset sowie dessen Population liefert viele Daten, die zeigen können, wie Kunden ein Produkt nutzen. Die im DizRuPt-Projekt realisierten organisatorischen und technischen Verfahren erlauben präzisere Rückschlüsse darauf, was aktuelle und künftige Produktgenerationen leisten sollen. Mittels explorativer Datenanalysen lassen sich auch bisher unbekannte Zusammenhänge identifizieren und so die Frage beantworten, welche Bauteile oft ausfallen und warum das passiert.

Hersteller können dank Closed-Loop-Engineering somit besser entscheiden, ob sie im Markt befindliche Assets durch ein Retrofit optimieren oder bestimmte Funktionen für die Weiterentwicklung ihrer Produkte einplanen.

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