Dynamische Messreduktion

Was ist eine dynamische Messreduktion?

Die dynamische Messreduzierung ist eine Methode, um die Anzahl der serienbegleitenden Prüfungen zu reduzieren. Die Prüfhäufigkeit wird dabei durch den Produktionsprozess selbst bestimmt. Die dynamische Messreduktion basiert auf dem Prinzip, dass Schwankungen im Produktionsprozess für Schwankungen in der Qualität verantwortlich sind. Die Prüfhäufigkeit passt sich der jeweiligen Situation an. Es wird also nur dann gemessen, wenn es notwendig ist.

Überblick über die Stufen der dynamischen Messreduktion

Es gibt verschiedene Stufen von dynamischen Messreduktionsverfahren, die einzeln und kombiniert eingesetzt werden können. In der Praxis bietet es sich oft an, die einzelnen Methoden miteinander zu verknüpfen, um die Prozessfähigkeit sicherzustellen. Die vier Grundstufen sind:

Bausteine Sie für eine dynamische Messreduktion

Wie profitiert eine Produktion von einer dynamischen Messreduktion?

Die Vorteile der dynamischen Messreduzierung sind vielfältig. Insgesamt lassen sie sich in vier Kategorien einteilen:

Praxisbeispiel: 70% Prüfreduktion in der Gummimischungsherstellung

Gummimischungen werden im Batch-Verfahren hergestellt. Die Qualität wird anschließend mit einem Rheometer überprüft. Typische Zykluszeiten sind drei Minuten, sowohl für den Mischer als auch für das Rheometer. Jede Probenvorbereitung inklusive Material kostet etwa 2 €. Im Normalbetrieb wird von jeder Charge eine Probe entnommen, um die Qualität der Mischung zu charakterisieren. Pro Monat fallen bei einer vollausgelasteten Linie etwa 9.600 Stichproben an. Dies verursacht sowohl Kosten als auch Stress für den Bediener, der oft mehrere Linien parallel bedienen muss.

Mit Hilfe der dynamischen Messreduktion können die Prüfkosten reduziert und gleichzeitig der Anlagenfahrer entlastet werden. In einer Implementierung konnte ein Kunde durchschnittlich 70% der Prüfungen einsparen. Dabei wurde sowohl die Szenario basierte als auch die prädiktive Messreduktion eingesetzt, um eine maximale Prozesssicherheit zu gewährleisten.

Manuelle Messungen digitalisieren und automatisieren

Was sind Herausforderungen bei händisch erfassten Messwerten?

Zur Dokumentation der Prozesse werden Messungen relevanter Produktionsparameter durchgeführt. Daher stellen Zertifizierungen wie z.B. im Lebensmittelbereich IFS oder Global Manufacturing Foods verschiedene Anforderungen an die Aufzeichnungen. Die Aufzeichnungen müssen lesbar und authentisch sein, d.h. es muss klar sein, wer die Aufzeichnungen gemacht hat. Des Weiteren muss eine nachträgliche Korrektur ausgeschlossen sein bzw. darf nur von autorisiertem Personal vorgenommen werden können. Werden Aufzeichnungen manuell oder in Tabellenkalkulationsprogrammen geführt, sind sie oft nur schwer recherchierbar. Spätere Auswertungen sind dann nur mit manuellem Aufwand möglich. Die manuelle Dokumentation ist zudem fehleranfällig, so ist z.B. schnell ein Komma an der falschen Stelle gesetzt oder der Messwert am Prüfgerät falsch abgelesen. Darüber hinaus bindet die Dokumentation Arbeitszeit des Mitarbeiters und hält ihn von wertschöpfenden Tätigkeiten ab.

Manuelle Messungen digitalisieren und automatisieren – Eine Anleitung

Für die Digitalisierung bzw. Automatisierung manueller Messungen gibt es zwei unterschiedliche Ausgangspunkte:

Im ersten Fall „Händische Messung“ ist es sinnvoll, dem Mitarbeiter anstelle von Papier oder Tabellenkalkulationsprogramm eine digitale Möglichkeit zur Dokumentation der Information zur Verfügung zu stellen. In der Regel handelt es sich dabei um eine Webanwendung, die auf verschiedenen mobilen Endgeräten oder Workstations im Browser geöffnet werden kann. Es kann direkt überprüft werden, ob der Messwert innerhalb der hinterlegten Spezifikationsgrenzen liegt. Die Übertragung kann auch über Messmittelboxen oder eine direkte Kommunikation mit dem Prüfgerät erfolgen. Die nächste Ausbaustufe wäre die Automatisierung des Messvorgangs. Anstelle eines manuellen Messsystems werden fest installierte Sensoren verwendet, die den Messwert kontinuierlich überwachen. Die Erfassung und Speicherung der Sensorsignale kann über einen Datenlogger oder über eine Steuerung erfolgen.

Im zweiten Fall „Digitale Werte ablesen“ werden die relevanten Parameter direkt abgerufen und zentral gespeichert. Die möglichen Schnittstellen sind vielfältig. Üblich ist die Möglichkeit des Auslesens der relevanten Messwerte über das Protokoll OPC UA. Dadurch entfällt der Weg zur Anlage. Die Daten können in kürzeren Intervallen überwacht und automatisiert ausgewertet werden.

Wie profitiert die Produktion hiervon?

Wenn manuelle Messungen digitalisiert und automatisiert werden, wird wird in erster Linie das Personal entlastet. Statt Werte manuell abzulesen und zu dokumentieren, wird der Dokumentationsaufwand weitgehend automatisiert. Dadurch kann der Fokus auf wertschöpfende Tätigkeiten gelegt werden. Gleichzeitig werden manuelle Fehler durch falsches Ablesen oder unleserliche Handschriften vermieden.

Auch die Auswertung wird durch standardisierte Berichte vereinfacht. So kann für Audits einfach der relevante Zeitraum ausgewählt und als Report ausgegeben werden. Ebenso kann durch die Automatisierung bzw. Digitalisierung sichergestellt werden, wer Änderungen an den Daten vornehmen kann.

Durch kürzere Dokumentationsintervalle können Trends und Abweichungen frühzeitig erkannt werden. So kann proaktiv in den Prozess eingegriffen werden, bevor es möglicherweise zu spät ist und der Prozess aus einem sicheren Fenster läuft. Mit einem solchen Frühwarnsystem wird die Überwachung automatisiert.

Last but not least – durch die digitale Speicherung werden die Datenmengen auch durchsuchbar und auswertbar. So können Vergleiche über die Zeit oder zwischen verschiedenen Maschinen angestellt werden. Dadurch können Optimierungspotenziale erschlossen werden.

Welche Bausteine Sie für eine Digitalisierung und Automatisierung von manuellen Messungen benötigen:

Reales Fallbeispiel: Temperaturmonitoring in der Schokoladenproduktion

Eine Schokoladenproduktion ist nach IFS7 für Lebensmittelhersteller zertifiziert. Dazu ist es unter anderem notwendig, die Temperatur- und Feuchtewerte an definierten Messpunkten in der Produktion und im Lager zu überwachen. Dies wurde einmal pro Schicht von einem Mitarbeiter durchgeführt. Dazu wurde ein tragbares Thermometer verwendet. An jeder Messstelle wurden drei Stichproben genommen. Der Mittelwert wurde handschriftlich in ein ausgedrucktes Formular eingetragen. Pro Schicht benötigte ein Mitarbeiter ca. 30 min für die Dokumentation der Werte. Dazu musste das Qualitätsmanagement einmal wöchentlich die Zettel einsammeln, neue ausdrucken und die Aufzeichnungen in Excel auswerten. Für den Schokoladenproduzenten stellte sich die Frage, wie die manuelle Messung digitalisiert und automatisiert werden kann.

Gemeinsam mit den Experten von DatenBerg wurde ein automatisiertes Sensorsystem mit integriertem Datenlogging als Lösung avisiert. Dazu wurde ein Sensorsystem angeschafft, welches die Temperatur und Luftfeuchtigkeit misst. Hierfür wurde ein IO-Link System gewählt, da dieses keine Programmierung (im Gegensatz zu einer SPS) benötigt. Die Sensoren sind über 3-Draht-Kabel mit einem IO-Link-Master verbunden. Der Master überträgt die Signale einmal alle 10 Minuten an die DatenBerg Software smartPLAZA. Diese speichert die Messwerte und prüft, ob Spezifikationsgrenzen verletzt werden. Sollte dies der Fall sein, wird sofort eine E-Mail an das QM und die Werksleitung gesendet. Ein Dashboard visualisiert bei einem Audit schnell den betroffenen Zeitraum und zeigt die Übereinstimmung mit den Prozessfenstern.

Die Sensoren sind aber nicht nur für die Dokumentation gut! Zukünftig sollen die Temperatursensoren auch für eine automatisierte Regelung der Kühlaggregate eingesetzt werden.

Maschinen- und Prozessdaten abspeichern

Maschinen- und Prozessdaten abspeichern – Warum?

Produktionsmaschinen erfassen eine Vielzahl von Sensordaten, die häufig direkt an der Anlage auf einem Display visualisiert werden. Je nach Zertifizierung der Produktion müssen bestimmte Datenpunkte zu Dokumentationszwecken gespeichert werden. Häufig geschieht dies direkt an der Steuerung, wo ein Datenlogger die Daten aufzeichnet. Somit bleibt für die Auswertung und Analyse der Weg zur Anlage, wo die Daten abgeholt werden. Dies macht eine zeitnahe Auswertung nahezu unmöglich. Was typische Prozessdaten in der Produktion sind, haben wir hier beschrieben.

Einzelne Anlagenhersteller bieten zwar eine Webvisualisierung an, diese ist aber oft nicht sehr ausgereift. Zudem wird für jede Anlage eine eigene Applikation benötigt, was die Kosten stark erhöht und die Übersichtlichkeit verringert.

Wie können Maschinen- und Prozessdaten abgespeichert werden?

Als Übersicht bieten sich vier Schritte an:

  1. Anbindung an ein Maschinennetzwerk
  2. Definition der Schnittstelle
  3. Anbindung an zentrales Monitoringsystem (z.B. smartPLAZA)
  4. Festlegung des Monitoring und Analyse der Daten

Um eine einheitliche Übersicht zu schaffen, werden in einem ersten Schritt die relevanten Maschinen über Ethernetkabel zu einem sogenannten „Maschinennetzwerk“ verbunden. Damit ist die physikalische Verbindung bereits hergestellt. Anschließend muss für jede Anlage geklärt werden, welche Schnittstelle zur Verfügung steht. Neuere Anlagen sind häufig mit der Standardschnittstelle OPC UA ausgestattet. Damit können Parameter abgefragt und auch zurückgeschrieben werden. Ist bereits eine Webvisualisierung vorhanden, können die Daten oft auch hier abgerufen werden. Mit der DatenBerg smartPLAZA werden verschiedene Standardschnittstellen mitgeliefert, die einen schnellen Zugriff auf Maschinensteuerungen ermöglichen.

Nach Auswahl der Schnittstelle werden die Daten in einem festen Intervall abgefragt. Typische Zeitintervalle für kritische Prozesse reichen von 1 / s bis zu Intervallen von mehreren Minuten. Alternativ kann auch nur bei veränderlichen Signalen aufgezeichnet werden.

Danach werden alle ausgewählten Parameter in einer Datenbank gespeichert. Hier findet dann eine Visualisierung und das Monitoring statt. Ebenso können die Daten über einen historischen Zeitraum analysiert und anderen Tabellen verknüpft werden.

Was ist der Mehrwert der zentralen Speicherung?

Durch die zentrale Speicherung stehen alle relevanten Informationen zentral zur Verfügung – egal ob auf dem Laptop oder dem Tablet. Dadurch ist die Informationen ortsunabhängig zugreifbar. Die Datenpunkte sind dauerhaft und sicher gespeichert. Das manuelle Sammeln der Daten auf einem USB-Stick entfällt.

Auch anlagenübergreifende Analysen lassen sich mit einem zentralen System wie dem DatenBerg smartPLAZA durchführen. Auf diese Weise können Engpässe einfacher erkannt und die Planung von Verbesserungsmaßnahmen gezielter durchgeführt werden.

Aber nicht nur Analysen und Monitoring sind möglich. Definierte Abläufe können auch per Fernzugriff an der Maschine eingestellt werden. Beispielsweise können über OPC UA Fehlermeldungen quittiert oder Sollparameter neu eingestellt werden.

Bausteine für das Speichern von Maschinen- und Prozessdaten

Reales Fallbeispiel: Füllstandsmessung von Rohstoffen

Reales Beispiel: Füllstandsmessung von Rohstoffen

In einer Lebensmittelproduktion werden Rohstoffe als Schüttgut in Silos gelagert. Der Füllstand wird über Sensoren gemessen und über eine SPS (Siemens S7-1200) abgefragt. Diese stellt den Füllstand auf einem Display direkt an den Silos zur Verfügung. Unser Kunde wollte den Füllstand aber auch aus der Ferne visualisieren können.

Als Lösung haben wir den OPC UA Server auf der S7-1200 aktiviert und die Steuerung über ein LAN-Kabel in das Maschinennetzwerk eingebunden. Dadurch werden die Füllstände freigegeben. Mit Hilfe des DatenBerg Gateways können die Sensordaten dann sicher abgerufen werden. Unsere Software smartPLAZA speichert diese und visualisiert die Werte auf einem Dashboard. Ergänzend werden die Füllstanddaten einmal wöchentlich mit unserer Reportfunktion ausgewertet und der Wochenverbrauch pro Silo berechnet. Diese können mit den berechneten Verbräuchen aus dem ERP-System verglichen werden, um Ausschuss sichtbar zu machen.

Automatisches Prozessmonitoring

Wieso ein automatisches Prozessmonitoring?

Das automatische Prozessmonitoring ist relevant für die Erfüllung von Standards, wie dem IFS im Lebensmittelbereich. Dabei wird verlangt, dass die Überwachung von kritischen Parametern von einer verantwortlichen Person des Unternehmens überprüft und für einen zu definierenden Zeitraum aufbewahrt werden. Dies bedeutet, dass Überschreitungen von Grenzwerten dokumentiert und gerechtfertigt werden müssen. Das manuelle Aufbereiten von solchen Auswertungen in Tabellenkalkulationsprogrammen ist aufwändig und findet oft mit einem großen Zeitversatz zur Datenaufnahme statt. So werden Personalkapazitäten gebunden und die Daten erst angeschaut, wenn es eigentlich schon zu spät ist. Die stets ansteigende Zahl an möglichen Überwachungspunkten erschwert die manuelle Analyse weiterhin.

Was ist ein automatisches Prozessmonitoring?

Bei einem automatischen Prozessmonitoring werden die aufgenommenen Messwerte gegen hinterlegte Spezifikationsgrenzen oder Toleranzgrenzen abgeprüft. Überschreitet ein Messwert eine Grenze wird eine Aktion, wie zum Beispiel der Versand einer E-Mail oder einer SMS getriggert.

Wo kann die automatisierte Überwachung im operativen Tagesgeschäft konkret unterstützen? Hier ist ein Auszug der Möglichkeiten:

Was sind die Mehrwerte?

Anlagen in der Produktion erzeugen immer mehr Daten. Daten sind aber nicht direkt nützliche Informationen. Um von den Messwerten zu einer Entscheidung zu gelangen, bedarf es immer einer Interpretation. Fehlen den Mitarbeitern die Erfahrung oder schlicht die Zeit zur Analyse, können unerwünschte Ereignisse unentdeckt bleiben. Hier unterstützt eine automatische Anlagenüberwachung. Diese überwacht nach der Installation die Anlage rund um die Uhr und erkennt relevante Ereignisse. Die Überwachung ist auch eine Unterstützung beim Thema Transparenz, so können Fehleranalysen auf Zahlen, Daten, Fakten zurückgeführt werden.

Auch die Überwachung von Betriebsmitteln ist für die Instandhaltung möglich. Dies erspart es, vor Ort zu gehen, sondern wird nur dann alarmiert, wenn an der Anlage relevante Ereignisse auftreten.

Monitoring Möglichkeiten

In der Produktion sind typischerweise folgende Überwachungsarten relevant

Daneben können zum Beispiel Benachrichtigungen eingerichtet werden, wenn eine Nelson Rule im Messwertverlauf detektiert wird.

Welche Auffälligkeiten können erkannt werden? Trends, Anomalien, Prozesseingriffe und Toleranzüberschreitungen.

Funktion des automatischen Prozessmonitoring

In unserer Software smartPLAZA wird ein automatisches Prozessmonitoring zentral für die ganze Produktion angelegt und verwaltet. Dazu durchläuft man folgende Schritte:

  1. Selektion der zu überwachenden Messwerten: Welche Messwerte sollen überwacht werden? Gibt es Anlagenzustände die nicht überwacht werden sollen (z.B. Rüsten)?
  2. Konfiguration der Überwachungsart: Nach was für Mustern (Trends / Anomalie / Eingriffe / Toleranzgrenzen/Nelson Rules) soll überwacht werden?
  3. Konfiguration der Benachrichtigung: An wen soll die Nachricht gesendet werden (z.B. per E-Mail oder SMS)?
  4. Individuelle Benachrichtigungen: Soll dem Mitarbeiter eine Handlungsempfehlung mitgegeben werden? Dann wird diese hier hinzugefügt.
  5. Live-Schaltung: Geschafft – Ihre Anlage ist nun 24/7 automatisiert überwacht.

Bausteine für eine automatisierte Prozessüberwachung

Anwendungsfälle für eine automatisierte Prozessüberwachung

Wo kann ein automatisches Prozessmonitoring im operativen Tagesgeschäft unterstützen? Hier ist ein Auszug der Möglichkeiten: