Industrial Internet of Things: Monitoring als Einstieg in die Digitalisierung

Heizungen via App steuern, Smart-Watches mit eingebautem Pulsmesser oder vernetzte Autos – alles bekannte Beispiele für inzwischen gängige Internet of Things-Anwendungen (IoT) im Consumer-Bereich. Während hier ständig neue Anwendungen der breiten Öffentlichkeit präsentiert werden, findet eine andere digitale Revolution in tausenden Fabrikhallen, Industrieeinrichtungen und Fertigungsstätten rund um die Welt statt – zwar deutlich stiller, aber kaum weniger disruptiv.

Selbstlernende Produktionsabläufe, mitdenkende Logistiksysteme oder sich selbst regelnde Anlagen: Was mitunter nach Science Fiction klingt, ist vielerorts angewandte Realität. In sogenannten „Smart Factories“ steuern schon heute intelligente Systeme ganze Produktions-Straßen. Aber Smart Factory-Prinzipien findet man nicht nur beispielsweise in der Fertigung von Kraftfahrzeugen, sondern auch in vielen anderen Bereichen der industriellen Produktion, der Logistik, der chemischen Industrie und des Prototypings. Selbst in der Landwirtschaft nimmt die Digitalisierung deutlich zu, Stichwort „Smart Farming“.

Die Ziele einer solchen smarten Fertigung liegen auf der Hand: Steigerung betrieblicher Effizienz, Kostensenkungen, Flexibilisierung und die Fähigkeit, schnell und individuell auf sich wandelnde Kundenansprüche, Nachfrageschwankungen und äußerliche Rahmenbedingungen reagieren zu können. Richtig eingesetzt, stärkt eine solche Fertigung Wachstum, Wettbewerbsfähigkeit und Zukunftsfähigkeit des Unternehmens.

Warum viele Unternehmen beim Einstieg noch zögern

Angesichts der offensichtlichen Vorteile: Warum laufen nicht bereits viel mehr Anlagen in Deutschland „smart“? Eine Studie des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau1 (VDMA) zeigt:

„Während viele Großunternehmen die Potenziale und Risiken der Digitalisierung für ihr jeweiliges Geschäftsmodell bereits zu nutzen versuchen und Innovationsprozesse eingeleitet haben, tun sich mittelständische Unternehmen noch schwer. Die Ursachen dafür sind vielschichtig und liegen zum Teil in Unsicherheiten hinsichtlich der Umsetzungsstrategien begründet. Weiterhin gibt es Bedenken bezüglich der Kosten und Risiken der Investitionen und der zu erwartenden Nutzenpotenziale.“

Mit anderen Worten: Die Fragen, die sich viele mittelständische Unternehmen stellen und die sie zögern lassen, sind nachvollziehbar:

• Wie kann mein Unternehmen von der Digitalisierung profitieren und welche Kosten sind damit verbunden?
• Wie kann ein einfacher Einstieg in die Digitalisierung gelingen und welche Maßnahmen müssen ergriffen werden?

Doch gerade in mittelständischen Unternehmen schlummert beim Thema Digitalisierung das größte Potenzial: Über 90 % aller Unternehmen in Deutschland sind Mittelständler, sie erwirtschaften mehr als die Hälfte der Wertschöpfung und stellen fast 60 % aller Arbeitsplätze.2 Und nicht nur die Privatwirtschaft ist gefordert – auch Kommunen können profitieren.

Viele dieser mittelständischen Unternehmen erhoffen sich von der Digitalisierung vereinfachte Arbeitsabläufe, Umsatzwachstum sowie Produkt- und Dienstleistungsinnovationen. Doch beim Digitalisierungsgrad ist noch viel Luft nach oben. So verorten sich Deutschlands Mittelständler gefragt nach ihrem Digitalisierungsgrad auf einer Skala von eins (sehr gering) bis fünf (sehr hoch) insgesamt in der Mitte bei drei.3

Muss ein Pumpwerk „smart“ sein?
In welchen Bereichen ist Digitalisierung sinnvoll?

Das störungsfreie Handling von Flüssigkeiten ist ein gutes Beispiel für einen Teilbereich in der Industrie, bei dem die Einstiegshürden in die Digitalisierung sehr niedrig, die Potenziale für daraus resultierende Vorteile aber dafür umso größer sind.

Denn gerade Pumpen in ihren verschiedensten Anwendungen bilden häufig das Rückgrat vieler industrieller Prozesse: Ganz gleich, ob sie in Primärprozessen direkt in die Produktion eingebunden sind (z. B. in der Nahrungsmittelindustrie bei Getränke- oder Molkereiproduktherstellern, in der Pharmaindustrie, etc.) oder in Sekundäranwendungen (z. B. als Wärmeträgerpumpen, Wasser- oder Chemiepumpen, in Kühlkreisläufen, etc.) – Pumpen gehören häufig zu den systemkritischen Komponenten, bei denen ein Ausfall schnell massive Folgen haben kann.

Aber nicht nur in klassischen Produktionsprozessen spielen Pumpen eine entscheidende Rolle. Auch in den Bereichen Gebäudetechnik (Wasserversorgung, Entwässerung, Heizung/Klima/Lüftung), in der Energietechnik (Kraftwerke) sowie in der kommunalen Wasser- und Abwassertechnik sind funktionierende Pumpen absolut unverzichtbar. Auch hier können Störungen reibungslose Abläufe empfindlich stören und zu gravierenden Problemen führen.

In vielen Anwendungen trägt die Digitalisierung maßgeblich dazu bei, dass:

• die Ausfallsicherheit gesteigert wird
• über eine intelligente Auswertung der Betriebs- und Zustandsdaten Wartungskosten eingespart werden können
• die Effizienz erhöht wird.

Doch wie kann das konkret funktionieren?

Smarter Einstieg in die Digitalisierung: Das Grundgerüst bilden Sensoren

Eine selbst denkende, sich selbst lenkende, nahezu vollautomatisierte und maximal performante Smart Factory stellt das Ideal von Industrie 4.0 dar – doch die Basis für solche High-End-Produktionsumgebungen ist überraschend einfach und bei allen Anwendungen gleich: Es sind Sensoren! Sie liefern kontinuierlich alle erforderlichen Daten über verschiedenste Zustands- und Leistungswerte. Erst auf Basis solcher digitalen Sensordaten sind intelligente Steuerungs- und Regelungssysteme in der Lage, Entscheidungen zu treffen.

Solche Sensoren waren noch bis vor einigen Jahren unausgereift, nicht ausreichend präzise, fehleranfällig, teuer und nur für wenige Anwendungen erhältlich. Das hat sich grundlegend geändert. Heute sind alle benötigten Bauteile, wie die Sensoren selbst, aber auch angeschlossene Computersysteme, Cloud-Services und mobilfunkbasierte Breitbandverbindungen zum schnellen Datenaustausch weithin verfügbar und im Verhältnis zum Nutzen sehr preiswert zu beziehen.

Eine möglichst lückenlose Ausstattung mit entsprechenden Sensoren schafft eine Form „digitaler Transparenz“, die ihrerseits eine ganze Reihe von Vorteilen mit sich bringt:

• Die kontinuierliche Erfassung von Daten
• Die zentrale Überwachung aller verbundenen Komponenten (was Zeit und Manpower spart)
• Die Einbindung der Daten über Schnittstellen in bestehende Systeme
• Die Analyse von am Equipment aufgenommenen Daten lassen sich nutzbringend einsetzen, beispielsweise im Rahmen vorausschauender Wartung.

Predictive Maintenance: Vorausschauendes Handeln steigert die Effizienz

Es muss nicht die vollständig durchautomatisierte Smart Factory sein – schon die Ausstattung einiger relevanter Anlagenteile (z. B. Pumpen) mit Sensoren zur kontinuierlichen Überwachung bietet bereits große Potenziale für Effizienzsteigerungen. Auch im Fluid Handling-Bereich steigen wir in ein Zeitalter ein, in dem sich Wartungsstrategien grundlegend verändern.

Das Konzept der „Vorausschauenden Instandhaltung“ (Predictive Maintenance) gilt als Paradebeispiel für eine sinnvolle Nutzung vernetzter Sensoren im Rahmen des Industrial Internet of Things. Die VDMA-Studie1 errechnet allein für den gesamten Bereich der Instandhaltung ein Einsparpotenzial von 20 bis 30 % der Kosten.

Das Grundprinzip für Predictive Maintenance lässt sich in drei Schritte unterteilen:

1. Die kontinuierliche Erfassung relevanter Zustands- und Leistungsdaten der Pumpen in digitaler Form.
2. Die Übermittlung und Speicherung der Daten in der Cloud.
3. Die Verarbeitung der gesammelten Daten, z. B. in Form von Wahrscheinlichkeitsberechnungen für bestimmte Ereignisse und die Überführung in entsprechende Instandhaltungs- und Wartungskonzepte.

Der entscheidende Vorteil von Predictive Maintenance: Die gesammelten Daten lassen Trends im Betrieb der Pumpe erkennen, z. B. zunehmende Vibrationen. So können Verschleiß oder sich anbahnende Schäden frühzeitig erkannt und entsprechende Instandhaltungsmaßnahmen zeitnah eingeleitet werden – ein Ausfall der Pumpe bzw. der ganzen Anlage wird von vornherein verhindert.

Mit diesem proaktiven Charakter unterscheidet sich Predictive Maintenance deutlich von herkömmlichen reaktiven Wartungsstrategien. Instandhaltungsmaßnahmen erfolgen hier erst, wenn Störungen wirklich auftreten. Ausfälle können auf diese Weise nicht proaktiv verhindert werden, was im ungünstigen Fall lange Stillstandzeiten nach sich zieht. Gerade bei Pumpen kann das sehr schnell gravierende Folgen haben, wenn z. B. ganze Produktionsstraßen stillstehen, die gesamte Wasserversorgung unterbrochen ist, Heizung oder Kühlung ausfallen oder Abwasser nicht mehr abtransportiert werden kann.

Eine Ausstattung mit vergleichsweise günstigen Sensoren inkl. Peripherie sowie die Verwendung einer zentralen Monitoring-Software ist hier die deutlich smartere Lösung – und ein zukunftssicherer Einstieg in die Welt des Predictive Maintenance.

Der Einstieg in digitale Pumpen-Überwachung lässt sich unkompliziert und kostengünstig umsetzen – zum Beispiel mit KSB Guard. Die smarte Überwachungs-Lösung besteht aus einer kleinen Sensoreinheit sowie einer Sende- und Batterieeinheit, die einfach an der Pumpe befestigt werden. Ein Gateway überträgt die an der Pumpe aufgenommenen Daten in die Cloud – von hier aus können die Werte über eine App oder einen Desktop abgerufen werden. Somit lassen sich alle relevanten Zustands- und Leistungsdaten einer Pumpe sehr einfach und jederzeit abrufen. Mithilfe der so gewonnenen Transparenz lassen sich Instandhaltungsmaßnahmen präziser planen, Stillstandzeiten reduzieren und die Effizienz einer Pumpen-Population deutlich erhöhen. Als Komplettanbieter stellt KSB sicher, dass alle Pumpen und Ersatzteile, wie auch die entsprechenden Serviceleistungen, optimal aufeinander abgestimmt sind – um so die vom VDMA errechneten 20 bis 30 % Einsparpotenzial bei Instandhaltungsmaßnahmen bestmöglich auszuschöpfen.

KSB Guard im Einsatz – einige Praxisbeispiele:

KSB Guard bewahrt Industriepark Kalle-Albert vor Druckluftausfall