Mit dem Retrofit zur innovativen Produktion

Bei der Industrie 4.0 dreht sich alles um die Vernetzung von Menschen, Maschinen und Produkten. Dreh- und Angelpunkt bei der Modernisierung für das Internet of Things (IoT) sind die Betriebsdaten der Maschinen, die möglichst exakt erfasst und ausgewertet werden müssen. Aber vor allem für KMUs wirkt das häufig wie eine Herkulesaufgabe. Weshalb sie solchen Modernisierungen oftmals mit Skepsis gegenüberstehen. Denn reibungslos funktionierende Anlagen sind ein wesentlicher Faktor der Produktivität eines Unternehmens. Aber es muss nicht immer die zeit- und kostenintensive Anschaffung einer neuen Anlage sein. Die Retrofit-Methode ist eine interessante Alternative dazu. Auch wenn sie kein Allheilmittel darstellt, besitzt sie ein bemerkenswertes Potenzial.

Verschiedene moderne Anschlüsse auf der Rückseite eines Gerätes in denen zum Teil Kabel stecken. Als Symbol für die Vernetzung innovativer Feritgungen mit Hilfe eines Retrofits.

Aber was genau ist denn nun ein Retrofit?

Der Begriff Retrofit setzt sich aus dem lateinischen Retro (rückwärts) und dem englischen to fit (anpassen) zusammen. Die Bezeichnung Retro ist auch im allgemeinen Sprachgebrauch bekannt und steht für einen Bezug zur Vergangenheit. Wenn es heißt, dass in der diesjährigen Sommermode Retromuster wieder angesagt sind, wissen wir alle, dass ein bereits vergangener Trend wieder auf dem Vormarsch ist.

Auch bei einem Retrofit geht es um etwas aus der Vergangenheit, das wieder zeitgemäß wird: Eine Anlage oder Maschine wird durch neue Bauteile, die in einem späteren Teil des Artikels näher beschrieben werden, wieder an die derzeitigen technischen Verhältnisse angepasst. Denn die Mechanik veraltet trotz langjähriger Verwendung kaum. Somit eignet sie sich als Grundlage für eine Modernisierung mit Hilfe aktueller Informations- und Kommunikationstechnik. Auf diese Weise entsteht im Idealfall eine nahtlose Verschmelzung der geschätzten Bestandsanlagen und innovativer Industrietechnik, so dass die modernisierten Anlagen in digitale Fertigungssysteme und Abläufe integrierbar sind. Durch Retrofitting werden vorhandene Maschinen fit für die Digitalisierung, und der erste Schritt in Richtung mehr Flexibilität und Vernetzung ist durch die Einbindung in moderne IT-Systeme getan. Außerdem können so digitale Prozesse wie ein Dashboard zur Visualisierung der Daten, die Automatisierung der Produktion oder Predictive Maintenance unterstützt werden.

Vorteile eines digitalen Retrofits

  • Die Kosten sind geringer als bei einer Neuanschaffung
  • Verlängerung der Lebensdauer der Anlagen
  • Gewohnte Arbeitsweisen an den Maschinen können beibehalten werden
  • Zeit- und kostenaufwändige Schulungen der Mitarbeiter entfallen
  • Umbauten in der Produktionshalle oder Erweiterungen des Platzangebots sind
    bei dieser Methode nicht notwendig
  • Erfüllung aktueller gesetzlicher Vorgaben oder Sicherheitsbestimmungen
  • höhere Produktivität und Produktqualität
  • Senkung von Produktionskosten
  • bessere Energieeffizienz
  • Steigerung der Effizienz der Anlagen
  • Transparente Maschinendaten und Prozesse

Was wird für einen digitalen Retrofit benötigt?

Um einen Maschinenpark an die Anforderungen der Industrie 4.0 anzupassen, sind verschiedene Komponenten notwendig. Denn der digitale Retrofit setzt neue Hard- und Software aus den Bereichen Sensorik, Informations- und Kommunikationstechnik voraus.

Die Informations- und Kommunikationstechnik sorgt für die Vernetzung der Anlagen untereinander und mit den steuernden oder überwachenden Systemen. Während an den Maschinen angebrachte Sensoren unterschiedliche Abläufe überwachen und diverse physikalische Größen wie zum Beispiel die Temperatur oder den Druck messen. Durch die Vernetzung der Sensoren stehen die erfassten Messwerte für die weiterverarbeitende Software zur Vefügung.

Das Mittel zum Zweck bei einem Retrofit ist ein Bindeglied zwischen Maschine und Netzwerk – wie das IoT Gateway von ATR Software. Denn es ermöglicht einen einfachen Zugang zu den Daten der Produktionsanlagen. Außerdem steigert eine Nachbehandlung des gewonnenen Datenmaterials seine Qualität, sodass wertvolle Informationen für nachgelagerte Prozesse, wie zum Beispiel Maschine Learning zur Verfügung gestellt werden. Eine integrierte Alarmierung sowie die Weitergabe an ein MES, zum Beispiel dem InnoMES von ATR Software, runden das Gesamtpaket ab.

Thermische Kalibrierung mit Waffeln

Das Software-Modul „Data Analytics” der ATR-Softwareplattform umfasst eine Vielzahl von Methoden und Lösungen zur Verarbeitung und Aufbereitung von Daten, die aus verschiedensten Bereichen erhoben werden. Zuletzt entwickelten wir in diesem Bereich eine Kalibrierungssoftware für eine Wärmebildkamera. Zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses und Verifizierung der Ergebnisse wurde folgender auf den ersten Blick etwas ungewöhnliche Versuchsaufbau vorgenommen:

In manchen Produktionsschritten ist es nötig, die Temperaturen einer Oberfläche exakt zu bestimmen, um diese anschließend auswerten oder durch Heizen und Kühlen an gezielten Stellen anpassen zu können. Hierfür kann eine Infrarot(IR)-Kamera verwendet werden. Diese Kamera liefert ein Wärmebild, in dem die Temperaturen der aufgezeichneten Oberfläche angezeigt werden. IR-Kameras weißen jedoch Ungenauigkeiten auf, die dafür sorgen, dass die angezeigten Werte für manche Anforderungen nicht präzise genug sind.

Zur Kalibrierung und dem damit verbundenen Ausgleich von Ungenauigkeiten einer IR-Kamera kann ein Pyrometer verwendet werden. Denn ein Pyrometer ist ein Sensor, der für einen einzelnen Punkt die Temperatur extrem genau bestimmen kann.

Nahaufnahme der IR Kamera mit darüber befestigtem Pyrometer.
Nahaufnahme der IR Kamera mit darüber befestigtem Pyrometer

Das Pyrometer wird hierzu auf einen Punkt ausgerichtet, der im Bild der IR-Kamera ebenfalls zu sehen ist. Danach wird die Abweichung zwischen der an dieser Stelle gemessenen Temperatur im IR-Bild mit dem genaueren Wert des Pyrometers bestimmt. Diese Abweichung wird dann zur Berechnung einer Korrektur verwendet. Anhand dieser Berechnung kann anschließend die Genauigkeit des gesamten IR-Bildes optimiert werden.

Zur Bestimmung der Korrekturfunktion führten wir eine umfangreiche Versuchsreihe durch. Das Ziel dabei war es, die Größenordnung der Ungenauigkeiten zu bestimmen und herauszufinden, wie sie sich diese Ungenauigkeiten bei unterschiedlich hohen Temperaturen verhalten.

Das Waffeleisen diente uns hierbei als Oberfläche im Versuchsaufbau, weil damit verschiedene, teilweise sehr hohe Temperaturen von über 200 °C erreicht werden können. Dafür platzierten wir die Heizfläche des Gerätes vor der IR-Kamera und richteten anschließend das Pyrometer darauf aus.

Lokalisieren des Messpunktes des Pyrometers anhand der Temperaturunterschiede zwischen Finger und Waffeleisen
Lokalisieren des Messpunktes des Pyrometers anhand der Temperaturunterschiede zwischen Finger und Waffeleisen

Danach heizten wir das Waffeleisen maximal auf. Bei einer Temperatur von ca. 210 °C laut Pyrometer überprüften wir, wie hoch die gemessene Temperatur an dieser Stelle im IR-Bild ist. Anschließend schalteten wir das Waffeleisen ab und hielten beim Abkühlen in 10 °C Schritten jeweils die Abweichung zwischen Pyrometer und IR-Bild fest.

Angleichen einer Funktion an den Verlauf der Gemessenen Werte gezeigt mit Hilfe eines Graphen, der die Ergebnisse zeigt.
Angleichen einer Funktion an den Verlauf der Gemessenen Werte

Mittels dieser Messergebnisse bestimmten wir eine Funktion, die das Verhalten der Kamera in Relation zum Pyrometer bei unterschiedlichen Temperaturen beschreibt. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnten wir dann einen exakten Kalibriervorgang für die IR-Kamera mithilfe des Pyrometers umsetzen und testen.

Als netter Nebeneffekt wurden bei dem Versuch noch Waffeln für die Kollegen produziert!

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