CO2-neutrale Produktion: Datengesteuerte Fertigung für mehr Klimaschutz

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Wer Energieverbräuche und CO2-Ausstoß senken will, benötigt eine datengesteuerte Fertigung: Mit dem digitalen Zwilling der Fertigung lässt sich die Ressourceneffizienz in Echtzeit virtuell analysieren und real optimieren. Voraussetzung sind vernetzte Maschinenparks. Die Anbindung identischer Maschinen in kürzester Zeit ermöglicht ein Machine Repository.

CO2-Neutralität lautet eines der großen Ziele für das 21. Jahrhundert. Die Vereinten Nationen skizzieren es in ihren 17 Zielen für nachhaltige Entwicklung und die EU verfolgt es mit ihrem „Green Deal“. Die entsprechende Aufgabe für Unternehmen beschreibt Christian Sewing, Vorstandsvorsitzender der Deutschen Bank, so: „In fünf Jahren wird das Nachhaltigkeits-Rating (CO2-neutrale Produktion) genauso wichtig sein wie das heutige Kreditwürdigkeits-Rating.“

Data-driven Manufacturing für eine CO2-neutrale Produktion

Was verbessert werden soll, muss zunächst gemessen werden. Für fertigende Unternehmen gilt es daher, CO2-Ausstöße und Energieverbräuche objektiv zu ermitteln. Dafür gibt es im digitalen Zeitalter ein mächtiges Werkzeug: datengesteuerte Fertigung (Data-driven Manufacturing). Mit ihr lässt sich die strategische Kernaufgabe Nachhaltigkeit erfolgreich managen.

Smart Data zu Energieverbräuchen und CO2-Ausstößen

Der Weg zur klimafreundlichen Produktion führt über den sogenannten digitalen Zwilling der Produktion. Er ermöglicht es, Verschwendungen und Fehler in Fabriken in Echtzeit virtuell zu analysieren und real zu optimieren. Mit dem digitalen Zwilling aller Ereignisse in der Produktion können Echtzeit-Analysen in spezialisierten Programmen gefahren werden – für Energiemonitoring, aktuelle und historische Leistungsanalysen der Gesamtanlageneffektivität (OEE), die Qualität oder Rückverfolgbarkeit (Track & Trace), KI-basiertes Erkennen von akuten Anomalien, Fehler-Prognosen und vorhersagende Wartung.

Martin Strehl von der BorgWarner Cooling Systems GmbH in Markdorf, Baden-Württemberg, setzt auf Energie-Monitoring: „Die Lösung von Forcam ermöglicht es uns, Energiedaten in der Produktion schnell zu erfassen und daraus die entsprechenden Auswertungen für ein kontinuierliches Energiemonitoring zu erstellen. Diese Daten können wir jederzeit in Echtzeit im System abrufen. So haben wir unsere Energiekosten kurz- wie langfristig im Griff.“

Konnektivität 4.0 – Basis für die Digitalisierung

Das Fundament für den digitalen Zwilling ist eine umfassende Konnektivität. „Ohne Konnektivität geht im digitalen Raum nichts“, heißt es in der McKinsey-Studie „Industrielles IoT und führende Technologien als Treiber der digitalen Transformation in der Produktion“. Operativ bedeutet das: Erst, wenn alle Signale aus heterogenen Maschinenparks einheitlich digital erfasst und die eingesammelten Signale aus Maschinen und Sensoren in eine einheitliche Sprache übersetzt sind, wird der digitale Zwilling geboren. Er liefert anschließend allen IT-Systemen und Apps als „Single source of the truth“ das Futter, welches diese für ihre speziellen Echtzeit-Analysen benötigen.

Big Data zu Smart Data raffinieren: Für eine CO2-neutrale Produktion

„Daten sind das Öl des 21. Jahrhunderts“ – dieses geflügelte Wort ist zutreffend. Doch wie Rohöl zu Benzin oder Kerosin raffiniert werden muss, um Motoren anzutreiben, müssen geförderte Datenmengen in aussagekräftige Informationen umgewandelt werden, um eine datengesteuerte Fertigung zu ermöglichen. So ist das Raffinieren von Big Data zu Smart Data als Konnektivität 4.0 zu verstehen. Die Konnektivität 4.0 wird durch drei wesentliche Schritte erreicht:

• Konnektivität aller Maschinen sicherstellen: Alle Maschinen einer Fertigung sind digital anzubinden, einschließlich alter Bestandsmaschinen (Brownfield).
  

• Signale interpretieren und Smart Data generieren: Jedem Signal wird seine korrekte Bedeutung (Semantik) zugewiesen. Daraus generiert die Software ein semantisches Maschinendatenmodell, das für Echtzeit-Analysen in weiterführenden Systemen zu Verfügung steht.
  

• Maschinen-Konnektivität standardisiert skalieren: Die Anbindung von Maschinenparks in globalen Netzwerken wird über ein standardisiertes Template-Management zu einer lernenden Bibliothek, dem Machine Repository. Das ermöglicht die schnelle, skalierbare Anbindung gleicher Maschinen.

Schritt 1: Maschinen digital anbinden

Jedes fertigende Unternehmen hat einen individuellen Maschinenpark mit unterschiedlichsten Maschinentypen aus unterschiedlichen Jahrgängen. Die strategische Herausforderung lautet, getätigte Milliarden-Investitionen in die vorhandenen Anlagen zu schützen und gleichzeitig Innovationen in IT-Lösungen der Zukunft zu ermöglichen.

Operativ bedeutet dies, sämtliche Anlagen, alte wie neue, digital anzubinden. Eine Konnektivität-4.0-Lösung ermöglicht es, auch Bestandsmaschinen – dem Brownfield – digital anzubinden, unabhängig von Hersteller, Alter oder technischem Stand. Auch unterstützt Konnektivität 4.0 alle gängigen proprietären Protokolle und Kommunikationsstandards, wie OPC UA, MTConnect oder MQTT.

Schritt 2: Signale interpretieren und Smart Data generieren

Gerade im Brownfield-Umfeld ist es wichtig, nicht nur Signale abzugreifen und unsortiert weiterzureichen, sondern diese für eine smarte Nutzung zu interpretieren. Nach der Maschinenanbindung ist daher der nächste wichtige Schritt, jedem Signal seine semantisch korrekte Bedeutung zu geben und alle Informationen in einem einheitlichen Maschinendatenmodell zusammenzufassen. Der Abruf von Maschinenstammdaten und die Konfiguration der Maschinenanbindung erfolgt bei Forcam über eine Edge-API als RESTful API. Der Edge-API-Eventservice dient zur Weitergabe von Maschinendaten in Form von standardisierten Events an übergeordnete Systeme. Die Anbindung von übergeordneten Systemen erfolgt entweder über HTTP/REST oder MQTT.

Schritt 3 für eine CO2-neutrale Produktion: Vernetzung von gleichen Maschinen global skalieren

Die Vernetzung von globalen Fertigungsnetzwerken kann durch ein Machine Repository enorm erleichtert werden. Eine solche Template-Bibliothek ermöglicht es Unternehmen, bei der Vernetzung gleicher Maschinentypen signifikant Kosten zu sparen und die digitale Einsatzfähigkeit von globalen Maschinenparks deutlich zu verkürzen.

Nach Einarbeitung der Fabrik-Teams verkürzt sich die Anbindung gleicher Anlagen mit Machine Repository auf bis zu eine halbe Stunde je Maschine. Damit wird insbesondere international fertigenden Unternehmen eine schnell skalierbare Maschinen-Konnektivität ermöglicht. Über offene Schnittstellen sollte eine Sammlung von Vorlagen für die Maschinenkonfiguration verfügbar sein. Diese können in der Forcam-Lösung über die Webseite www.forceedge.io heruntergeladen und dann in das eigene Machine Repository importiert werden.

Die umfassende digitale Vernetzung aller Fabrikanlagen, die Umwandlung der Signale in Smart Data sowie eine schnelle Skalierbarkeit der Maschinenanbindung bilden die Basis für die wichtigsten strategischen Ziele der Digitalisierung: eine nachhaltige und effiziente Produktion, eine Integration der Fertigungsprozesse in globale Liefer- und Serviceketten und die Etablierung innovativer Geschäftsmodelle.

Die Autorin Dr. Andrea Rösinger ist Co-CEO und CTO bei der Forcam GmbH.

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