Mehr Transparenz durch smarte Sensoren und Algorithmen

Industrielle Prozesse, sei es im produzierenden Gewerbe oder in der Verfahrenstechnik, werden immer komplexer. Das Verständnis der damit verbundenen Abläufe erfordert mittlerweile Expertenwissen, dessen Aufbau aufgrund des Fachkräftemangels nicht mehr selbstverständlich ist. Daher liegt es nahe, sich mit smarten Sensoren und intelligenten Algorithmen zu befassen, um die Komplexität vom Bediener weg und hin zur Automatisierungstechnik zu transferieren. Als Automatisierungsdienstleister befasst sich APE Engineering seit längerem mit diesem Trend. Die Erfahrungen zeigen, dass sowohl smarte Sensoren als auch eine optimale Regelung auf Basis mathematischer Algorithmen ihren Beitrag leisten.

 

Smarte Sensoren
Im Internet der Dinge kommunizieren Sensoren und Maschinen kontinuierlich miteinander. Was heißt das? Von einer 80 Jahre alten Maschine kann man nicht erwarten, dass sie über MQTT, Modbus oder OPC UA mit ihrer Umwelt spricht. Oder doch? Gemeinsam mit der Universität Würzburg und weiteren Partnern befasst sich APE im Rahmen des vom ZD.B geförderten Forschungsprojekts „AutoCoP“

mit smarten Sensoren, die im Retrofit an bestehende Anlagen angebracht werden, um neue Messdaten und damit neue Erkenntnisse zu produzieren. Damit werden bspw. Vibrationsdaten erhoben, die für die prädiktive Wartung genutzt werden können. In Abbildung 1 sind die Häufigkeitsverteilungen für zwei Parameter eines Beschleunigungssensors, links für den normalen Anlagenzustand und rechts für einen Fehlerfall dargestellt. Schon die grafische Analyse zeigt den Unterschied. Ein Bediener oder ein Programm, das frühzeitig den Übergang von der einen in die andere Verteilung erkennt, kann eine Wartung veranlassen, bevor es zum Fehler kommt.

 

 

Abbildung 1: Messdaten eines an einem Schwenkarm montierten Beschleuni-gungssensors: Aufgetragen ist die Häufigkeitsverteilung in Abhängigkeit von zwei Schwingungsparametern.
Links: Normales Verhalten. Rechts: Verhalten im Fehlerfall.

Intelligente Regelung
Das vorangegangene Beispiel ist sehr einfach gehalten. Liegt dem Prozess oder der Maschine ein komplexeres Verhalten zugrunde, dann setzt man Algorithmen zur Analyse und zur Regelung ein. Eine Möglichkeit ist die modellprädiktive Regelung auf Basis einer physikalischen oder technischen Beschreibung des Anlagenverhaltens. Diese Beschreibung wird verwendet, um die Auswirkungen von Änderungen in der Prozessführung zu prognostizieren, um sich so dem gewünschten Verhalten anzunähern.

Auf diese Weise wurde gemeinsam mit der Universität Erlangen-Nürnberg ein mehrstufiger verfahrenstechnischer Prozess global optimiert. Zur Lösung des Problems verwendet man ein Verfahren der globalen Optimierung, eingebettet in einen nichtlinearen modellprädiktiven Regelalgorithmus. Algorithmen zur globalen Optimierung nichtkonvexer Probleme sind Gegenstand aktueller Forschung im Bereich der mathematischen Optimierung. Derartige Verfahren garantieren das Auffinden der besten, zum Beispiel kostengünstigsten, existierenden Lösung des zugrundeliegenden Modells.

Intelligente Vorhersagen
Smarte Sensoren erlauben neben der intelligenten Regelung auch Prognosen des Anlagenverhaltens in der Zukunft. Hierzu ist die Erkennung von Ereignismustern innerhalb der Datenströme essenziell. Complex Event Processing (CEP) löst dies durch kontinuierlichen Abgleich der erfassten Daten mit maschinell und/oder manuell vordefinierten Regeln hinsichtlich der genannten Ereignismuster.

Abbildung 2: Prozess-Animation eines komplexen Produktionsprozesses.

Die in der Abbildung 2 dargestellte Prozess-Animation veranschaulicht die Grundidee eines CEP-Systems. In Echtzeit werden Verstöße (anomales Verhalten) gegenüber der Standardabläufe erkannt und gemeldet. Die Visualisierung selbst basiert auf Techniken des Process Minings, indem die erfassten Prozessdaten reproduzierend angezeigt werden. Die Knoten des Graphs sind hierbei die in der Anlage verfügbaren Sensoren. Die Kanten geben an, wie oft dieser Ablauf in einem betrachteten Zeitraum stattgefunden hat. Im Beispiel meldet das CEP-System einen Regelverstoß zwischen Abschnitt „20043 – Brennofen Ventil Schieber“ und „20022 – Brennofen Lichtschranke Ende Förderband“. Die CEP-Überwachung der Produktionsdaten erlaubt eine dauerhafte Transparenz hinsichtlich des aktuellen Zustands der Anlage oder Maschine.

Fazit
Smarte Sensoren und intelligente Regel-Algorithmen sind für die Zukunft des Industriestandorts Deutschland unverzichtbar. Im Beitrag wurden verschiedene Ansätze vorgestellt, die derzeit in der Praxis anzutreffen sind.

 

Ansprechpartner

Dr. Michael Kröhn
APE Engineering GmbH
Hansaring 18
63843 Niedernberg
06028 9915-415
michael.kroehn@ape-engineering.de
www.ape-engineering.de


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