Betriebsdatenerfassung: Mit der digitalen Fabrik in eine süße Zukunft

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IGZ Ingenieurgesellschaft für logistische Informationssysteme mbH

Seit mehr als 70 Jahren stellt die Hosta-Gruppe europaweit hochwertige Süßwaren in Markenqualität her. Da die Produktionsstandorte etwas in die Jahre gekommen waren, wurde Heitec mit deren Modernisierung beauftragt. Hierzu wurde ein Pilotprojekt zur Betriebsdatenerfassung umgesetzt.

Betriebsdatenerfassung in der Praxis: Für die Modernisierung der Produktionsstandorte sollte eine plattformunabhängige Dashboard-Lösung zur Darstellung und Überwachung der relevanten Produktionsdaten implementiert werden. Als Referenz-Pilotprojekt wurde die Produktionslinie des Erdnuss-Karamell-Riegels „Mr. Tom“ am Standort Stimpfach-Randenweiler in Baden-Württemberg ausgewählt, initial analysiert und als Ergebnis mit einer Anforderungsdokumentation für das Daten-Monitoring spezifiziert. Das Projekt erforderte bereichsübergreifende Kompetenzen des verantwortlichen Teams, wie Softwareentwicklung, HMI-Programmierung, Webvisualisierung und Retrofitting.

Durchführung einer Daten- und Machbarkeitsanalyse

Zu Beginn wurde eine technische Daten- und Signalanalyse auf Maschinen-/Feldebene an der Produktionsline durchgeführt, um die Bedingungen für die Daten-Sensorik zu eruieren. Hier war wesentlich, die notwendige Transparenz für Entwicklungen zu schaffen, einen Überblick über den Status quo zu erlangen sowie wichtige Schlüsselkennzahlen (KPIs) der Fabrikation zu identifizieren. Aussagekräftige Daten wurden vereinheitlicht, in einem System vereint und verarbeitet. Dafür musste die passende Software selektiert werden.

Die SPS-Zentraleinheiten der einzelnen Anlagenteile auf Maschinenebene wurden über industrietaugliche Router der Serie Phoenix Contact FL mGuard an die Datenerfassungsebene des Engineering-Servers angebunden und vorliegende Datenpunkte eingelesen, analysiert und entsprechend bewertet. In der nächsten Phase wurden die Vorfertigungsbereiche, die Endverpackung und wichtige Energiedaten miteinbezogen.

Betriebsdatenerfassung: Umsetzung über mehrere Ebenen

Ebene 1: Datenanbindung

Die Datenanbindung, -erfassung und -visualisierung geschieht innerhalb einer Server-Architektur auf drei Ebenen und mit zwei unterschiedlichen Datenflüssen. Für die zentrale Erfassung und Speicherung aller notwendigen BDE-Daten sowie den Betrieb der Visualisierungs-Entwicklungsumgebung kommen zwei von Hosta bereitgestellte Engineering-Server zum Einsatz.

Ebene 2: Datensammlung

Die Kernfunktionalität der Datenerfassung und Datenbereitstellung erfolgt durch den auf dem Engineering-Server 1 installierten Datenkollektor „DataFeed OPC Suite“ von Softing. Mit Hilfe des integrierten OPC-DA-Clients und der ebenfalls auf dem Engineering-Server 1 installierten CoDeSys-Software werden die maschinellen Produktionsdaten aus den ELAU-SPS-Zentraleinheiten erfasst. Der integrierte OPC-UA-Server stellt die Daten der Visualisierungsebene in Echtzeit bereit.

Zum Erfassen der maschinellen Produktionsdaten der zweiten Datenquelle an der Waage von Wipotec kommt auf dem Engineering-Server 2 die Software Comscale4 zum Einsatz. Diese Software verwendet intern eine Microsoft-SQL-Datenbank zur Speicherung der Statistikdaten. Für deren Abruf stellt Wipotec eine REST-Schnittstelle bereit, die direkt an der Visualisierungsebene des Engineering-Servers 1 angebunden ist.

Ebene 3: Betriebsdatenerfassung-Visualisierungs­entwicklung

Der atvise-Server auf der Visualisierungsebene des Engineering-Servers 1 empfängt die erforderlichen SPS-Daten über einen integrierten OPC-UA-Client und ruft die Waagen-Daten zyklisch über die REST-Schnittstelle ab. Eine integrierte Datenbank ermöglicht hierbei eine Historisierung aller angebundenen Daten, so dass diese bei Bedarf zur Verfügung stehen.

Die Zielsetzung der Datenerfassung in der Produktionslinie ist es, den Anteil der fehlerfreien Produkte zu maximieren sowie den Ausschuss zu minimieren, wobei die Erkenntnisse aus der BDE zu entsprechenden Verbesserungsmaßnahmen genutzt werden.

Verbesserung von Qualität und Produktivität

In der Web-Visualisierungsansicht für den Operator können detaillierte Produktkennzahlen per Schicht sowie Störinformationen abgerufen werden. Mithilfe des Schichtenvergleichs und einer Fehleranalyse lassen sich Schwächen erkennen und Korrekturen zur Verbesserung der Qualität und Produktivität ableiten. Mit Batch-Codes kann die Produktbeschaffenheit über die ganze Wertschöpfungskette hinweg, auch nach Verlassen des Werks, verfolgt werden.

In der Web-Visualisierung für die Produktionsleitung wird das Produktionsergebnis und mit der Anlagenverfügbarkeit die Overall Equipment Effectiveness (OEE) angezeigt. Anhand der Alarme, Alarmhistorie und Trenddaten können Fehlerquellen oder Materialschäden leichter gefunden sowie entsprechende Wartungsmaßnahmen geplant werden. Potenzieller Verschleiß ist eher absehbar, die vorausschauende Instandhaltung wird verbessert, der Wartungsaufwand minimiert und die Disponibilität erhöht.

Ein immer wichtigerer Faktor ist die Erfassung von Energiedaten sowie die Reduzierung des Energieverbrauchs und der Kosten. Dies gilt gerade für Betriebe, die wie die Süßwarenherstellung aufgrund der permanent erforderlichen Bestromung mit über fünf Millionen kWh pro Jahr sehr energieintensiv operieren. Auch die Reduzierung von Ausschuss und Rücklauf-Loops trägt zu einer höheren Energieeffizienz bei.

Vorteile der Betriebsdatenerfassung konzernweit nutzen

Bereits in der Pilotphase konnten Effektivität und Transparenz erhöht sowie eine spürbare Verbesserung des Ressourceneinsatzes erreicht werden. Es ist vorgesehen, die Datenerfassung – auch unter Einsatz von künstlicher Intelligenz – Schritt für Schritt zu verfeinern. Nach Implementierung der webbasierten, zentralisierten Applikation können Mitarbeiter sowohl neue Daten in Echtzeit auf Endgeräten wie Smartphone, Tablet, Laptop oder PC einsehen als auch Erfahrungswerte abrufen. Somit erhalten sie eine effektive Produktions- und Prozessanalyse.

Die langfristige Zielsetzung ist eine werksübergreifende Betriebsdatenerfassung mit durchgängigem Dashboard-Design, die konzernweite Implementierung sowie eine zentrale Datenbank, die alle produktionskritischen Daten historisiert und ein Monitoring ermöglicht, um relevante Kennzahlen jederzeit und überall verfügbar zu haben. Aus unternehmerischer Sicht gilt es, durch die Digitalisierung der Herstellungsprozesse mit einem BDE-System die Wettbewerbsfähigkeit zu steigern und langfristig zu sichern. Weitere Zielsetzungen sind die Erhöhung der Kundenzufriedenheit, die effektive Überwachung der Produktqualität sowie die nachhaltige und kosteneffiziente Herstellung, was eine papierlose Dokumentation miteinschließt.

Der Autor Andreas Beer ist tätig in der Projektleitung und Consulting bei der Heitec AG.