Transparenz mit IO-Link Wireless hebt Fertigungseffizienz Daten entspannt serviert bekommen

In der Halle des Kunststoff-Spritzguss Unternehmens Peka in Velbert stehen zahlreiche Spritzgussmaschinen. Der Maschinenpark ist heterogen und besteht aus neusten, technologisch hochentwickelten Maschinen mit einer Roboteranbindung, aber auch aus älteren Maschinen, die noch nicht vernetzbar sind. Hier spiegelt sich die Geschichte des traditionellen Familienunternehmens wider. „Wir fertigen komplexe Kunststofferzeugnisse und entwickeln die zugehörigen Spritzgusswerkzeuge im eigenen Unternehmen”, beschreibt Ralf Peter, Inhaber und Geschäftsführer von Peka die Kernkompetenzen und das Know-how des Unternehmens.

Als zertifizierter Lieferant, unter anderem für die Automobilindustrie, von Kunststoffteilen für Luxusgüter, von medizinischen Produkten und Verpackungen für Lebensmittel, arbeitet Peka kontinuierlich an der Weiterentwicklung und Optimierung seiner Produkte und Produktionsprozesse sowie der Entwicklung von Nachhaltigkeitsstrategien und der kontinuierlichen Modernisierung der Produktion.

Effektivität und Effizienz bedingen einander

„Um langfristig im Wettbewerb bestehen zu können, müssen wir die strategische Ausrichtung unseres Unternehmens kontinuierlich bewerten, aber auch die Effizienz der Produktionsprozesse im Blick haben. Hierbei sind v.a. die Energie- und Rohstoffkosten entscheidende Faktoren“, erläutert Ralf Peter. „Wir möchten noch detailliertere Kenntnisse über unsere Produktionsprozesse erlangen. Nur wenn wir weiterhin die Feinheiten, Abhängigkeiten und Details der komplexen Prozesse verstehen, können wir diese, in unserem installierten, kontinuierlichen Verbesserungs-Prozess, anpassen“, bemerkt Peter bei einem Rundgang durch die Fertigung.

So steht die Transparenz der einzelnen Fertigungsschritte durch den Einsatz modernster Digitalisierungssysteme im Fokus von Peka, um Prozessabweichungen (zum Beispiel an der Maschine oder direkt im Spritzguss-Prozess) frühzeitig erkennen, bewerten, prognostizieren oder vermeiden zu können. Gezielte Gegenmaßnahmen können so unverzüglich eingeleitet werden. Maschinen-Stillstandszeiten gilt es zu reduzieren oder zu vermeiden. Die vorhandenen, proprietären System-Architekturen der Automatisierungssysteme stehen diesen Zielen der Peka-Geschäftsführung entgegen. Peka suchte die Unterstützung von CoreTigo, dem Hersteller und Spezialisten für IO-Link Wireless Komplett-Lösungen. Das Ziel der Zusammenarbeit ist eine schnelle und einfache Vernetzung der Maschinen und die Generierung von Prozess-Grunddaten, die eine aktuelle und kontinuierliche Analyse der Gesamt-Prozessketten für Peka ermöglichen.

Effiziente Produktion und hohe Produktqualität

Das Projekt wurde in mehrere, schnell umsetzbare, kleine Phasen unterteilt. Das Prinzip der agilen Methodik und Sprints wurde angewandt. Zu Beginn der ersten Phase wurde die Anforderungsanalyse erstellt. Die zu erhebenden Basis-Prozessdaten wurden festgelegt. Peka hat bei der Definition darauf geachtet, dass nicht direkt eine sehr große Anzahl verschiedener Prozessdaten, aus allen möglichen Quellen, gesammelt wird, sondern nur spezifische Daten gespeichert werden. Somit wurden zum Start nur die Daten erhoben, die das Ziel der Prozessoptimierung und somit der Effizienzsteigerung unterstützen. Im späteren Verlauf des Projektes werden zusätzliche Daten gespeichert, um diese mit den Produktionsdaten korrelieren zu können.

Die Aufgabe der ersten Umsetzungsphase war es, die bestehenden Datenpunkte der heterogenen Produktion zentral zu erfassen, neue Datenpunkte durch den Einsatz weiterer Sensoren und Aktoren zu schaffen, sodass eine Überwachung der Prozesse, der Produktqualität und eine Steuerung der Prozesse möglich wird. Eine klassische Retrofit-Anwendung, bei der eine schnelle und unkomplizierte Integration weiterer Sensoren und Aktoren notwendig ist, um die laufende Produktion nicht zu unterbrechen. Mit der zuverlässigen IO-Link-Wireless-Technologie, als Erweiterung des IO-Link-Standards, ist die Einbindung der vorhandenen IO-Link-Sensoren/Aktoren sowie die nahtlose Skalierung drahtlos möglich. Die Daten der Sensoren und Aktoren bilden nun die Basis für ein permanentes Monitoring der Prozesse. Hierzu gehört auch das Erfassen der Umgebungsbedingungen, da sie einen erheblichen Einfluss auf die Fertigungsabläufe und die Produktqualität haben.

Neben der Erhebung der Standard-Produktionsdaten in der Phase 1, wie Systemtemperaturen, Drücke, Zähler, Verbräuche und weiterer Maschinen-Stati, werden in der Phase 2 auch die klassischen Elemente der vorbeugenden Instandhaltung betrachtet: Vibration an Lagerstellen und Motoren, Kühlmittelüberwachung, Motoren- und Systemtemperaturen. Bei den Umgebungsparametern liegt der Fokus auf Luftfeuchte und Temperatur (Condition-Monitoring), die zunächst nur in der Produktionshalle erfasst wurden. Im zweiten Schritt werden auch die Lagerhallen mit Multi-Sensoren ausgestattet.

Einfache Integration von IO-Link Wireless

In der Integrationsphase wurden zahlreiche der oben benannten Sensoren durch die CoreTigo IO-Link Wireless Geräte in das Peka-IT-Netz eingebunden. Das zentrale Element ist dabei der IO-Link Wireless TigoMaster 2TH. Er verbindet die Sensorebene (OT) der verschiedenen Maschinen mit der IT-Welt. In diesem Projekt spielt die IO-Link-Wireless-Lösung ihre hohe Übertragungs-Zuverlässigkeit und ihre Schnelligkeit (bis zu 5ms und deterministisch) aus. Die benötigten IO-Link Sensoren werden über die TigoBridge wireless integriert.

Konventionelle Sensoren werden mittels eines IO-Link-Hubs und in Kombination mit einer TigoBridge drahtlos angekoppelt. Pro Bridge können bis zu acht Geräte eingebunden werden. Der TigoMaster ist als 2-Track-Master ausgelegt und kann 8 Bridges je Track verarbeiten, also bis zu 16 IO-Link Sensoren oder 128 konventionelle Sensoren. In diesem Projekt wurde ein Mix der verschiedenen Möglichkeiten umgesetzt. In die IT-Welt kommuniziert der Master über MQTT und OPC-UA zu den Cloud Anwendungen. Parallel wäre eine Kommunikation zu einer SPS über Profinet, EtherCAT oder Ethernet/IP ebenfalls möglich.

Zentrale Ankoppelung aller Ebenen

Die IO-Link Wireless Technologie von CoreTigo bildet somit das Fundament für den zuverlässigen Datentransfer, die Datenspeicherung und die Datenanalyse. Neben den oben beschriebenen Sensor- und Produktionswerten, via IO-Link Wireless, liest das System die Maschinendaten moderner Spritzgussmaschinen auch direkt per OPC-UA aus. Weitere Datenquellen sind die Maschinensteuerungen, SCADA, MES oder ERP-Systeme. Als Standard-Schnittstellen werden OPC-UA, MQTT und REST-API genutzt.

Somit können alle Ebenen der IT- und OT-Welt zentral angekoppelt werden. Der Cloud-Dienst stellt eine Auswahl an Werkzeugen zur Verfügung, mit der Peka die Prozessdaten auswerten und visualisieren kann. Über ein umfangreiches Rechtemanagement kann Peka alle Analysen, Auswertungen und Visualisierungen für die Mitarbeiter freigeben.

Transparenz durch konsequente Digitalisierung

IO-Link Wireless übernimmt die Kommunikation im Shopfloor und bietet die gewünschte Transparenz der Produktion. Das Industrial Health Scoring der Peka-Auswerte-Software ermittelt vollautomatisch den „Gesundheitszustand“ der technischen Systeme und Maschinen. Aus allen verfügbaren Messdaten und Faktoren berechnet dieses, in welchem Zustand sich die Anlage oder Maschine befindet. Hierfür erlernt die Software, zunächst über einen definierten Zeitraum, welche Parameter für einen optimalen Betriebszustand der Maschine wichtig sind. Die Sensor-Daten werden zusammengeführt, ausgewertet, mit historischen Daten verglichen und übersichtlich dargestellt, sodass Veränderungen nun in Echtzeit festgestellt werden.

Peka erzeugt die benötigten Analysen und Kennzahlen aus den Rohdaten, die für die Optimierung der Produktion und Prozesse benötigt werden. Mittels grafischer Oberflächen kann der Nutzer selbstständig mit jeder verfügbaren Datenreihe (zum Beispiel Messwertkurve, Drehmoment oder Temperaturverläufe) automatisierte Berechnungen durchführen und wiederum als Datenreihe ablegen und diese dynamisch in weitere Berechnungen einbeziehen. Prognostizierte Abweichungen und Alarme werden per E-Mail, SMS oder per integriertem Ticketsystem zugestellt.

Das nahtlose Zusammenspiel aller oben beschriebenen Systeme ermöglicht den Peka-Mitarbeitern und der Geschäftsführung nun einen schnellen, detaillierteren Einblick in die Produktion. Die einzelnen Prozesse werden noch transparenter und können bei Bedarf effizienter gestaltet und angepasst werden. Die möglichen Abhängigkeiten der Produktqualität zu Umgebungsparametern und zu den Maschinenzuständen werden in Echtzeit sichtbar. Maschinenausfälle lassen sich frühzeitig verhindern.

Effiziente Produktion braucht Transparenz: Das Peka-Spritzguss-Pilotprojekt ist ein Beispiel für eine schnelle, unkomplizierte und nachhaltige Integration von Digitalisierungssystemen im laufenden Produktionsbetrieb. Die Peka-Geschäftsleitung plant, nach der Auswertung und Analyse der Pilot-Phase, die Erweiterung des Projektes auf weitere Teile der Fertigung. Des Weiteren fertigt Peka-Medical FFP2 Masken für den europäischen Markt. Auch diese Produktion lässt sich mittels IO-Link Wireless adaptieren.

„Der kontinuierliche Verbesserungs-Prozess ist der Kern zur Erhaltung der, bei den Kunden bekannten und geschätzten, Peka-Qualität und Liefertreue. Der nachhaltige Einsatz von Rohstoffen sowie der Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit durch die permanente Effizienz-Steigerung ist ein wichtiger, strategischer Schritt für uns“, bemerkt Ralf Peter abschließend.