Verbesserung der Transparenz und Erschließung von Betriebsdaten zur Steigerung der Effizienz

 

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Kunde

Als führender Hersteller, der Daten- und Digitalisierungsinitiativen auf der ganzen Welt unterstützt, arbeitet Belden mit Kunden in einer Vielzahl von Märkten zusammen, um sie bei der Modernisierung und Transformation ihrer unternehmenskritischen Infrastruktur zu unterstützen.

 

Das Unternehmen beschäftigt mehr als 8.000 Mitarbeiter und verfügt über Produktionsstätten in mehreren Ländern, darunter ein großes Werk mit 1960 Jahren in Kanada. Um mit der Nachfrage Schritt zu halten, verwendet die Anlage eine Mischung aus neuen und älteren Geräten, um mehr als 50 Produktionsanlagen in mehreren Fertigungszellen zu schaffen.

 

​​​​​​​Die Herausforderung

Jede Anlage, die ihre Produktivität und Effizienz verbessern will, muss zunächst ihre aktuelle Leistung messen. In der heutigen Welt müssen diese Metriken nicht nur gemessen, sondern auch nahezu in Echtzeit verfolgt werden.

 

Diese kanadische Anlage funktionierte immer noch wie vor 30+ Jahren. Viele Prozesse und Datenpunkte wurden auf Papier dokumentiert, mit großen Lücken an fehlenden Informationen – insbesondere in Bezug auf Nachtschichten am Wochenende. Wenn Ingenieure oder Maschinenbediener Fehler beheben mussten, war es schwierig, Probleme zu identifizieren und zu lösen.

 

Da die Werksmitarbeiter keinen Einblick in wichtige Kennzahlen wie Betriebszeit oder Ausschuss hatten, konnten sie nicht feststellen, wie gut die Anlage funktionierte oder wo Verbesserungen vorgenommen werden sollten. Die Mitarbeiter mussten jede Maschine einzeln durchforsten, um geeignete Leistungsdatenpunkte zu identifizieren und zu extrahieren. Mit verschiedenen Maschinen, auf denen unterschiedliche Produkte ausgeführt wurden – jede mit ihren eigenen Einstellungen und Geschwindigkeitsanforderungen – gab es viele Informationen zu sortieren. Und ohne Kontextualisierung waren die meisten dieser Zahlen nutzloses Rauschen.

 

Über einen Zeitraum von fast vier Jahren stellte das lokale Engineering-Team ein Netzwerk mit gemischten Anbietern zusammen, um ihre OT-Systeme zu unterstützen und eine grundlegende Überwachung zu implementieren. Dies ermöglichte es den Support- und Managementteams des Werks, kritische Lücken zu identifizieren und die Vorteile eines breiter integrierten Ansatzes zu definieren. Mit minimaler Unterstützung stieß die Möglichkeiten dieser selbst entwickelten Lösung für Belden jedoch an Grenzen.

 

Erstens fehlte es dem Netzwerk an Redundanz und es war bekannt, dass es unzuverlässig war. OT-Systeme haben unterschiedliche Prioritäten in ihren Kommunikationsnetzwerken, was sie komplexer machen kann. In der Vergangenheit hatte eine relativ einfache Geräteinstallation das gesamte Netzwerk lahmgelegt.

 

Die mangelnde Standardisierung des Netzwerks erschwerte auch die Unterstützung. Wenn etwas schief ging, war es manchmal einfacher, von vorne anzufangen und etwas Neues zu erstellen, als mehrere Versionen von Komponenten zu beheben. Ein Mangel an verfügbaren Ports machte Dichteerhöhungen und Erweiterungen schwierig, wenn nicht unmöglich.

 

Aufgrund der Diskrepanz zwischen den IT-Richtlinien von Belden und den Anforderungen der OT-Systeme konnte das OT-Netzwerk nicht in das Unternehmensnetzwerk des Unternehmens integriert werden. Kritische Daten von Maschinen in der Fabrikhalle konnten nicht mit dem Büro geteilt werden – und umgekehrt.

 

In dem Bestreben, die Prozesse zu verbessern und die Gesamtanlageneffektivität (OEE) zu verfolgen, beauftragte das Engineering-Team einen seiner Elektroingenieure mit der Untersuchung von SCADA-Softwareoptionen und der Durchführung von Pilotprojekten, um zu testen, wie die Lücke zwischen IT und OT geschlossen werden kann.

 

Entdeckung

Das Engineering-Team der Anlage war sich ihrer Grenzen und Möglichkeiten bewusst. Sie hatten ein starkes Gespür dafür, was sie erreichen wollten, zusammen mit Konzeptnachweisen und Ideen, um ihre Träume zum Leben zu erwecken.

 

Da sie bereits über ein starkes Fundament verfügten, mussten sie nicht bei Null anfangen. Sie brauchten Hilfe bei der Entwicklung und Implementierung einer Lösung, die auf ihre Arbeitsweise, die Anforderungen der IT, die bisher erreichten Ergebnisse und die zukünftigen Ziele zugeschnitten war.

 

Das Belden-Werk entschied sich, die eigenen internen Ressourcen und Kapazitäten in den Customer Innovation Centers (CICs) des Unternehmens zu nutzen. Diese Zentren dienen als Orte der gemeinsamen Innovation, an denen die CIC-Experten von Belden eng mit den Kunden zusammenarbeiten, um Lösungen zu entwickeln, zu testen und zu validieren, die die besonderen Herausforderungen der digitalen Transformation bewältigen. Diesmal würde das CIC-Team daran arbeiten, Probleme zu lösen, die im eigenen Unternehmen existierten.

 

In der Regel führen CIC-Experten Netzwerkbewertungen oder digitale Reifegradbewertungen durch, um betriebliche Arbeitsabläufe besser zu verstehen, Herausforderungen zu identifizieren und Chancen aufzudecken. Auf dieser Grundlage werden Lösungsentwürfe erstellt, getestet und bereitgestellt, gefolgt von maßgeschneiderten Schulungen, um Unternehmen bei der Verwaltung ihrer neuen Netzwerke zu unterstützen.

 

In diesem Fall hatte das Engineering-Team der Anlage jedoch bereits den Grundstein gelegt, wodurch der Bedarf an zusätzlichen Bewertungen minimiert wurde. Sie brauchten Unterstützung, um das zu erreichen, was sie alleine nicht geschafft hatten.

 

Die erfahrenen CIC-Experten von Belden gaben Empfehlungen zum Hardware- und Netzwerkdesign/-layout ab, um Redundanz und Geschwindigkeit zu verbessern. Sie fungierten auch als Vermittler zwischen OT und IT, um sicherzustellen, dass die Anforderungen beider Parteien an die IT-OT-Konvergenz erfüllt wurden.

 

"Die Einhaltung der IT-Compliance war eine echte Herausforderung", sagt Thomas Coupland, OT-Netzwerkspezialist im Werk Cobourg. "Wir wussten, dass wir die IT als Partner an Bord holen mussten, aber wir wussten nicht, wie wir das umsetzen sollten. Hier kamen Experten des CIC ins Spiel, um uns dabei zu helfen, die Lücke zwischen unseren OT- und IT-Teams zu schließen."

 

Die Lösung

Eine komplette Neugestaltung des Netzwerks und eine Hardware-Transformation mit Upgrades auf Managed Switches, Next-Generation-Firewalls und NAT-Gateways (Network Address Translation) sowie die Erstellung redundanter Verbindungen ermöglichten dem Engineering-Team ein zuverlässiges OT-Netzwerk, das den IT-Standards entspricht. Schließlich konnte das OT-Netzwerk von Belden in das Unternehmensnetzwerk von Belden integriert werden, wodurch ein wichtiger Stolperstein auf dem Weg der digitalen Transformation des Unternehmens beseitigt und die Widerstandsfähigkeit des Netzwerks verbessert wurde.

 

Technische Trainer des CIC waren während der gesamten Planungsphase des Projekts vor Ort. Ein Lösungsingenieur war ebenfalls vor Ort, um die Implementierung zu unterstützen, einschließlich der mehreren hundert Netzwerkinfrastrukturknoten und Endgeräte, die während des jährlichen fünftägigen Abschaltfensters der Anlage online genommen wurden.

 

Die vom CIC entwickelte Lösung der Anlage umfasste viele Komponenten und vereint verschiedene Datenquellen, um Informationen zugänglicher und verwertbarer zu machen.

 

Ein Netzwerk, das Single Points of Failure eliminiert

Ursprünglich bestand das isolierte OT-Netzwerk der Anlage aus einem zentralen Switch pro Produktionsbereich oder "Flow" sowie einem Switch im Serverraum. Da nichts integriert war, waren viele zusätzliche Ethernet-Läufe erforderlich, wodurch wertvolle Wartungszeit verschwendet wurde.

 

Das neue Netzwerkdesign ist eine Ringtopologie, die die Isolierung innerhalb von drei separaten Unterringen unterstützt, um Netzwerkredundanz zu schaffen. Mit diesem Layout können mehrere Verbindungen ausfallen, ohne die Produktion zu unterbrechen, um die Verfügbarkeit zu gewährleisten.

 

Jetzt kann das Netzwerk eine sichere, zuverlässige Verbindung aufrechterhalten, ohne dass sich das OT-Team um defekte Verbindungen, Änderungen der Netzwerktopologie oder volatile Netzwerkbedingungen (z. B. Nutzungsspitzen) kümmern muss. 

 

Ein Fundament für Industrie 4.0-Initiativen

Das Netzwerk-Upgrade unterstützt die Verbindung von 450+ Geräten, mit der Möglichkeit, in Zukunft 100+ weitere zu unterstützen. Allein im nächsten Jahr sollen weitere sechs Produktionslinien hinzukommen.

 

Das Engineering-Team ist nun in der Lage, Industrie 4.0-Initiativen voranzutreiben, wie z. B. den Einsatz von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, um eine vorausschauende Wartung zu ermöglichen. Diese Wartungstaktik optimiert die Ausrüstung und erkennt potenzielle Probleme, bevor sie auftreten.

 

Anstatt sich darauf zu verlassen, dass Bediener wichtige Informationen für die spätere Transkription aufschreiben oder Informationen manuell in eine HMI (Mensch-Maschine-Schnittstelle) eingeben, arbeitet das Team bereits an der Einführung von HMIs der nächsten Generation, die automatisch die erforderlichen Informationen aus Mitarbeiter- und Produktionsplänen sowie Auftragserfassungssystemen abrufen.

 

Das OT-Team hat nun die Freiheit und Flexibilität, Daten nahezu in Echtzeit lokal sicher zu verarbeiten und zu speichern, damit die Ausrüstung und die Bediener der Anlage besser auf sich ändernde Bedingungen reagieren können. 

 

Ein sichereres Arbeitsumfeld

Im Rahmen der IT-OT-Netzwerkintegration mussten die Netzwerkadressen der Produktionsanlagen auf ein neues Schema migriert werden, das mit dem von der IT-Abteilung definierten Unternehmensbereich kompatibel war. Um die Anforderungen zu erfüllen, überarbeiteten die Ingenieure jedes Gerät in jeder Produktionslinie, einschließlich der Sicherheitsvorrichtungen. Dies erforderte einen erheblichen manuellen Aufwand für das Engineering-Team, da es Tausende von Logikzeilen überprüfte, um sicherzustellen, dass die Sicherheit von Bedienern und Anlagen gewährleistet war.

 

Nach Gesprächen mit dem Engineering-Team identifizierte das CIC jedoch eine Problemumgehung, um die Risiken zu vermeiden, die mit der Neuadressierung von Sicherheitsgeräten verbunden sind: Ein NAT-Gateway wurde zwischen den Backbone-Switches des OT-Netzwerks und den Netzwerken auf Maschinenebene platziert. Dieses Gateway ermöglicht die Zuordnung von IP-Adressen zwischen den Netzwerksegmenten, auch wenn die ursprünglichen Adressen an anderer Stelle im Netzwerk verwendet werden.

 

Fernzugriff auf kritische Systeme

Zum ersten Mal hat dieses Belden-Werk Zugriff auf Prozesswasserkompressoren und Heizsysteme, um von überall im Werk vollständige Transparenz und Kontrolle zu erhalten.

 

Mitarbeiter können diese kritischen Systeme aus der Ferne überwachen, um die Leistung zu verfolgen, Probleme frühzeitig zu erkennen und zu beheben und Einstellungen von überall aus anzupassen. Dies steigert die betriebliche Effizienz und reduziert die Notwendigkeit, dass Fehlersuche und Problemlösung ausschließlich in der Fabrikhalle stattfinden.

 

Bildung, um den zukünftigen Erfolg zu sichern

Um das Engineering-Team der Anlage bei der Verwaltung ihres Netzwerks zu unterstützen, hat das CIC maßgeschneiderte Schulungen entwickelt, die sich auf das Layout sowie die verwendeten Geräte und Software konzentrieren. Dies bietet dem Team die Möglichkeit, Qualifikationslücken zu schließen und zu lernen, sein neues System zu optimieren.

 

Die Konsolidierung auf einen einzigen Anbieter und einige spezifische Modelle erleichtert dem Team auch die Wartung des Netzwerks mit minimalem Aufwand.

 

"Diese Lösungen stellen sicher, dass unsere Kunden nicht nur heute Leistungsverbesserungen erhalten", sagt Mike Fisher, Solution Architecture Manager bei Belden, "sondern auch für den zukünftigen Erfolg gerüstet sind, wenn Technologien weiterentwickelt werden und neue Möglichkeiten eröffnen."

 

Ein gesichertes Netzwerk

Zuvor waren die IT- und OT-Umgebungen der Anlage getrennt, aber sie wurden am selben Schreibtisch betrieben – einem Computer neben einem Computer. Wenn die Netzwerkbuchse verschoben wurde, wurde die Trennung nicht immer eingehalten.

 

Mit einem neuen konvergenten IT-OT-Netzwerk werden angeschlossene Geräte jetzt ordnungsgemäß verwaltet und gesichert. 

 

Die Ergebnisse

Obwohl sich die Zeitersparnis und Effizienzsteigerungen in den nächsten Jahren nur verbessern werden, verzeichnet das Werk bereits erhebliche Kosteneinsparungen: Fast ein Viertel der gesamten Projektausgaben hat sich bereits in weniger als einem Jahr amortisiert.

 

Darüber hinaus hat die Anlage die Gesamtanlageneffektivität um 5 % verbessert, was zu erwarteten jährlichen Einsparungen von 735.000 CAD (oder fast 550.000 USD) geführt hat. Auch der Zeitaufwand für den Einsatz und die Inbetriebnahme neuer Maschinen soll um vier bis acht Stunden pro Maschine sinken. Wenn neue Assets erstellt werden, werden sie mit den richtigen IP-Adressen vorinstalliert, um einen Plug-and-Play-Ansatz zu ermöglichen.

 

Schnellere Fehlersuche und Diagnose

Probleme, deren Lokalisierung und Diagnose früher Wochen dauerte, dauern jetzt einige Stunden. Mit der Netzwerkmanagement-Software Industrial HiVision von Hirschmann und der Belden Horizon-Plattform™ kann die werksweite Produktion jetzt 24/7 überwacht werden. Im Falle einer Unterbrechung der Verbindung werden die Techniker sofort darüber informiert, was passiert und welche Leitungen betroffen sind.

 

Wenn eine Produktionslinie ein Problem hat, müssen die Bediener nicht mehr einen Vorgesetzten anrufen, der ein Wartungsticket erstellt. Stattdessen drücken sie einfach einen Knopf auf ihrer HMI, um ein automatisiertes Wartungsticket zu generieren, das gleichzeitig einen Vorgesetzten über das Problem informiert.

 

Automatisiertes Batching von Bestellungen

Alle Aufträge aus dem ERP sind für jede Produktionslinie zugänglich. Das Betriebsteam kann Informationen zu Shop-Bestellungen, Produktspezifikationen, Materialanforderungen und Rezepten anzeigen und darauf zugreifen.

 

Wenn der Vertrieb einen Auftrag eingeht, wird er sofort im System angezeigt, sodass die Bestellungen nicht mehr manuell für die Stapelverarbeitung kombiniert werden müssen. Das System bündelt den Auftrag ohne manuellen Eingriff und schiebt ihn an die richtige Maschine. Die Laufzeitinformationen können auf der Grundlage von Rezepten angepasst werden. Diese Konnektivität ermöglicht auch Innovationen wie die automatisierte Materialbestellung für eine schnellere Produktion.

 

Neue Maßstäbe bei der betrieblichen Transparenz

Ein neues Netzwerklayout und eine verbesserte Konnektivität bieten dem Engineering-Team und anderen Mitarbeitern der Anlage Einblick in die benötigten Daten. Die Bediener können ihre Leistung in Echtzeit sehen, Ingenieure können die Produktionsprozesse überwachen und optimieren, und der Vice President of Production kann aus der Ferne einchecken, um zu sehen, wie die Anlage läuft.

 

Wenn Betreiber neue oder andere KPIs sehen möchten, um die Leistung zu messen oder die Effizienz einer Änderung zu bewerten, kann das Engineering-Team innerhalb von Minuten Änderungen vornehmen. Um die Zusammenarbeit und Diskussion in der Fertigung zu fördern, wird auf einem großen Touchscreen ein KPI-Dashboard angezeigt, mit dem jeder im Vorbeigehen interagieren kann.

 

Dieses neu gewonnene Maß an Transparenz ermöglicht es dem Unternehmen, Verbesserungen von oben nach unten vorzunehmen. Beispielsweise wurde festgestellt, dass ein einzelner Betreiber mit 60 % bis 70 % der erwarteten Rate arbeitet. Nach dem Coaching stieg diese Zahl jedoch auf durchschnittlich 95%. Dies entspricht zusätzlichen 7,000 US-Dollar pro Schicht für eine einzelne Produktionslinie. Mit diesen Änderungen wird Belden weiterhin Leistungsverbesserungen erzielen, die Zeit und Kosten optimieren.