Industrie 4.0 – die digitale Transformation erreicht die Industriepumpen

Mit dem Begriff Industrie 4.0 wird das Zukunftsprojekt zur umfassenden Digitalisierung der industriellen Produktion beschrieben, um diese für die Zukunft besser zu rüsten. Diese digitale Transformation der Industrie macht auch vor den Pumpen für die Industrie, Kompressoren und der Vakuumtechnik nicht halt.

„Internet of Things“, „Smart Factory“ – die Industrie 4.0 schreitet voran

Die Industrie 4.0 wird mit vielen Schlagwörtern beschrieben: kurz I4.0 –, „Internet of Things“, „Smart Factory“ oder „Machine to Machine“. Mit ihnen wird die digitale Transformation der Industrie beschrieben, die, so hat es den Anschein, unaufhaltsam voranschreitet. Statistisch lässt sich die Entwicklung untermauern. Die Grafik zeigt auf, dass 2020 bereits 59 Prozent der Unternehmen spezielle Anwendungen für die Industrie 4.0 nutzten. Zum Vergleich: In 2019 waren es noch 53 Prozent.

In 2019 wurde vom Bundesverband Informationswirtschaft Telekommunikation und neue Medien das jährliche Investitionsvolumen in der Industrie 4.0 auf 2,62 Mr. Euro steigen wird – im Vergleich zu 2013 von 0,32 Mrd. Euro. Allerdings bemängelten viele der Unternehmen, die bei einer repräsentativen Befragung von Bitkom 2018 teilnahmen, dass es noch an den Standards für I4.0 fehle. Genau das stellte für die Unternehmen ein großes Hindernis dar, wenn es um die Einführung der Industrie 4.0-Anwendungen gehe.

Die Prozessindustrie: schneller und flexibler produzieren

Angesagt sind Anlagen auf Basis modularer Konzepte, damit es der Prozessindustrie möglich ist, schneller und flexibler zu produzieren und zugleich den Wunsch nach individuelleren Produkten zu erfüllen. Das Ziel das verfolgt wird, ist, immer wieder bestimmte Grundfunktionen bei solchen Anlagen zu wiederholen, womit die Abwicklungs- und Montagezeit optimiert wird. Mittlerweile arbeiten auch die Ausrüster von Pumpen und Kompressoren an der Entwicklung von modularen Konzepten für neue Anlagen sowie für Erweiterungen bereits bestehender Anlagen. Der Grund ist, dass die Planer in Modulen und Systemlösungen denken. Somit ist es nicht mehr notwendig, immer wieder alle Details der einzelnen Komponenten der Pumpen- oder Vakuum- bzw. Verdichtersysteme neu zu durchdenken.

Noch wichtiger in diesem Zusammenhang ist, dass die modularisierten Baugruppen es möglich machen, bereits fertige und bewährte Lösungen in neue Projekte einzubeziehen. Somit werden Zeit und Kosten gespart.

Hier kommt die VDMA ins Spiel

Die technische Hochschule Köln kommt hier ins Spiel, denn im Labor für Gebäudeautomation und Regelungstechnik der Fakultät für Anlagen-, Energie- und Maschinensysteme, werden digitale Komponenten für Pumpen im Auftrag des VDMA entwickelt.

Die Komponente, die von der Hochschule entwickelt wurde, besteht aus zwei Teilen: Einem Asset (Vermögenswert) und einer Verwaltungsschale. Bei einem Asset kann es sich um einen realen Gegenstand wie eine Pumpe handeln oder um einen immateriellen Wert, wie den Plan einer Pumpe. Dieses Asset steht mit der Verwaltungsschale in digitaler Verbindung. Eben diese wird auch als digitaler Zwilling des realen oder immateriellen Assets bezeichnet und setzt sich ebenfalls auf Modulen zusammen. Dabei handelt es sich um Teilmodelle, von denen jeweils andere Aspekte oder Funktionen des Assets in Form von standardisierten Merkmalen beschrieben wird.

Von zehn Pumpenherstellern, die in den beiden VDMA-Fachverbänden Pumpen & System sowie Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik vertreten sind, spezifizierten in einem Arbeitskreis gemeinsam mit der TH Köln 500 Merkmale, von denen die Informationen einer Pumpe während ihres Lebenszyklus beschrieben werden und die von der Verwaltungsschale erfasst werden sollen.

Zu diesen Merkmalen zählen bspw. der maximale zulässige Betriebsdruck, die Verfügbarkeit der Pumpe, der aktuell gemessene Differenzdruck sowie Ausfallursachen wie bspw. Software-Fehler.

Von der Vorkonfiguration bis hin zur Instandhaltung

Bei der ersten Anwendung handelt es sich um die Vorkonfiguration der Pumpe auf Basis der standardisierten Hersteller- und Betreiberinformationen. Von dem Untermodell werden die Herstellerdaten erfasst bis hin zum Pumpentyp. Die Merkmale, die für den Anwender wichtig sind, enthält das Teilmodell „System Requirements“. Dabei handelt es sich bspw. um die Arbeitstemperatur, aber auch das pumpende Fluid oder die Betriebsart. Alle Daten laufen zusammen im Modul „Implemation“.

Der nächste Schritt ist die automatische Erhebung und Analyse nutzungsbezogener Produktdaten zur Optimierung der Pumpe während des Betriebs. Neun Teilmodelle wurden da erstellt, die den Bereich „Operation“ – den Betrieb der Pumpe – abdecken.

Geht es um die Instandhaltung, werden die Betriebsdaten zur Leistung, zum Verschleiß und zu Abweichungen im Betrieb erfasst und analysiert. Damit die Instandhaltung der Pumpen optimiert werden kann, hat der Anwender die Auswahl zwischen drei Teilmodellen: Breakdown, Preventive und Condition Based Maintenance. Von diesen drei Modellen werden die drei gängigen Instandhaltungsstrategien abgebildet.

So beschreibt die „Breakdown Maintenance“ die Instandhaltung, die nach einer Fehlererkennung ausgeführt wird. Die anderen beiden Teilmodelle hingegen beschreiben die präventive Instandhaltung. Dabei wird von der „Preventive Maintenance“ eine Instandhaltung beschrieben, die in festgelegten Zeitabständen erfolgt. „Condition Based Maintenance“ hingegen befasst sich mit der Instandhaltung der Komponenten, die auf einer Analyse von Zustandsinformationen basiert. Erfasst werden diese Informationen vom „Measurements“ Teilmodell (aus dem Bereich Betrieb). Abgebildet werden können diese Informationen dann auf Merkmalen wie Verfügbarkeit oder Zuverlässigkeit.

Selbst wenn bislang 500 Merkmale festgelegt sind, so wird es immer wieder zu einem speziellen Fall kommen. Daher wird das System so ausgestaltet, dass immer wieder neue Teilmodelle hinzugefügt werden können. Dabei kann es sich z.B. um Modelle handeln, von denen die Sicherheit oder Energieeffizienz beschrieben wird.