Viele Persönlichkeiten. Zwei Standorte. Eine BO.

Automatisierungstechnik - Forschung und Entwicklung

Industrie 4.0 und Digitalisierung der Produktion

Der Schlüssel zu Deutschlands wirtschaftlicher Stärke liegtin der Besinnung auf die Stärke der produzierenden Industrie. Um hier aber gegen die, in Punkto Funktionalität und Qualität, immer stärkere Konkurrenz in der globalisierten Welt auch weiterhin bestehen zu können, ist eine stärkere Flexibilisierung der Produktionssysteme und Prozesse durch eine enge (IT-mäßige) Vernetzung der  Produktionsebene mit der Planungsebene bis hin zu Kunden und Lieferanten nötig. Dadurch können kundenindividuelle Produkte effizient und schnell entstehen, so dass ein Import aus Asien nicht mehr konkurrenzfähig ist. Diese IT-mäßige Integration ist nun seit geraumer Zeit als Industrie 4.0 bekannt, wobei zu vielen Fragestellungen zu den Themen Vernetzung, Industrial IT, Cyber-Physical-Systems und Internet-of-Things viele Herausforderungen gemeistert werden müssen. Hier liegt der Schwerpunkt der Forschungsschwerpunkt- und Transferaktivitäten der Arbeitsgruppe.

Energiemanagement und Energieeffizienz

Voraussetzung für eine Verbesserung der Energieeffizienz ist eine solide Erfassung der aktuellen, zeitabhängigen Verbrauchswerte der einzelnen Prozesse. Die Versorgung der Laborfabrik erfolgt in Zukunft über einen zentralen Schaltschrank mit 6 vernetzten Wattmetern zur Aufzeichnung der Leistungsverläufe.

Beratungsleistung

Neben der gemeinsamen Akquise und Durchführung von Forschungsprojekten steht die Arbeitsgruppe mit Ihrer Kompetenz in den oben genannten Fachgebieten auch für Beratungsleistungen zur Verfügung. Insbesondere feine Potenzialanalyse in Hinblick auf die Themenfelder "Industrie 4.0" und "Energieeffiziente Produktion" können eine gute Basis für sich anschließende Förderprojekte bilden, um im Vorfeld den Status-Quo für einen Maßnahmenplan zu bestimmen. 

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Forschungsprojekte

Projekt WisE-Pro

Wissensbasierte Entscheidungshilfen für eine nachhaltige Produktion im Mittelstand

Das Ziel des BMBF geförderten Projekts "WisE-Pro" der Förderlinie FHprofUnt ist die Entwicklung und Implementierung eines ganzheitlichen Konzeptes zur wissensbasierten Entscheidungsfindung für eine nachhaltige Produktion. Dies bedeutet für das Produktionsunternehmen anhand der Energie- und Produktionsdaten ein Verständnis für die Effizienz der Produktion zu erhalten und somit Potenziale für eine Effizienzsteigerung und resultierend daraus mehr Nachhaltigkeit zu finden. Unterstützt werden sie dabei durch ein Beratungskonzept für Energieeffizienz, welches zukünftig durch einen Energieversorger angeboten werden soll. Für den Energieversorger bedeutet es in diesem Zusammenhang, Wissen über die Energieverbräuche seiner Kunden zu generieren, um bei der Energiebedarfsplanung im Hinblick auf die Nutzung erneuerbarer Energien fundierte Entscheidungen fällen zu können. Im Zusammenspiel von Energieerzeuger und Nutzer wird durch den Datenaustausch eine optimierte Nutzung der vorhandenen Energie ermöglicht, um die vorzuhaltende Reserve aus konventionellen Energiequellen zu minimieren.

Technischer Kern der Entwicklungsarbeit und aktueller Projektstatus

Ein Weg zur Schaffung neuer - für KMUs handhabbarer - Systeme liegt in der Entwicklung neuer webbasierter Dienste. Mit Cloud-basierten Softwarelösungen und damit verbunden Geschäftsmodellen, die für kleine Unternehmen die Software rentabler machen, kombiniert mit Consulting-Services von Experten, können KMUs Wissen und Erfahrung von Fachleuten nutzen und sich weiterhin auf Ihr Kerngeschäft konzentrieren. Die an diesem Projekt beteiligten Unternehmen sehen einen Wettbewerbsvorteil, wenn sie in der Lage sind, ihre Produktion unter ganzheitlichen Gesichtspunkten zu optimieren, bzw. ihre Kunden bei dieser Aufgabe zu unterstützen.

Diese Unterstützung kann durch Beratungsleistungen von Energieversorgern erfolgen. In Zeiten der Energiewende wurde der Energieversorger durch das Energiedienstleistungsgesetz in die Pflicht genommen, Ihre Kunden über Energieeffizienzmaßnahmen zu informieren. Viele Energieversorger sehen dies als Chance sich zum Partner für Energie zu wandeln. Die Region Velbert/Heiligenhaus zeichnet sich durch eine relativ hohe Dichte kleiner und mittelständischer Unternehmen der Metallverarbeitung aus, die noch persönliche Kontakte zu ihren Energieversorgern pflegen. Die Stadtwerke Velbert und die Stadtwerke Heiligenhaus zeigen Interesse an neuen Geschäftsmodellen und möchten auch langfristig ein Partner für die Mittelständler der Region bleiben.

Technischer Kern der Entwicklungsarbeit ist ein System zur Energiedatenerfassung in Kombination mit Produktionsdaten aus den automatisierten Anlagen, um diese über einen Cloud-Edge-Controller in die Cloud zur Auswertung zu senden. Dort stehen die Daten zur Nutzung dem Unternehmen, aber auch Beratern, die KMUs gezielt bei der Einsparung unterstützen, sowie anonymisiert den Versorgern, die damit zukünftig die Energieplanung optimieren, zur Verfügung (siehe Abbildung).

In einem ersten Referenzszenario erfolgte die bidirektionale Vernetzung der Stadtwerke Heiligenhaus mit der Lernfabrik der Hochschule Bochum über den Cloud Edge Controller (via Beck IPC).

Hiermit wurden exemplarisch die Schnittstellen zu allen relevanten Datenlieferanten (Produktion und Energieversorger) zunächst im Hinblick auf die sichere Datenübertragung über das Internet, sowie der Test und Struktur der Cloud Datensammlung geschaffen. Im aktuellen Status wird die Möglichkeit zur Implementierung von Funktionen zur Berechnung von relevanten KPIs und Bewertung dieser geprüft. Des Weiteren wird die geeignete Visualisierungsmethodik für unterschiedliche Nutzergruppen und die Berechtigungsprüfung in den nächsten Monaten entwickelt. Gemeinsam mit den Stadtwerken Velbert und den Stadtwerken Heiligenhaus wurde eine Selektion der Daten erarbeitet, die für die jeweilige Seite (Lernfabrik/Stadtwerke) von Nutzen ist. Die Lernfabrik stellte die bisher lokal gespeicherten Daten selektiert in der Cloud auf einem Server zur Verfügung, mit dem Hintergrund Fehler und Energieverbräuche in der Lernfabrik variieren und simulieren zu können und dem Ziel Wissen und Beurteilungskriterien für die Stadtwerke als Energiedienstleister oder direkt für die beteiligten KMUs zu gewinnen. Hauptaugenmerk wird bei der Entwicklung der Kriterien und der Datenauswertung auf die Wiederverwendbarkeit gelegt. Dazu gehört die Prüfung der Übertragbarkeit des Konzepts auf andere Unternehmenszweige und andere Versorger, sowie die Frage nach der Existenz lokaler Synergiemöglichkeiten bezogen auf die Energieoptimierung innerhalb der beteiligten KMUs (z. B. Wärmequellen/Wärmebedarf lokal benachbarter KMUs). Ein wichtiger Punkt für den Energiedienstleister zur Optimierung und Modellierung der Regelleistung ist die Erfassung und Analyse der Variationsmöglichkeiten der Energieabnahme/Speicherung in den einzelnen Unternehmen.

 

Projektlaufzeit: 07/2015-07/2018

Das Projekt wird vom BMBF gefördert und vom Projektträger Jülich betreut.

Industrie 4.0 Manufacturing System

Bei dem „Industrie 4.0 Manufacturing System“ handelt es sich um eine ganzheitliche Abbildung eines industriellen Produktionssystems – von der mechanischen Transport-/Handhabungstechnik über die elektrische Ausrüstung, einschließlich Automatisierungstechnik, bis hin zur IT-mäßigen Planung, Steuerung und Überwachung der Prozesse in Hinblick auf Produktivität, Qualität und (Energie-) Effizienz.

 

Innovative Automatisierungstechnik, Industrial IT und Energiemanagement sind der Schlüssel für die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie in den kommenden Jahren. Das Zusammenschmelzen dieser Basistechnologien zu einem integrierten Lösungsansatz, dem Cyber-Physical-System, wird zuweilen als 4. industrielle Revolution, kurz "Industrie 4.0", begriffen. Der Nutzen ist eine (Ressourcen-) effizientere Produktion, bessere Auftrags- und Instandhaltungsplanung für eine höhere Verfügbarkeit, flexiblere Fertigung und Auslastung, bessere Simulation der Produktion im Vorfeld, unter Energiegesichtspunkten optimierte Produktion als Schlüssel zum Smart Grid und zur Energiewende. Um diese Ziele zu erreichen verlangt Industrie 4.0 nach einer Sprengung der Systemgrenzen von Steuerungstechnik, IT, Energietechnik, Produktionsmanagement, Instandhaltung durch die offenen Schnittstellen und Kommunikationstechnologien des Internets, um so ein Internet der Dinge, oder eben Cyber-Physical-Systems, zu schaffen.

 

Dieser Wandel ist vergleichbar mit dem veränderten Verhalten in Hinblick auf Kommunikation und Information im täglichen Leben. Durch allgegenwärtige Comutersysteme, also ubiquitous Computing (z.B. durch  Smart Phones oder Tablet Computer) kann heute über verschiedene Medien kommuniziert werden, die unterschiedlichen Teilfunktionen (z.B. Navigation, Kamera, Internetzugriff) verschmelzen zu einem systemübergreifenden Mehrwert. Diese Integration – vertikal über die Ebenen in der Automatisierungspyramide hinweg oder horizontal zu anderen Gewerken (z.B. Energietechnk) und sogar in der Supply-Chain – ermöglicht eine ganzheitlich optimierte Produktion und somit eine Sicherung des Standorts Deutschland.

 

Mit Hilfe des „Industrie 4.0 Manufacturing Systems“ lassen sich alle nötigen Forschungsfelder in diesem Themenfeld untersuchen:

 

1)      Digitale Vernetzung / Internet der Dinge

 

Ein zentrales Forschungsfeld ist die Integration der Daten unterschiedlicher Systeme und die durchgängige Kommunikation von der Sensor-Aktor-Ebene über die Steuerungsebene bis hin zur Leit- bzw. Management Ebene. Hier müssen – basierend auf den modernen Kommunikationsstandards – zwischen industrietaugliche Schnittstellen entwickelt und definiert werden. Ein wichtiges Forschungsfeld ist hierbei Ertüchtigung der Hardwarekomponenten um Teilnehmer am sogenannten Internet der Dinge zu werden. Aber auch transparente Schnittstellen zwischen IT-Systemen – insbesondere wenn diese Gewerkübergreifend sind (Energie, Produktion, Management) sind heute nicht hinreichend definiert.

 

2)     Nachhaltigkeit und Energieeffizienz

 

In den vergangenen Jahrzehnten wurde die Automatisierungstechnik eingesetzt um die Produktion durch weniger Personal wettbewerbsfähiger zu machen. Heute haben die Energiepreise die Personalkosten ein- bzw. überholt. Daher ist heute der Wettbewerbsschlüssel eine nachhaltige Produktion unter allen Ressourcengesichtspunkten. Insbesondere auch zum Erreichen des globalen deutschen Ziels der Energiewende ist eine Steigerung der Energieeffizienz in der Industrie unabdingbar. Darüber hinaus bedarf die Energiewende aber auch einer flexiblen Produktion, die die volatilen Erneuerbaren Energien optimal nutzt. Dies ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt für den die Anlage Mess- und Softwaretechnisch ausgerüstet ist.

 

3)     Verändertes Arbeitsumfeld in der Industrie

 

Die ersten Visionen der informationstechnisch vollständig integrierten Produktion in den 80er Jahren, damals CIM (Computer Integrated Manufacturing) genannt, hatte eine nahezu menschenleere Produktion zum Ziel. Der heutige Ansatz von Industrie 4.0 hat die Schaffung neuer kollaborativer Formen der Arbeitsorganisation, die auf qualitative Anreicherung, interessante Arbeitszusammenhänge,  zunehmende Eigenverantwortung und Selbstentfaltung ausgerichtet ist, zum Ziel. Diese Formen müssen ebenso entwickelt werden wie Systeme, die die längere Lebensarbeitszeit der Nutzer berücksichtigen und diesen Bedarfsgerecht unterstützen. 

 

Das Projekt wurde vom Land NRW gefördert.

Thermische Energierückgewinnung aus Abwärme durch Smart Materials