Produktivitätssteigerungen im zweistelligen Bereich durch die Digitalisierungslösungen von Belden

Kunde

Als führender globaler Fertigungsbetrieb, der die weltweiten Initiativen zur Erfassung und Digitalisierung von Daten fördert, arbeitet dieses Unternehmen eng mit Kunden vieler Branchen zusammen. Es beschäftigt mehr als 8.000 Mitarbeiter, von Ingenieuren und Lösungsarchitekten bis zu Betriebsexperten und Maschinenbedienern.

Im Rahmen seiner Zielsetzung legt der Hersteller auch Wert auf nachhaltige Betriebsabläufe und verfolgt straffe Prozesse in der Fertigung, um Ausschuss zu vermeiden, ohne Kompromisse bei der Produktleistung oder Produktqualität einzugehen.

Herausforderungen

Zur Verbesserung der betrieblichen Effizienz und der Anlagenkapazität in einer seiner ältesten Anlagen und um den ersten Schritt in Richtung Industrie 4.0 zu machen, wollte dieser Fertigungsbetrieb Arbeitsabläufe nahezu in Echtzeit visualisieren und Daten zur Gesamtanlageneffektivität (OEE = Overall Equipment Effectiveness) sammeln. So sollte die Leistung der Maschinen analysiert und gesteigert werden.

Im Laufe der Jahre war im gesamten Fertigungsprozess ein uneinheitlicher Technologiemix bereitgestellt worden. Das brachte einzigartige Herausforderungen für die Digitalisierung mit sich. Einige Maschinen hatten SPS, andere nicht. Einige SPS waren mit dem Netzwerk verbunden, andere nicht. Siebzig Jahre alte Maschinen waren neben fabrikneuen Geräten in Betrieb, und ein Großteil der veralteten Gerätschaften der Anlage verfügte über keine Möglichkeit zur Netzwerkanbindung. Es gab auch keine Möglichkeit, den Funktionszustand alternder, aber entscheidender Komponenten, wie etwa Motoren, kontinuierlich zu erfassen. Diese Einblicke waren entscheidend, um die Ausfallzeiten der Geräte zu minimieren, vor allem, da in dieser Anlage einige der profitabelsten Produktlinien des Herstellers erzeugt werden. Es gab Schwachpunkte, es gab aber auch Chancen.

„Diese 95 Jahre alte Anlage mit veralteten Maschinen und Technologien war wie ein Museum“, erklärt Sylvia Feng, Head of Global Solutions, Teil des Kundeninnovationszentrums von Belden.

„Es kamen verschiedene SPS-Marken und Industrieprotokolle zum Einsatz, ebenso wie Maschinen und Steuerungstechnik unterschiedlicher Generationen. Dadurch wurde die Kommunikation mit allen SPS und Maschinen zur Herausforderung.“

Außerdem kam es in der gesamten Anlage zu Produktionsrückständen und Automatisierungsinseln. Die Maschinen wurden nach Erfahrungswerten betrieben, und Störungen wurden durch Versuch und Irrtum diagnostiziert, weil es keine Daten gab, auf deren Grundlage fundierte Entscheidungen getroffen werden konnten. Wenn langjährige Mitarbeiter sich der Pensionierung nähern, würde der Betrieb der Geräte noch schwieriger werden.

Die Abteilungsleiter wechselten ständig zwischen der Werkshalle und dem Büro, um anhand der Informationen vom Vortag Berichte zu erstellen. Da sie keine Einblicke in die Leistung der Betreiber und der Maschinen in Echtzeit hatten, ließ sich die tatsächliche Leistung der Fertigungslinie nur schwer erkennen bzw. auf welche Maschinen man sich konzentrieren sollte.

Das Wartungsteam hatte außerdem mit einem zeitabhängigen Wartungsplan zu kämpfen und war auch personell unterbesetzt. Das führte dazu, dass die Mitarbeiter kostbare Zeit mit der Wartung selten genutzter Anlagen verbrachten, anstatt die Prioritäten für die Wartungsaufgaben anhand der Maschinenauslastung zu setzen.

Aufgrund der unterschiedlichen in der Werkshalle verwendeten Protokolle und Eingabedaten wäre eine herstellerneutrale Lösung vorteilhaft, um entscheidende Betriebsdaten zu erfassen und zu kontextualisieren, sie in einer einzigen, einheitlichen Datenebene zusammenzuführen und Flexibilität für erweiterte Analysen zu schaffen (vor Ort oder in der Cloud).

Kollaboration und Erkenntnisgewinn

Obwohl die Leistungs- und Kapazitätsziele transparent waren, fehlte es dem Team der Anlage an innerbetrieblicher Erfahrung und Kompetenz im Bereich der Digitalisierung, um die Vision kosteneffizient zu verwirklichen. „Uns war bewusst, dass wir Unterstützung brauchten, um einen automatisierten Ansatz zum Verständnis unserer Anlagen und unserer Betriebsabläufe zu finden“, erklärt der Werksbetriebsleiter.

In der Vergangenheit hatte das Werk versucht, die Automatisierungs- und Digitalisierungskapazitäten mit stationären Lösungen zu verbessern. Diese Lösungen entsprachen nicht den Anforderungen an die IT-Infrastruktur, und das Team konnte die Investitionen nicht rechtfertigen.

„Wir hatten in der Vergangenheit Lösungen ausprobiert, diese waren aber nicht so flexibel, wie wir es wollten, und auch sehr teuer. Wir haben uns auch an einer „hausinternen Lösung“ versucht, für deren Umsetzung wir einen internen Mitarbeiter beauftragt haben. Dabei war sie zwar kostengünstig, aber nicht so stabil und ausgereift und bot nicht alle Funktionen, die wir brauchten“, erklärt der Werksbetriebsleiter. „Letztendlich versucht man, eine Lösung an das Problem anzupassen, anstatt eine maßgeschneiderte Lösung für Probleme zu finden“

Diesmal wusste man, dass eine Komplettlösung erforderlich war, von einem Expertenteam entwickelt, um die besonderen Herausforderungen zu meistern und Erkenntnisse für den optimalen Betrieb der Anlage zu erhalten.

Der Hersteller wollte keine wertvolle Zeit damit verbringen, eine Stückliste zu erstellen oder Produkte, Software und Dienstleistungen zu kommissionieren, um einen Beschluss für eine Lösung zu fassen. ​​​​​​​Stattdessen wünschte sich das Unternehmen die Unterstützung eines Experten- und Beraterteams, um gemeinsam mit ihnen: 

• die größten Herausforderungen zu ermitteln
• eine individuelle Lösung zu entwerfen und zu präsentieren 
• spezifische betriebliche Ziele zu erreichen
• Kosteneffizienz zu gewährleisten

Nachdem das Team Informationen über die Data-Engineering-Services des Customer Innovation Center von Belden erhalten hatte, wusste man, dass dies die geeignete Lösung für eine Zusammenarbeit war: eine maßgeschneiderte Digitalisierungsstrategie, die auf die spezifischen betrieblichen Ziele und KPIs des Unternehmens zugeschnitten ist und von Mitarbeitern entwickelt wurde, die über praktische Erfahrungen bei der Umwandlung veralteter Anlagen in moderne Produktionsumgebungen verfügen.

Die Lösung

Experten des Belden Customer Innovation Center leiteten einen dreistufigen Datenentwicklungsprozess ein, der mit der Ermittlung der zu erreichenden Ziele und der Erfassung des aktuellen Betriebszustands der Anlage begann. Der Betriebsleiter führte die Digital Automation Consultants durch die Anlage, um Herausforderungen zu identifizieren und Betreiber, Vorgesetzte, die Zusammenarbeit und aktuell ablaufende Prozesse zu beobachten und einen umfassenden Überblick zu gewinnen.

„Jeder Betriebsmitarbeiter meint, seinen Betrieb gut zu kennen, aber eine außerbetriebliche Perspektive von einem Team zu erhalten, das Werke digitalisiert und automatisierte Lösungen in verschiedenen Umgebungen gesehen hat, zeigt neue Wege und Verfahren auf, deren Nutzen für das Unternehmen dort niemandem bewusst war. Die Anwesenheit dieser Experten für Digitalisierung war eine aufschlussreiche Erfahrung“, erklärt der Werksbetriebsleiter. „Nach dem Rundgang hatten wir eine ganz neue Perspektive“.

Ab diesem Zeitpunkt sammelten die Digital Automation Consultants von Belden Daten über potenzielle Vorteile einer verbesserten Transparenz und Wartung, die der Werksbetriebsleiter nutzen konnte, um einen internen Geschäftsfall zu erstellen. Sie halfen dem Werk auch bei der Berechnung der voraussichtlichen Investitionsrendite in Bezug auf Kosten und Wert. Sobald die Führungsebene die überwältigenden Vorteile dieser Umstrukturierung erkannte, wurde das Projekt genehmigt und schnell realisiert.

Auf Grundlage der Informationen, die während der Analyse der Arbeitsabläufe gesammelt wurden, entwickelte das Team von Belden eine Digitalisierungslösung, um die größten Herausforderungen des Werks zu bewältigen.

„Wir haben undurchsichtige in transparente Abläufe transformiert“, erklärt Feng. „Auf diese Weise können die Betreiber und Verantwortlichen sehen, was in der Anlage vor sich geht, und auf der Grundlage von Daten, die nahezu in Echtzeit vorliegen, Prioritäten setzen und Fehler beheben.“

Durch die Lösung gewinnt das Team die Einblicke, die es für die wirtschaftlichere und effizientere Führung der Anlage benötigt. Sie schafft Transparenz hinsichtlich aller entscheidenden OEE-Kennzahlen zur Gesamtanlageneffektivität (OEE = Overall Equipment Effectiveness), wie Verfügbarkeit, Leistung und Qualität, und stellt diese Informationen von einem zentralen Ort aus abrufbar zur Verfügung. Sie liefert auch die notwendigen Daten, um Betriebsanomalien und Defekte an Geräten zu erkennen, damit sie behoben werden können, ehe es zu Ausfällen kommt.

Durch die herstellerunabhängige Lösung von Belden müssen Geräte nicht komplett ausgetauscht werden. Verschiedene Quellen vorhandener OT-Daten wurden von SPS, ERP, historischen Daten, Excel-Tabellen, HMI und CSV-Dateien gesammelt und in ein gemeinsames Format konvertiert, umgewandelt, harmonisiert und kontextbezogen dargestellt. In der gesamten Anlage wurden Sensoren bereitgestellt, um noch nicht vorhandene entscheidende Betriebsdaten zu erfassen und Leistungsfähigkeit, Verfügbarkeit und Zustand der Maschinen zu überwachen, wie etwa Vibration, Temperatur, Bemessungsstrom, Antriebskraft und andere Indikatoren.

Das Team von Belden unterstützte den Kunden durch seine Data-Engineering-Services bei der Erstellung einer gemeinsamen Datenebene, um die Visualisierung und Analyse von Daten zu ermöglichen. Das Team von Belden arbeitete mit verschiedenen Benutzergruppen zusammen, um die Benutzeroberfläche so zu gestalten, dass unterschiedliche Rollen innerhalb der Anlage unterstützt werden und verschiedene Kundenfunktionen Einblicke erhalten, mit denen sie das Tagesgeschäft optimieren können.

Die Lösung umfasst:

• Ein OEE-Dashboard zur Gesamtanlageneffektivität (OEE = Overall Equipment Effectiveness) mit Echtzeitdaten aller Gerätetypen
• Die Möglichkeit, Betriebsdaten für die Ursachenanalyse aufzuschlüsseln
• Ein vielschichtiges Analysewerkzeug für die Wartung, um tägliche Aktivitäten zu priorisieren, entscheidende Geräte zu überwachen und das Personal im Falle von Anomalien zu warnen. 

Da die Maschinen der Anlage entscheidend für den Betrieb waren und nicht aktualisiert oder ersetzt werden konnten, achtete Belden darauf, dass sie während des gesamten Digitalisierungsprozesses funktionsfähig blieben.

Anstatt während des Projektverlaufs verschiedene Anbieter zu beschäftigen, arbeitet man an diesem Standort mit nur einem zuverlässigen Partner zusammen, mit Belden und seinem Customer Innovation Center, die die Teammitglieder bei der Verbesserung der OEE-Transparenz und der Optimierung der Wartung unterstützen.

Auswirkungen und Ergebnisse

Anstatt Vermutungen anzustellen, haben Betreiber und Verantwortliche jetzt Kennzahlen zur Verfügung, die sie kontinuierlich über Verfügbarkeit, Leistung und Qualität informieren. Diese Informationen werden auch von Personen verstanden, die keine Erfahrungen mit den Geräten haben, und führen zur Ergreifung geeigneter Maßnahmen zur Steigerung der Gesamtanlageneffektivität (OEE).

Anstatt Stillstände und Ausfallzeiten von Geräten mit Stift und Papier auf einem Stundenzettel zu dokumentieren, können sich die Betreiber nun auf wertschöpfende Tätigkeiten konzentrieren und mehr Produkte erzeugen. Die Daten werden direkt an der Quelle in leicht verständlicher Form erfasst und an einer zentralen Stelle angezeigt, damit alle Beteiligten die Abläufe in Bezug auf Maschinen und Prozesse nachvollziehen können. Live OEE-Daten zur Gesamtanlageneffektivität zeigen, welche Produktionslinien gut laufen, welche Aufmerksamkeit benötigen und welche ausgefallen sind. Auch die Gründe für etwaige Ausfallzeiten sind ersichtlich. Die Genauigkeit der Daten hat sich dank der Maschinendigitalisierung verbessert.

„Diese Lösung bietet meinen Vorgesetzten und mir die Visualisierung der Wartungsdaten“, erklärt der Leiter der Wartung. „Auf dem Tablet sehen wir eine Übersicht über die komplette Anlage. Anhand der Farben erkennen wir, ob die Anlage in Betrieb ist oder ob sie ausgefallen ist. Wir können z. B. die Temperatur, die Vibrationen und die Stromaufnahme von Motoren überwachen. Wir haben viele alte Geräte, doch Belden riet uns nicht, alles zu erneuern. Sie haben einen anderen Zugang zu den Daten gefunden.“

Vorausschauende Wartung ist die neue Realität dieser Anlage. Anstatt einem Zeitplan zu folgen, kann das Personal die wichtigsten Maßnahmen auf Grundlage von Daten zum Zustand entscheidender Ressourcen, wie z. B. Motoren, nahezu in Echtzeit ergreifen. Betreiber merken sofort, wenn sich ein bestimmter Parameter (Vibration, Temperatur, Bemessungsstrom, Speisung usw.) ungewöhnlich verhält. Ist dies der Fall, wird die Meldung per Textnachricht und E-Mail an das Wartungsteam gesendet, damit das Problem sofort behoben werden kann, noch ehe es zu einem Ausfall kommt. Dies hilft dem Team, Prioritäten bei der Ressourcenzuweisung und den Wartungsaktivitäten zu setzen, damit die Anlage weniger ungeplante Ausfallzeiten aufweist.

Dank der von Belden entwickelten Datentechnik ist die Anlage nun zukunftsfähig. Die neu bereitgestellte Infrastruktur für das OT-Netzwerk und die Datenerfassung kann künftige Initiativen der Industrie 4.0 und der intelligenten Fertigung unterstützen, wie z. B. digitale Zwillinge, künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen sowie die Bereitstellung von 5G.

Als Ergebnis der Arbeit von Belden konnte die Anlage Produktivitätssteigerungen im zweistelligen Bereich erzielen, wobei die Einsparungen nach vorsichtigen Schätzungen bei mindestens einer halben Million Dollar pro Jahr liegen.

„Wenn die Anlage ihre Kapazität wie geplant steigern kann, bedeutet das zusätzliche Einnahmen in Höhe von 1 Millionen USD. Wie schätzen die Amortisationszeit für dieses Projekt auf etwa 1,25 Jahre“, erklärt Feng.