Automatisering in de industrie 4.0

In tijden van grillige markten en geïndividualiseerde producten tot batchgrootte 1, is een snelle batchwissel een ko-criterium geworden. De noodzakelijke flexibiliteit wordt vooral geboden door de modulaire productie-intelligentie direct op veldniveau, bijvoorbeeld in de vorm van ventieleilanden of draagsystemen met geïntegreerde besturing.

In het onderzoeksproject industrie 4.0 SmartFactory heeft Festo een belangrijke bijdrage geleverd aan het realiseren van flexibele, modulaire en in netwerken geïntegreerde machinecellen van verschillende fabrikanten. Bij Festo Technologiefabriek is dit al in de praktijk gebracht en het is onder andere bewezen dat de insteltijden van een digitaal geïntegreerde montagelijn kunnen worden teruggebracht van enkele uren tot 13 seconden. Bovendien kunt u in slechts één middag nieuwe technologieën of fabricageprocedures implementeren. En zelfs een verhuizing van de hele installatie duurt niet langer drie weken, maar slechts drie dagen.

Belangrijk: Met geschikte retrofit-componenten blijven zelfs bestaande installaties rendabel in de industrie 4.0. Voorlopig moeten fabrikanten of gebruikers zelf de specificaties van de machine-interfaces voor hun eigen processen bepalen; normen of VDMA-aanbevelingen zijn er nog niet.

Energiekosten dalen niet vanzelf. De sleutel tot een efficiënte productie ligt in ons eigen grondstoffen- en energiemanagement, wat alleen mogelijk is in netwerksystemen. Ons belangrijkste voorbeeld is het Festo-productiegebouw in de technologiefabriek Scharnhausen: met een goede isolatie, warmteterugwinning, persluchtopwekking om aan de vraag te voldoen etc., voldoet de locatie aan de hoogste energiestandaarden.

Maar bovenal registreert een in een netwerk opgenomen sensorsysteem het verbruik van alle machines. De M2M (Machine to Machine) toepassingen communiceren onafhankelijk van elkaar via OPC UA met het Manufacturing Execution System (MES), dat is ingesteld voor optimale synchronisatie en voorkomt energiepieken. De benodigde sensoren en de kleine besturing werden achteraf in bestaande installaties gemonteerd, waaronder de elektrische terminal CPX en onze energie-efficiëntiemodule MSE6-E2M. Hiervoor waren investeringen van ongeveer 3.000 tot 5.000 euro per machine nodig. Aan de creditzijde kan de fabriek ongeveer 3 GWh energie besparen, wat resulteert in een ROI van minder dan drie jaar. In andere projecten van klanten heeft de ondersteuning van onze Festo Energy Saving Services geleid tot besparingen tot 60%. Bij nieuwe installaties ligt het grootste potentieel in het economisch ontwerp.

Een belangrijk voordeel van industrie 4.0 is het anticiperende onderhoud dat ongeplande stilstand tot een minimum beperkt. iPads waren een essentieel onderdeel van het pilotproject bij Festo: de servicemedewerkers kunnen niet alleen de foutmeldingen van de installatie op hun tablets weergeven, maar ook alle reparatie-instructies, schema's en stuk- en reserveonderdelenlijsten. Desgewenst kunnen zij deskundigen inschakelen via chat, eerdere reparatieopdrachten laden en een online blik werpen op het reserveonderdelenmagazijn. Zo is direct duidelijk welke foutmeldingen nog openstaan en aan welke medewerker zij met welke prioriteit zijn toegekend.

Het gebied van onderhoud kan in de toekomst nog verder worden uitgebreid, tot een real-time koppeling met de orderportefeuille en AR-ondersteuning (Augmented Reality). Het pilotproject was zo succesvol dat we dit systeem momenteel in alle Festo-fabrieken uitrollen. De OEE (Overall Equipment Effectiveness) van de productie-installaties is aanzienlijk toegenomen, de medewerkers zijn gemotiveerder en het rendement op de investering is minder dan zes maanden.

U kunt deze mobiele instandhouding-app AX Smartenance (smart maintenance app) ook in uw fabriek gebruiken als digitale onderhoudsmanager.

De toepassing van industrie 4.0 in de praktijk is geslaagd. In onze Technologiefabriek Scharnhausen produceren wij onze ventielen, ventieleilanden, printplaten en modules in ons netwerk geïntegreerde montagelijnen: flexibel, energie-efficiënt en zeer productief.

Volgens de Theory of Constraints (TOC) van E.M. Goldratt heeft elke operationele waardecreatie een knelpunt, een zgn. bottleneck. Ervoor loopt alles vast, erachter loopt de productie vaak leeg. Dit knelpunt moet worden geïdentificeerd en opgelost, zodat het volgende knelpunt zichtbaar wordt en kan worden opgelost.

Deze iteratieve TOC-aanpak hebben we in de Technologiefabriek Scharnhausen uitgebreid en ontwikkeld tot een zgn. Bottleneck Oriented Organization (BOO). Concreet gaat het om doorlooptijden en leveringsperformance. De relevante kengetallen zijn doorvoer, voorraad en bedrijfskosten. De praktische uitvoering bestaat uit een consistent industrie 4.0-netwerkkoppeling, waardoor alle deelnemers de benodigde gegevens van de online-MES op het scherm ontvangen – standalone pc, tablet of smartphone.

Dit werkt uitstekend, zowel voor ons als voor onze projectpartners: in de metaalverwerkende industrie heeft bijvoorbeeld de op de op de behoefte afgestemde bestelling met Bottleneck Oriented Organization (BOO) de doorlooptijden in de fabriek met 56% gereduceerd, en in sommige productie-eenheden met maar liefst 90%.

Vergeleken met de batchproductie is de lopendebandproductie veel flexibeler. De doorlooptijden zijn kort, de kwaliteit is goed en bovendien is er slechts weinig ruimte nodig. Bovendien kunnen de One-Piece-Flow-processen zo worden ontworpen dat de tussenlager grotendeels wordt geëlimineerd en de productie veel flexibeler kan worden aangestuurd.

Concreet hebben we dergelijke Heijunka-systemen geïmplementeerd in het kader van de Bottleneck Oriented Organization (BOO), via een complete procesketen van zagen, ontbramen, boren en frezen tot en met de afwerking en oppervlaktebehandeling. Op technisch vlak worden intelligente handlingoplossingen van Festo en M2M-communicatie (Machine to Machine) via OPC UA toegepast. Hierdoor lopen de operationele gegevens of KPI's van de machines te allen tijde synchroon. In geval van een storing kan de hele lijn gecontroleerd worden uitgeschakeld, zodat er geen materialen worden uitgevoerd, die in het weekend of in dure nachtdiensten verwerkt moeten worden.

In de Digital-Twin-scenario's van de industrie 4.0 zijn unieke door machines leesbare identificaties onontbeerlijk. Festo heeft dit al: de product key is ofwel een QR- of datamatrixcode of een alfanumerieke elfcijferige code die elk product onmiskenbaar identificeert. Dit geeft u te allen tijde betrouwbare toegang tot gegevens als typeaanduiding, serienummer, revisie etc. Tot zover de bekende toepassingen. Maar de product key kan nog meer: bijvoorbeeld het automatisch oproepen van de juiste gebruikersdocumentatie en CAD-gegevens. En met de product wordt het bestellen van onderdelen en reserveonderdelen aanzienlijk eenvoudiger. Met de geïntegreerde Identcode kan onderhoudspersoneel of machinebouwers direct tijdens het werk de juiste bestelling activeren – efficiënt en gegarandeerd foutloos, zelfs bij complexe ventieleilanden en subsystemen met honderden afzonderlijke onderdelen.

Festo's product key is zelfs cloud-ready: op systemen die u (her)configureert via de app en beheert via IIoT-platformen, functioneert de product key als toegangscode. Hiermee krijgt u eenvoudig de nieuwste firmware, upgrades en services uit de Festo App World en blijft u altijd up-to-date.

Ticketsystemen zijn al zeer nuttig - maar nog beter zijn intelligente oplossingen die zijn ontworpen voor de verlopen van lopendebandproductie en Bottleneck Oriented Organization (BOO).

In de eerste plaats betekent dit dat het onderhoudspersoneel echt mobiel is en dat alle benodigde werk- en machinegegevens onderweg meteen online in realtime beschikbaar zijn op hun tablets. Een app leidt hen naar de volgende locatie voordat het een bottleneck wordt. Dit betekent dat u zich de moeite kunt besparen om u van de centrale onderhoudsafdeling naar de machine te verplaatsen – voor grotere bedrijven scheelt dat enkele werkuren per week. Ten tweede kunnen de orders vervolgens worden geprioriteerd op basis van efficiëntiecriteria zoals capaciteit, orderstatus en de toegevoegde waarde van de machine. Ten derde maakt mobiel onderhoud het onderhoudspersoneel echt slagvaardig: in het ideale geval kunt u direct online en automatisch via de product key reserveonderdelen bestellen.

Een voorbeeld van een HMI-interface (Human Machine Interface): de ProGlove ziet eruit als een normale werkhandschoen – alleen dat er een barcodescanner op de achterkant van de hand is aangebracht. De medewerkers in de logistiek activeren deze via geïntegreerde duimsensoren, zodat ze automatisch en digitaal in één handeling registreren wat ze pakken. Bovendien hebben ze beide handen vrij. Dit gaat sneller en werkt ook perfect op montage- en handwerkplekken.

In onze technologiefabriek in Scharnhausen hebben we dit Smart-Industry-principe al grotendeels geïmplementeerd en de montagesystemen zodanig gemarkeerd en gecodeerd dat de medewerkers automatisch de juiste onderdelen grijpen – eenvoudig, snel en zonder fouten. Op deze manier wordt tegelijkertijd een echte "digitale tweeling" van de productieprocessen gecreëerd. Hierdoor kunnen productievolumes en materiaalstromen flexibel, precies en efficiënt worden geregeld.

Om in een netwerkindustrie te kunnen profiteren van bruikbare machine- en productiegegevens, moeten deze gebundeld, geconsolideerd en beheersbaar zijn. Dit neemt de IoT-gateway CPX voor zijn rekening. Afhankelijk van de complexiteit communiceren tot 10 à 31 componenten en modules op de werkvloer in real time via een beveiligde OPC-UA-interface. De gateway vertaalt de datastromen naar AMQP (MQTTT en andere op aanvraag), waardoor ze veilig en cloud-ready zijn. Op deze wijze zijn alle opties van industrie 4.0 en moderne data-analyse beschikbaar, van Smart Maintenance tot complete Digital Twins.

Onze IoT-gateway wordt geleverd met vooraf geconfigureerde dashboards die op het scherm kunnen worden aangepast: widgets met verkeerslichtindicatoren en schema's voor preventief onderhoud en gebruikscontrole. Gebruiksklare is dit bijvoorbeeld bij cyberfysische systemen zoals de energie-efficiëntiemodule MSE6-E2M, het handlingsysteem YXMx of onze Motion Terminal VTEM.

Praktisch gezien resulteert dit in twee dingen: kant-en-klare Condition Monitoring met automatische waarschuwingen en een veilige foutdiagnose in real time, en uitgebreide opties voor bedrijfsgegevensanalyse in de Festo-cloud: trendanalyses, vroegtijdige waarschuwingssystemen en besturingsmogelijkheden om de algehele installatie-efficiëntie (OEE) te verhogen op basis van betrouwbare prestatie-indicatoren.

De basis van elk deskundig ondersteuningssysteem, elke gefundeerde bedrijfsbeslissing, elke effectieve procesoptimalisatie zijn betrouwbare kengetallen. Daarom komt alle informatie uit de IoT-gateways samen in de Festo-cloud en is beschikbaar voor een intelligente data-analyse – aanschouwelijk gevisualiseerd als intuïtieve dashboards of in de vorm van complexe langetermijnevaluaties.

De manier waarop industriële bedrijven met hun eigen datavolumes omgaan, zal bepalend zijn voor toekomstige successen. Reeds nu zijn er voor industrie 4.0 uitgebreide besturings- en optimalisatiemogelijkheden op cloudniveau beschikbaar. De Festo-cloud levert nu al een directe bijdrage aan het verminderen van downtime, het verbeteren van de capaciteitsbenutting en het verhogen van de totale productiviteit. Niet in de laatste plaats werken zowel productiebedrijven als machine- en installatiebouwers nu al aan nieuwe business- en verdienmodellen die het resultaat zijn van de verdere verwerking en voorbereiding van machinegegevens in de cloud.

Industrie 4.0 is veel meer dan sensortechnologie, die machinegegevens doorgeeft aan de cloud. Echte cyberfysische systemen werken ook de andere kant op, door besturingsintelligentie beschikbaar te maken voor het veldniveau en zelfs pneumatiek digitaal te maken: onze Motion Terminal VTEM breidt bestaande installaties eenvoudig uit met industrie 4.0-functies. De losse ventielen worden via een app aangestuurd en zijn vrij programmeerbaar via WebConfig: drukniveau, smoring, ventielfunctie, lekkagediagnose enz. De Motion Terminal VTEM geeft machine- en installatiebouwers aanzienlijk meer vrijheid en vereenvoudigt het ontwerp van pneumatische circuits. Deze neemt functies over waarvoor voorheen meer dan 50 verschillende producten of posities nodig waren. Het betekent echter vooral het digitaliseren van de perslucht: u wijzigt eenvoudigweg de functies van een ventiel in de Motion Terminal VTEM met behulp van software - in plaats van de hardware om te bouwen.

Automation Markup Language (AML) heeft zich gevestigd als een gegevensuitwisselingsformaat speciaal voor heterogene ontwikkelingsomgevingen en fabrikantonafhankelijke engineering. De op XML gebaseerde taal is van oudsher afkomstig uit de automobielindustrie, maar het ontwikkelaarsconsortium heeft deze taal geformuleerd als een algemene "digitale enabler". Festo is zelf in de vereniging AutomationML actief als bestuur en is samen met andere gerenommeerde specialisten en onderzoeksinstituten betrokken bij de ontwikkeling, standaardisatie en verdere verspreiding van de standaard, met name bij de implementatie van smart tools in het AutomationML -project (Engineering Tool Chain for Efficient and Iterative Development of Smart Factories).

AutomationML is geen eigen formaat, maar is neutraal en uitbreidbaar ontworpen. In feite is de situatie voor ontwerpers in de machinebouw met AML beduidend beter dan bijvoorbeeld in de domotica, waar ontwikkelaars te kampen hebben met een groot aantal interfaceproblemen en systeembreuken. AML maakt niet alleen de uitwisseling van installatieplanningsgegevens en betrouwbare documentatie mogelijk, maar ook de implementatie van installatiesimulaties in bijvoorbeeld productiesystemen.

Een open consortium rond het Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (Duitse vereniging van elektrotechnische en elektronische industrie, afgekort ZVEI) heeft al een referentiearchitectuurmodel voor industrie 4.0 (RAMI 4.0) gepresenteerd en de essentiële kenmerken van een industrie 4.0-component in het kader van het Plattform Industrie 4.0 gedefinieerd met ondersteuning door het Duitse Ministerie van Economische Zaken en Energie. Concreet gaat het nu om een open-source samenwerkingsproject openAAS (open Asset Administration Shell) voor een "open administratieschil" voor dergelijke componenten. Het protocol is gebaseerd op OPC UA (Unified Architecture), dat al in alle industrie 4.0-compatibele producten van Festo wordt gebruikt.

In de praktijk is het de taak om een industrie 4.0-component te beschrijven als een ingekapseld systeem met interfaces en zo een digitaal beeld te creëren als basis voor alle digital twin-concepten en iedere M2M-samenwerking (machine to machine). Festo is in belangrijke mate betrokken bij deze ontwikkeling, de eerste pilotimplementaties zijn reeds met succes uitgevoerd.

Big Data is het onderwerp van een door het Duitse Bondsministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) gefinancierd samenwerkingsproject dat loopt tot medio 2019. De taak is het ontwikkelen van methoden om bedrijven in staat te stellen nieuwe businessmodellen te ontwikkelen op basis van de hoeveelheid gegevens die door industrie 4.0 worden gegenereerd.

Festo is bij BigDieMo concreet verantwoordelijk voor het ontwikkelen van een modulair systeem met methoden en tools voor het gestructureerd uitwerken van data-based services. Daarbij kunnen we putten uit onze eigen ervaring in de technologiefabriek Scharnhausen en uit de resultaten van pilotinstallaties bij klanten. Onderhoud is altijd een centraal technisch criterium geweest voor elke industriële component van Festo, daarom is hier niet alleen sinds de mogelijkheden van voorspellend onderhoud speciale aandacht aan besteed.