Das smarte Funktionsprinzip
Wertvolle Mehrwertdienste
Filter erkennen Verblocken selbst
Allroundtalente
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Mithilfe von Informationstechnologien können selbst Standardkomponenten Daten verarbeiten und Mehrwerte bieten. Man spricht hier auch von Smartifizierung der Komponenten. Wolftechnik Filtersysteme hat sich in den zurückliegenden Monaten intensiv mit dem Thema auseinandergesetzt und wurde dabei vom Fraunhofer IPA, einem der fachlichen Ansprechpartner aus dem Mittelstand-4.0-Kompetenzzentrum Stuttgart, unterstützt.
Das smarte Funktionsprinzip
Primäres Entwicklungsziel des Projektes von Wolftechnik und dem IPA war es, eine Plattform zu konzipieren, die mit variablen Stellgrößen für jedes Filtersystem und jeden Prozess modifizierbar ist. Für die Umsetzung wurde ein Konzept aus zusätzlicher Sensorik in Kombination mit Mikrocontrollern und einer dahinterliegenden Cloud-Infrastruktur entwickelt. Das Herzstück des intelligenten Filtersystems ist der smarte Filtercontroller (Smart Filter). Die Mikrocontrollereinheit (MCU) kommuniziert mit den angeschlossenen Sensoren und mit einem im Umfeld des Endanwenders installierten Gateway. Der Filtercontroller sendet einerseits die Sensorwerte wie Druck oder Temperatur an das Gateway, kann aber auch Befehle wie die Anpassung der Abtastraten empfangen.
Das Gateway ist der zentrale Eintrittspunkt in das Internet und sendet die Sensorwerte bei Bedarf in einer aggregierten Form an eine Datenbank, die in der Cloud gehostet ist. Der Endanwender kann über Visualisierungen (zum Beispiel ein Dashboard) den Zustand seiner Filter überwachen. Eine Applikation (der Filter Assessment Service = Filterbewertungsdienst) überwacht die Filterparameter aus den Sensordaten und kann daraus Entscheidungen ableiten.
Wertvolle Mehrwertdienste
Mit der echtzeitnahen Verfügbarkeit der
Informationen entstehen neue Ansätze in der Organisation und Steuerung der Filtersysteme und damit neue Services. Bei der Auswahl und Entwicklung solcher Mehrwertdienste rund um bestehende Produkte sollten Unternehmen immer den Anwendernutzen in den Mittelpunkt stellen. Viele Unternehmen sind aktuell nur eingeschränkt bereit, Schnittstellen zwischen Internet und eigenem Firmennetz zuzulassen. Um sie von dieser Öffnung zu überzeugen, müssen Mehrwertdienste, die dies vorsehen, wesentlich attraktiver sein, als lokale Lösungen und eine entsprechende Sicherheit gewährleisten. Gerade Anwendungsfälle mit unternehmensübergreifender Vernetzung sind für viele Anbieter besonders interessant, um neue Märkte zu erschließen und neue
Geschäftsmodelle aufzubauen. In der Umsetzung sind sie aber auch aufwendiger. Über die wirtschaftlichen Aspekte hinaus bietet die Vernetzung die Möglichkeit, mehr über den Einsatz der eigenen Produkte im Feld zu erfahren.
Extrapoliert man die steigende Verbreitung von smartifizierten Objekten, so wird schnell klar, dass die erzeugten Daten, auch für eigene Mehrwertdienste der Anwender wertvoll sein können. So könnten beispielsweise instandhaltungsbezogene Daten aus allen Komponenten einer Produktionslinie in einer einzigen Softwareanwendung aggregiert werden, statt für jedes Objekt eine eigene App zu nutzen. Aus diesem Grund sollten Schnittstellen geschaffen werden, die dem Anwender bei Bedarf den direkten Zugriff auf die Daten ermöglichen.
Filter erkennen Verblocken selbst
Die digitalen Mehrwerte, die smarte Filtersysteme, bieten lassen sich am Beispiel eines Produktionswerks für hochwertige Industrielacke erläutern. Eine Anlage produziert dort, zumeist störungsfrei, lösemittelhaltigen Klarlack. Vor der Abfüllung in die Transportgebinde durchläuft die Charge einen letzten Filtrationsschritt, der gewährleistet, dass in die Liefergebinde keine Verunreinigungen aus dem Prozess eingetragen wurden. Im Einsatz sind WTGDS-Kerzenfilter.
Plötzlich konnte sich der Durchsatz der Anlage jedoch rapide verringern und der Abfüllvorgang mussteunterbrochen werden. Grund war das Verblocken des Filters, der in solchen Fällen ungeplant und schnell auszutauschen war. Das Werk hält Ersatzelemente aus Sicherheitsgründen in hoher Stückzahl vor, um den Filterwechsel möglichst schnell durchzuführen und den Abfüllvorgang neu starten zu können. Die ungeplante Produktionsunterbrechung ist jedoch nicht alleine ein Problem der Quantität, sondern auch der Qualität.
Ein intelligentes Filtersystem erkennt die Anzeichen für sein eigenes Verblocken frühzeitig selbst und visualisiert sie. Der skizzierte Fall hätte mit großer Wahrscheinlichkeit vermieden werden können. Der Beladungszustand des Filters wäre nämlich zu jeder Zeit bekannt gewesen. Der Filter hätte zum optimalen Zeitpunkt darauf vorbereitet werden können, die zur Abfüllung anstehende Menge an Lack unterbrechungsfrei zu filtrieren. Der Fall lässt sich auf andere Filtertypen im selben Einsatzgebiet, wie das mit einem Schutzbeutel ausgerüstete QP-Quick-Pack-Filtersystem, genauso übertragen, wie auf andere Anwendungsfälle.
Mit dem smartifizierten Filter ist eine einfache Überwachung der Filtration und eine bessere Planung der Filterwechselzyklenmöglich. Auch die Nachversorgung mit neuen Filterelementen kann nicht mehr vergessen werden. Es ist somit weder erforderlich, einen Filter aus Sicherheitsgründen viel zu früh zu wechseln, noch bedarf es eines hohen Sicherheitsbestands an Ersatzfiltern.
Allroundtalente
Smarte Filtercontroller überwachen im Filtersystem diverse Betriebsparameter, wie Differenzdruck, Temperatur und Durchfluss/Volumenstrom, übermitteln Daten und zeichnen sie zudem für die Protokollierung auf. Innerhalb der IT-Umgebung sind filterspezifische Informationen zu Ersatzteilen und Ersatzfiltern hinterlegt sowie digitale Wartungs- und Prüfpläne eingestellt. Bedienungsanleitungen für Wartung, Pflege und Filterwechsel, in Text und Bild visualisiert, leiten das Personal bei der Arbeit an. Das vereinfacht die Installation, aber auch Wartungs- und Servicearbeiten.
Smarte Filter ermöglichen einen Austausch der Betriebsdaten mit einem externen Servicepartner, zum Beispiel dem Hersteller. Damit kann bei Störungen eine zeitnahe Diagnose durch den Experten erfolgen und Fehlerursachen lassen sich anhand der gesammelten Daten detektieren. Die Vernetzung mit dem Servicepartner ermöglicht es zudem die eigene Lagerhaltung zu optimieren. Die automatische Ersatzteilbeschaffung erfolgt über den Benachrichtigungsservice.
Neben den oben beschriebenen Services handelt es sich beim smarten Filter um ein System zur vorausschauenden Wartung und Produktionsoptimierung. In der optisch an moderne Bedürfnisse angepassten Ausgabe der Daten, zum Beispiel auf dem Smartphone, Tablet oder in der Cloud, und in der Vernetzung mit dem spezialisierten Servicepartner liegen die großen Vorteile gegenüber einer reinen Überwachung des Filtersystems mit der SPS. Die Cloud-Anbindung ist aber kein Muss. Der smarte Filter kann auch über eine rein interne Datenanbindung in den vernetzten Produktionsprozess eingebunden werden.
Hinter der Technologie steckt ein anspruchsvolles IT-Konzept, das in den Druckbehältern der Filtersysteme relevante Daten erfasst und verarbeitet. Ein erster Prototyp des smarten Filtercontrollers wurde Ende 2018 erfolgreich getestet und in ein Wolftechnik-Filtersystem eingebaut. Derzeit arbeitet die Firma Wolftechnik daran, den Prototypen des smarten Filters in ein verkaufsfähiges Serienprodukt weiterzuentwickeln.
Beispiel smartifizierte Druckkontrolle
Relativdrucksensoren vor und nach dem Filter liefern ihren momentan gemessenen Druck über ein stromcodiertes Signal an den smarten Filtercontroller. Der wandelt das Signal in den entsprechenden Druckwert in der Einheit bar um und sendet die Werte über das Netzwerk an das Gateway, der wiederum für die automatisierte Auswertung der Messdaten und die Visualisierung über ein Dashboard verantwortlich ist. Über das Dashboard können berechtigte Personen die Druckwerte und somit den Zustand des Filters in near real-time betrachten, überwachen und bei Bedarf auf Ereignisse reagieren.
Im System können unterschiedliche Benutzergruppen, wie Endkunden oder Administratoren angelegt werden. Sollte einer der Filter einen konfigurierbaren Grenzwert überschreiten, so wird eine E-Mail-Benachrichtigung an die vordefinierten Personen/E-Mail Adressen versendet. Zudem kann ein Alarm ausgelöst werden.
Autor: Peter Krause
Geschäftsführer,
Wolftechnik Filtersysteme
Autor: Bumin Hatiboglu
Themenfeldleiter Produktion,
Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Stuttgart
IT-Konzept hinter dem smarten Filter: Smarte Filter lesen die Sensorwerte aus und übermitteln sie an das Gateway. Die Filter steuern bei Bedarf die Sensoren über empfangene Kommandos. Die Integration zwischen smarten Filtern beim Endanwender und den Systemen beim Servicedienstleister kann sowohl als Private Cloud wie auch als Public Cloud, z. B. bei einem Cloudanbieter, umgesetzt werden.
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