Digitale Fabrik im Spannungsfeld zwischen Produktivität und Nachhaltigkeit
Den energetischen Fußabdruck erfassen
Sollen Daten erfasst, die Fertigung optimiert und im jeweiligen Energieverbund richtig kommuniziert werden, setzt dies eine entsprechende Digitalisierung voraus. Produktivität und Nachhaltigkeit stellen dabei zwei Seiten der gleichen Medaille dar. Ein Beispiel von Phoenix Contact zeigt, wie der scheinbare Widerspruch gelingen kann.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHDaten mit Ready-to-use-Lösungen erfassen
Die Data Collection Box von Phoenix Contact bietet sich zur Datenerfassung in bestehenden und neuen Anlagen an. Meist werden die Daten lokal gespeichert, lassen sich aber auch an IT- oder Clouddienste übermitteln. Zuerst legt der Anwender fest, welche Art von Daten aufgenommen werden soll. Danach sucht er die passende Box aus. Mit den vorgefertigten Varianten stehen verschiedene standardisierte Lösungen zur Verfügung. Es sind lediglich geringfügige Parametrierungen vorzunehmen. Alternativ können auf Basis der Standardvarianten angepasste Versionen erstellt werden, bei denen sich auch Fremdkomponenten einbinden lassen.
Nach dem Pandemiejahr 2021 wächst der weltweite Energiebedarf laut Statista (2022) auf 595 Exajoule. Das entspricht gemäß einem Beitrag der Journalistin Linda Maria Holm auf Strom-Report.de mehr als dem Tausendfachen der in Deutschland produzierten Windenergie. Zur Einordnung: Ein Exajoule kommt 278 Terrawattstunden respektive einer Trillion, also einer 1 mit 18 Nullen, gleich. Um eine All Electric Society zu erreichen, sind also weitere Maßnahmen notwendig. Die Nutzung der Solarenergie im Gebiet der Sahara - Stichwort: Desertec - ist eine der diskutierten Optionen. Doch neben dem Ausbau alternativer Energiequellen ist die nachhaltige Verwendung der vorhandenen Energieressourcen ein weiterer elementarer Baustein. Auch vor dem Hintergrund, dass in den nächsten Jahren mit einem weiter steigenden Bedarf an Energie zu rechnen sein wird.
Das Streben nach Nachhaltigkeit ist jedoch nicht neu. Vor rund zehn Jahren hat Phoenix Contact gemeinsam mit anderen Unternehmen und Instituten der Automatisierungsbranche im Projekt 'Green Carbody' - einer Innovationsallianz für eine nachhaltige Fertigung - bereits Optimierungspotenziale aufgezeigt. Das Ziel von Green Carbody war, den Einsatz von Energie für die Herstellung einer Fahrzeugkarosserie durch zahlreiche Einzelprojekten um 50 Prozent zu reduzieren. Viele Projektergebnisse sind heute Stand der Technik. Als Beispiel seien die Abschaltung der Anlagen während produktionsfreier Zeiten oder die intelligente Nutzung von Licht genannt. Bei beiden Handlungsfeldern müssen Informationen zwischen den beteiligten Systemen ausgetauscht werden. Daten bilden somit eine wichtige Grundlage zur Erschließung zusätzlicher Einsparmöglichkeiten.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHDatensammelboxen zwischenschalten
Bei einer Produktivitätserhöhung scheint es naheliegend, dass auch der Energiebedarf der Maschinen und Anlagen wächst. Einen steigenden Energiebezug darf es durchaus geben, solange der sogenannte energetische Fußabdruck des hergestellten Produkts sinkt. Kann die Maschine oder Anlage beispielsweise aufgrund einer Störung nicht produzieren, wird sie - wenn der Stillstand nicht aus einem Stromausfall resultiert - noch ein erhebliches Maß an Energie verbrauchen. Diese Leerlaufenergie teilt sich auf den energetischen Fußabdruck aller Produkte auf und verschlechtert diesen. Andere Gründe für einen größeren Fußabdruck können gefertigte Fehlteile oder zu lange Rüst- respektive Ausfallzeiten sein. Schafft es der Betreiber also, die Produktivität durch eine Vermeidung von Leerlaufzeiten zu erhöhen, verbessert er gleichzeitig den Fußabdruck des hergestellten Produkts.
Sollen neue Anlagen mit einem geeigneten Konzept zur Datentransparenz ausgerüstet werden, lässt sich dies derzeit einfach realisieren. Doch wie sieht es bei den älteren Anlagen aus, die vor einigen Jahren angeschafft wurden und noch nicht entsprechend digitalisiert worden sind? Mit dieser Fragestellung hat sich Phoenix Contact als produzierendes Unternehmen ebenfalls beschäftigt. Eine Lösung bietet die elektrische Energieversorgung selbst. In diesem Kontext hat das Unternehmen am Fertigungsstandort Bad Pyrmont Datensammelboxen in die Energieversorgung der Maschinen und Anlagen zwischengeschaltet. Über die charakteristischen Wirkleistungskurven lassen sich Prozessabschnitte, Materialien, Verschleiß und auf Basis von Abweichungsanalysen sogar Störungen frühzeitig erkennen, weshalb keine kostenintensiven Stillstandzeiten auftreten.
Die gewonnenen Erfahrungen haben gezeigt, dass Parameter und Abläufe mit wenigen Zusatzsignalen wie Temperaturen, Drücken oder der Luftfeuchtigkeit optimiert werden können. Die Verwendung von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz erschließt in diesem Bereich weitere Potenziale. Die dazu notwendigen Daten sind ohne einen größeren Eingriff in die Anlage über Signaltrenner auslesbar. Zudem kann der Betreiber die Entscheidung, ob eine Maschine unter Inkaufnahme einer Ausfallzeit besser repariert oder bis zum Wochenende weiterlaufen soll, unter Einbeziehung des energetischen Fußabdrucks der auf ihr hergestellten Produkte fundierter treffen. Das ist z.B. bei Anlagen der Fall, die ihren Output bei einer Störung verringern, die Produktion aber nicht vollständig stoppen.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHMesswerte übergreifend vergleichen
Im Rahmen der Fertigung von zwei Kurbelwellen in Bearbeitungszentren des gleichen Typs konnte anhand von Abweichungen bei den gemessenen Energiekurven festgestellt werden, dass Rohlinge mit unterschiedlichen Außenmaßen eingesetzt wurden. Vor diesem Hintergrund können sich ähnliche Fälle nicht nur auf den Energieverbrauch auswirken. Ein Szenario wie bei den Kurbelwellen führt häufig zu mehr Verschleiß, schlechteren Taktzeiten, längeren Umrüstzeiten und damit zu einer geringeren Produktivität. Um die Anomalien zu erkennen, bedarf es einer Softwarelösung sowie eines unterstützenden Userinterfaces, das die Daten analysiert und gegebenenfalls Handlungsoptionen vorschlägt. In diesem Zusammenhang stellen Cloudlösungen heute eine gute Möglichkeit zur Verfügung, Nachhaltigkeitskonzepte standortübergreifend sowie global umzusetzen. Die Kennzahlen verschiedener Produktionsstandorte sind nun vergleichbar. Je nach Zugriffsrechten können die Werte der anderen Standorte folglich bei der Realisierung eigener Verbesserungen helfen. Gemessen an den Energiekosten der einzelnen Betriebe lassen sich die Fertigungskapazitäten entsprechend dem Energiebedarf der Produkte nutzen.
Lastspitzen vermeiden
In einem nächsten Schritt könnte die Produktion innerhalb eines Standorts so organisiert werden, dass Produkte mit einem hohen Energiebedarf in einem Zeitraum mit einem CO2-neutralen Energieangebot hergestellt werden. Nachts würden dann Produkte mit niedrigem Energieverbrauch gefertigt. Ein solches Szenario mag eine Vision sein, erweist sich jedoch immer als eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Lastspitzen lassen sich ebenso über Bedarfsanpassungen vermeiden, denn sie verursachen überproportional hohe Kosten.
Es bleibt festzuhalten, dass Daten und damit die Digitalisierung die Voraussetzung für moderne Fertigungsbetriebe darstellen, um nachhaltig zu produzieren. Die aktuellen Technologien und Lösungen können zur dringend erforderlichen Nachhaltigkeit für eine lebenswerte Zukunft beitragen.
Gleichstrom produktionsweit einsetzen
Der technologische Fortschritt ermöglicht die Erschließung eines weiteren großen Einsparpotenzials in der Produktion: der Einsatz von Gleich- statt Wechselstrom. Die Beschäftigung mit hohen Strömen und Spannungen im Bereich der Ladetechnik für die Elektromobilität hat die neuen Optionen aufgedeckt, z.B. das sichere Schalten eines 650VDC-Netzes. Neben einer wirkungsvolleren Anbindung an Erneuerbare-Energien-Anlagen und Energiespeicher erlaubt die Gleichstromfabrik zudem die nachhaltige Nutzung von Bewegungsenergie durch die Rekuperation von Bremsvorgängen. Der ZVEI-Arbeitskreis 'DC-Industrie2' befasst sich seit 2016 in einer Reihe von Modellanlagen und -fabriken mit den vielversprechenden Ergebnissen zu diesem Thema. Die damit verbundenen Investitionen werden sich aufgrund des hohen Nachhaltigkeitspotenzials rechnen.
Sollen Daten erfasst, die Fertigung optimiert und im jeweiligen Energieverbund richtig kommuniziert werden, setzt dies eine entsprechende Digitalisierung voraus. Produktivität und Nachhaltigkeit stellen dabei zwei Seiten der gleichen Medaille dar. Ein Beispiel von Phoenix Contact zeigt, wie der scheinbare Widerspruch gelingen kann.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHDaten mit Ready-to-use-Lösungen erfassen
Die Data Collection Box von Phoenix Contact bietet sich zur Datenerfassung in bestehenden und neuen Anlagen an. Meist werden die Daten lokal gespeichert, lassen sich aber auch an IT- oder Clouddienste übermitteln. Zuerst legt der Anwender fest, welche Art von Daten aufgenommen werden soll. Danach sucht er die passende Box aus. Mit den vorgefertigten Varianten stehen verschiedene standardisierte Lösungen zur Verfügung. Es sind lediglich geringfügige Parametrierungen vorzunehmen. Alternativ können auf Basis der Standardvarianten angepasste Versionen erstellt werden, bei denen sich auch Fremdkomponenten einbinden lassen.
Nach dem Pandemiejahr 2021 wächst der weltweite Energiebedarf laut Statista (2022) auf 595 Exajoule. Das entspricht gemäß einem Beitrag der Journalistin Linda Maria Holm auf Strom-Report.de mehr als dem Tausendfachen der in Deutschland produzierten Windenergie. Zur Einordnung: Ein Exajoule kommt 278 Terrawattstunden respektive einer Trillion, also einer 1 mit 18 Nullen, gleich. Um eine All Electric Society zu erreichen, sind also weitere Maßnahmen notwendig. Die Nutzung der Solarenergie im Gebiet der Sahara - Stichwort: Desertec - ist eine der diskutierten Optionen. Doch neben dem Ausbau alternativer Energiequellen ist die nachhaltige Verwendung der vorhandenen Energieressourcen ein weiterer elementarer Baustein. Auch vor dem Hintergrund, dass in den nächsten Jahren mit einem weiter steigenden Bedarf an Energie zu rechnen sein wird.
Das Streben nach Nachhaltigkeit ist jedoch nicht neu. Vor rund zehn Jahren hat Phoenix Contact gemeinsam mit anderen Unternehmen und Instituten der Automatisierungsbranche im Projekt 'Green Carbody' - einer Innovationsallianz für eine nachhaltige Fertigung - bereits Optimierungspotenziale aufgezeigt. Das Ziel von Green Carbody war, den Einsatz von Energie für die Herstellung einer Fahrzeugkarosserie durch zahlreiche Einzelprojekten um 50 Prozent zu reduzieren. Viele Projektergebnisse sind heute Stand der Technik. Als Beispiel seien die Abschaltung der Anlagen während produktionsfreier Zeiten oder die intelligente Nutzung von Licht genannt. Bei beiden Handlungsfeldern müssen Informationen zwischen den beteiligten Systemen ausgetauscht werden. Daten bilden somit eine wichtige Grundlage zur Erschließung zusätzlicher Einsparmöglichkeiten.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHBild: Phoenix Contact Deutschland GmbHDatensammelboxen zwischenschalten
Bei einer Produktivitätserhöhung scheint es naheliegend, dass auch der Energiebedarf der Maschinen und Anlagen wächst. Einen steigenden Energiebezug darf es durchaus geben, solange der sogenannte energetische Fußabdruck des hergestellten Produkts sinkt. Kann die Maschine oder Anlage beispielsweise aufgrund einer Störung nicht produzieren, wird sie - wenn der Stillstand nicht aus einem Stromausfall resultiert - noch ein erhebliches Maß an Energie verbrauchen. Diese Leerlaufenergie teilt sich auf den energetischen Fußabdruck aller Produkte auf und verschlechtert diesen. Andere Gründe für einen größeren Fußabdruck können gefertigte Fehlteile oder zu lange Rüst- respektive Ausfallzeiten sein. Schafft es der Betreiber also, die Produktivität durch eine Vermeidung von Leerlaufzeiten zu erhöhen, verbessert er gleichzeitig den Fußabdruck des hergestellten Produkts.
Sollen neue Anlagen mit einem geeigneten Konzept zur Datentransparenz ausgerüstet werden, lässt sich dies derzeit einfach realisieren. Doch wie sieht es bei den älteren Anlagen aus, die vor einigen Jahren angeschafft wurden und noch nicht entsprechend digitalisiert worden sind? Mit dieser Fragestellung hat sich Phoenix Contact als produzierendes Unternehmen ebenfalls beschäftigt. Eine Lösung bietet die elektrische Energieversorgung selbst. In diesem Kontext hat das Unternehmen am Fertigungsstandort Bad Pyrmont Datensammelboxen in die Energieversorgung der Maschinen und Anlagen zwischengeschaltet. Über die charakteristischen Wirkleistungskurven lassen sich Prozessabschnitte, Materialien, Verschleiß und auf Basis von Abweichungsanalysen sogar Störungen frühzeitig erkennen, weshalb keine kostenintensiven Stillstandzeiten auftreten.
Die gewonnenen Erfahrungen haben gezeigt, dass Parameter und Abläufe mit wenigen Zusatzsignalen wie Temperaturen, Drücken oder der Luftfeuchtigkeit optimiert werden können. Die Verwendung von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz erschließt in diesem Bereich weitere Potenziale. Die dazu notwendigen Daten sind ohne einen größeren Eingriff in die Anlage über Signaltrenner auslesbar. Zudem kann der Betreiber die Entscheidung, ob eine Maschine unter Inkaufnahme einer Ausfallzeit besser repariert oder bis zum Wochenende weiterlaufen soll, unter Einbeziehung des energetischen Fußabdrucks der auf ihr hergestellten Produkte fundierter treffen. Das ist z.B. bei Anlagen der Fall, die ihren Output bei einer Störung verringern, die Produktion aber nicht vollständig stoppen.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHBild: Phoenix Contact Deutschland GmbHMesswerte übergreifend vergleichen
Im Rahmen der Fertigung von zwei Kurbelwellen in Bearbeitungszentren des gleichen Typs konnte anhand von Abweichungen bei den gemessenen Energiekurven festgestellt werden, dass Rohlinge mit unterschiedlichen Außenmaßen eingesetzt wurden. Vor diesem Hintergrund können sich ähnliche Fälle nicht nur auf den Energieverbrauch auswirken. Ein Szenario wie bei den Kurbelwellen führt häufig zu mehr Verschleiß, schlechteren Taktzeiten, längeren Umrüstzeiten und damit zu einer geringeren Produktivität. Um die Anomalien zu erkennen, bedarf es einer Softwarelösung sowie eines unterstützenden Userinterfaces, das die Daten analysiert und gegebenenfalls Handlungsoptionen vorschlägt. In diesem Zusammenhang stellen Cloudlösungen heute eine gute Möglichkeit zur Verfügung, Nachhaltigkeitskonzepte standortübergreifend sowie global umzusetzen. Die Kennzahlen verschiedener Produktionsstandorte sind nun vergleichbar. Je nach Zugriffsrechten können die Werte der anderen Standorte folglich bei der Realisierung eigener Verbesserungen helfen. Gemessen an den Energiekosten der einzelnen Betriebe lassen sich die Fertigungskapazitäten entsprechend dem Energiebedarf der Produkte nutzen.
Lastspitzen vermeiden
In einem nächsten Schritt könnte die Produktion innerhalb eines Standorts so organisiert werden, dass Produkte mit einem hohen Energiebedarf in einem Zeitraum mit einem CO2-neutralen Energieangebot hergestellt werden. Nachts würden dann Produkte mit niedrigem Energieverbrauch gefertigt. Ein solches Szenario mag eine Vision sein, erweist sich jedoch immer als eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Lastspitzen lassen sich ebenso über Bedarfsanpassungen vermeiden, denn sie verursachen überproportional hohe Kosten.
Es bleibt festzuhalten, dass Daten und damit die Digitalisierung die Voraussetzung für moderne Fertigungsbetriebe darstellen, um nachhaltig zu produzieren. Die aktuellen Technologien und Lösungen können zur dringend erforderlichen Nachhaltigkeit für eine lebenswerte Zukunft beitragen.
Gleichstrom produktionsweit einsetzen
Der technologische Fortschritt ermöglicht die Erschließung eines weiteren großen Einsparpotenzials in der Produktion: der Einsatz von Gleich- statt Wechselstrom. Die Beschäftigung mit hohen Strömen und Spannungen im Bereich der Ladetechnik für die Elektromobilität hat die neuen Optionen aufgedeckt, z.B. das sichere Schalten eines 650VDC-Netzes. Neben einer wirkungsvolleren Anbindung an Erneuerbare-Energien-Anlagen und Energiespeicher erlaubt die Gleichstromfabrik zudem die nachhaltige Nutzung von Bewegungsenergie durch die Rekuperation von Bremsvorgängen. Der ZVEI-Arbeitskreis 'DC-Industrie2' befasst sich seit 2016 in einer Reihe von Modellanlagen und -fabriken mit den vielversprechenden Ergebnissen zu diesem Thema. Die damit verbundenen Investitionen werden sich aufgrund des hohen Nachhaltigkeitspotenzials rechnen.
Phoenix Contact Deutschland GmbH
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 12 (SPS-Messe) 2022 - 02.11.22.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
