Industrie 4.0 – Van de visie tot realiteit

Gemengde realiteit in intelligente bedienconcepten. (Foto: OPTIMA packaging group GmbH) / Gemengde realiteit in slimme bedieningsconcepten. (Foto: OPTIMA packaging group GmbH)

Condition Monitoring levert informatie over individuele machines of volledige lijnen in realtime. Op basis van vooraf gedefinieerde alarm- en foutgrenzen kunnen afwijkingen vroegtijdig worden gedetecteerd en verholpen. (Foto: Bosch Packaging Technology) / Condition monitoring levert informatie over de individuele machines of volledige lijnen in realtime. Op basis van vooraf gedefinieerde alarm- en foutgrenzen kunnen afwijkingen vroegtijdig worden opgespoord en verholpen. (Foto: Bosch Packaging Technology)

De digitale transformatie richting verbonden productieomgevingen in het kader van Industrie 4.0 (I4.0) of het Internet der Dingen (Internet of Things, IoT) krijgt steeds meer vaart. Talrijke toepassingen uit de sectoren product- en procesbewaking, etiketteringstechnologie, verpakking, logistiek, evenals onderhoud en service tonen al vandaag de dag het optimalisatiepotentieel dat in deze verandering naar het Internet der Dingen schuilt.

Het gaat hierbij om sensoren, RFID-chips (Radio Frequency Identification), apparaten, machines en installaties. Deze moeten in de toekomst niet alleen zelfstandig continu informatie leveren over alle belangrijke proces- en systeemtoestanden, maar via het internet ook onderling communiceren en zonder menselijke tussenkomst corrigerend en optimaliserend ingrijpen in productieprocessen. De basis voor deze communicatie via het internet is het Internet Protocol (IP) met zijn eenduidig identificeerbare IP-adressen. Het oude internetprotocol IPv4 kon echter slechts een adressenruimte van bijna 4,3 miljard IP-adressen bieden – en deze waren al begin 2012 allemaal toegewezen – aan pc's, notebooks, tablets en mobiele telefoons. Daarom is de nieuwe standaard IPv6 ontwikkeld, die een adressenruimte van 3,4 x 10^38 IP-adressen omvat. Adrestekort is dus niet meer te vrezen. De overstap naar IPv6 is nog volop gaande. De uitdagingen liggen dus minder bij de dingen zelf en hun adressen, dan bij de datastroom die zij veroorzaken wanneer op een dag miljarden sensoren telkens duizenden gegevens per seconde naar hoofdcomputers sturen. Deze gegevens moeten in realtime worden geanalyseerd voor visualisaties en simulaties en worden opgeslagen voor documentatiedoeleinden (traceerbaarheid).

In het Internet der Dingen draait het dus vooral om data. Precies – om de uit deze data gewonnen informatie. En dat is het domein van software en algoritmen. Wat hiermee vandaag al mogelijk is, is reden genoeg om de transformatie actief te stimuleren. De volgende voorbeelden tonen toepassingen die zich al op korte termijn terugbetalen.

Paradigmaverschuiving in onderhoud

Schade aan lagers, tandwielen, pompen of vul- en doseerinrichtingen treedt in de praktijk niet plotseling op, maar kondigt zich lang voor het ontstaan van schade aan door ongebruikelijke vibraties en temperatuursafwijkingen of gewijzigde stroomopname, drukval en dergelijke. Deze afwijkingen, die door sensoren in het kader van condition monitoring worden gedetecteerd, kunnen vandaag dankzij hoogcomplexe analyse- en simulatieprogramma's in realtime worden geëvalueerd, gevisualiseerd en in procestechnische verbanden worden gebracht. Op basis van deze informatie kunnen machine- en installatiebeheerders doelgericht, maar vooral ook op afstand, ingrijpen via remote control. Bijvoorbeeld om de installaties altijd binnen het optimale bereik te laten werken, programmaverschuivingen door te voeren of nieuwe toepassings- en besturingsprogramma's te installeren. Verder kunnen op basis van de simulatie-uitkomsten nauwkeurige voorspellingen worden gedaan over de nog te verwachten resterende levensduur van kritische machineonderdelen, wat de onderhoudsstrategie volledig nieuwe perspectieven geeft.

Hierbij wordt de overstap gemaakt van reactief en preventief onderhoud met hun periodieke vervangingsintervallen van componenten naar voorspellend, nauwkeurig planbaar onderhoud – predictive maintenance. De voordelen zijn een hogere beschikbaarheid van machines en installaties, aanzienlijk lagere uitvalrisico's, hogere operationele en productiezekerheid en duidelijk lagere onderhoudskosten.

Predictive maintenance is bovendien een belangrijk element op het gebied van duurzaamheid. Bij periodieke vervanging van onderdelen was men altijd zeker van de werking, maar werd kostbare resterende levensduur van dure onderdelen verspild omdat er geen nauwkeurige gedragsgegevens beschikbaar waren. Tegenwoordig is de kennis over materiaalgedrag, langdurige belasting onder wisselbelasting en dergelijke veel verder ontwikkeld dan 10 of zelfs 20 jaar geleden. Een ander aspect zijn de tegenwoordig beschikbare, aanzienlijk hogere rekenkracht en intelligentere analyse-, FEM- (Finite Element Method) en simulatieprogramma's. Hiermee kunnen de te verwachten resterende looptijden met hoge precisie worden bepaald en voorspeld – en van deze kennis profiteert predictive maintenance.

Chatten met machines

De toenemende kracht, flexibiliteit en intelligentie van machines en installaties leiden tot steeds complexere systemen, wat de hoogste eisen stelt aan de ontwikkeling van bedieningsconcepten voor mens-machine interfaces (HMI, Human Machine Interface). Hardwarematig zijn HMIs end devices met touchscreen-functionaliteiten, zoals de meeste mensen kennen van hun smartphones of tablets. Zo kunnen gebruikers bij het leren omgaan met machines en installaties voortbouwen op bekende kennis, wat motiveert en de inwerktijd aanzienlijk verkort.

Een centraal aspect bij de ontwikkeling van bedieningsinterfaces is dat machines steeds vaker veilig kunnen worden bediend door mensen zonder specifieke beroepsopleiding en vaak ook met onvoldoende taalvaardigheden. Om bedieningsfouten te voorkomen, vertrouwen ontwikkelaars van interfaces daarom op intuïtief te herkenbare grafische elementen in plaats van taal. Ook in opkomst zijn fotorealistische 3D-CAD-visualisaties van machines, installaties en componenten. Verder moet een HMI voldoen aan de eisen van verschillende gebruikers, afhankelijk van hun kwalificaties en bevoegdheden. Machinestuurders krijgen andere bedieningsinterfaces te zien dan bijvoorbeeld ploegleiders, onderhoudsmonteurs of productieleiders. Zo ziet elke gebruiker alleen de gegevens die relevant zijn voor zijn taken en situatie. Bovendien worden de informatie tot het essentiële beperkt, wat zorgt voor een overzichtelijke presentatie en een directe blik op de belangrijkste machine- en productiegegevens.

Mobiliteit en doorlopende toegang zijn andere kenmerken van moderne HMIs. De trend gaat naar mobiele eindapparaten, waarmee het controleren en bedienen van machines en installaties, afhankelijk van de bevoegdheden van de gebruiker, overal en altijd mogelijk is. Dit bespaart vooral tijd en reiskosten bij service en onderhoud.

Werken in virtuele werelden

Weinig onderwerpen krijgen momenteel in verband met het Internet der Dingen zoveel aandacht als de virtuele of digitale tweeling. De technische basis bestaat uit krachtige 3D-CAD-, simulatie- en analyseprogramma's, evenals virtuele 1:1-kopieën van echte besturingsprogramma's van machines en installaties. Op basis van dergelijke software-werkzaamheden wordt het volledige productieproces inclusief componenten, machines, installaties en hun besturingen weergegeven als een virtueel model – en dat met alle fysische gegevens die nodig zijn voor de simulaties. Daarnaast biedt het de mogelijkheid tot offline programmeren. Dit alles maakt de virtuele tweeling tot een universeel instrument voor ontwikkelaars, operators en onderhoudsmonteurs.

Dankzij realistische simulaties kunnen tijdens de ontwikkelingsfase al constructiefouten of zwakke punten in het ontwerp worden herkend en verholpen, zonder dat er een echt onderdeel hoeft te worden geproduceerd. Dit geldt ook voor het programmeren en optimaliseren van besturingssystemen.

Een van de belangrijkste toepassingen is de virtuele inbedrijfstelling. Deze is niet alleen een virtuele proefrun, maar dient ook om medewerkers die verantwoordelijk zijn voor de installatie gericht vertrouwd te maken met de eigenschappen en mogelijkheden van het systeem. Met andere woorden: de digitale tweeling is de vlucht-simulator voor industriële processen, machines en installaties. De virtuele voorbereiding van de echte inbedrijfstelling betaalt zich dubbel en dwars uit. Als er nog fouten in het systeem of het bedieningsconcept zitten, kunnen deze vooraf worden verholpen zonder dat echte onderdelen schade oplopen. Offline programmeren stelt productieleiders bovendien in staat om tijdens de productie virtueel wijzigingen aan het systeem door te voeren en de effecten op de doorlooptijden te bepalen of verschillende bedrijfsmodi te testen. De belangrijkste factor is echter dat in de virtuele tweeling de ervaringskennis van vele specialisten is gebundeld, die later ook in andere projecten kan worden gebruikt.

Samengevat kunnen machinebouwers en gebruikers dankzij de verfijnde simulaties een significante verkorting van projectlooptijden, snellere inbedrijfstellingen en duidelijke efficiëntievoordelen bij de ontwikkeling van vergelijkbare installaties en processen realiseren. Dit bespaart niet alleen tijd, maar vooral middelen, energie en mankracht.

Gestandaardiseerde interfaces zijn een must

Standaardisatie blijft een grote uitdaging, omdat de meeste machinefabrikanten nog steeds hun eigen interfaces hebben. Maar integratie is het kernkenmerk van het Internet der Dingen. En deze integratie vereist vooral doorlopende gegevens- en informatie-uitwisseling tussen machines – zowel verticaal als horizontaal. En dat vereist open standaardprotocollen. De trend gaat daarom naar open source oplossingen, omdat deze als niet-proprietaire systemen een hoge investeringszekerheid en onafhankelijkheid bieden. Een voorbeeld hiervan is de OPC Unified Architecture (OPC UA), een pakket specificaties voor het koppelen van machines van verschillende fabrikanten. OPC UA zorgt voor veiligheid door middel van authenticatie en autorisatie, encryptie en gegevensintegriteit.

Hiermee is OPC UA ideaal voor een veilige, betrouwbare en fabrikantneutrale overdracht van ruwe gegevens en voorverwerkte informatie van de productievloer naar hogere productiesystemen of ERP-systemen.

Ook oude installaties kunnen 4.0

Veel oudere machines, installaties, motoren en compressoren zijn niet uitgerust met de sensortechnologie en communicatie-infrastructuur die nodig is voor Industrie 4.0 – soms ook niet voor het functioneren in verbonden systemen. Maar dat betekent niet dat deze installaties daardoor overbodig worden in het kader van de digitale transformatie. Hier kunnen, als instapoplossing in Industrie 4.0, slimme sensoren worden aangebracht. Deze meten regelmatig belangrijke toestandparameters van machines en installaties en sturen de gegevens draadloos via een geïntegreerde communicatie-interface naar de analyse- en visualisatietools of de smartphones of tablets van medewerkers. Met deze en andere eenvoudige methoden kunnen bedrijven kosteneffectief de wereld van Industrie 4.0 betreden en profiteren van minder stilstand, langere machine-uren, lager stroomverbruik en dergelijke.

Voor de interpack 2017 organiseert de vakvereniging Voedingsmiddelenmachines en Verpakkingsmachines in VDMA een speciale tentoonstelling over Industrie 4.0. Deze toont als technologische lounge op de VDMA-stand toepassingsvoorbeelden van oplossingen uit de sector verpakkingsmachines en procestechnologie, die nieuwe mogelijkheden bieden op het gebied van veiligheid, traceerbaarheid, kopie- of plagiaatbescherming en gepersonaliseerde verpakkingen.