Ratten können eine Plage sein. Das weiß der Betreiber eines großen Getreidespeichers im Hamburger Hafen nur zu gut. Er hat deshalb mehr als 130 Fallen auf dem Firmengelände aufgestellt. Deren Erfolg ließ sich in der Vergangenheit nur auf eine Weise ermitteln: Ein Mitarbeiter musste täglich einen zeitraubenden Kontrollgang unternehmen. Damit ist nun Schluss: Die Überwachung der Rattenfallen erfolgt mittlerweile über einen Sensor.

Dieses Beispiel zeigt, auf welch vielschichtige Weise die Digitalisierung bestehender Anlagen über eine IIoT-Infrastruktur die Sicherheit der Verfahren, die Laufzeiten der Maschinen und die Betriebskosten (OPEX) optimieren kann. Die Transformation ist angesichts des Ausmaßes vieler Produktionsstätten eine gewaltige Aufgabe, nicht nur technisch. Sie hat auch einen ökonomischen Aspekt, der über die Kosten des Wandels hinausreicht. Die Bruttoanlageinvestitionen der Unternehmen in Deutschland belaufen sich nach Angaben des Statischen Bundesamtes auf mehr als 870 Milliarden Euro (Stand: 2022). Ein beträchtlicher Teil der CAPEX entfällt auf die "Sinnesorgane" und "Nervenstränge" der Verfahren: auf die Instrumentierung zum Messen, Steuern und Regeln. Diesen Bereich haben die Unternehmen im Zuge der Automatisierung unter hohem Kostenaufwand neu ausgerichtet und von den Messtechnik-Herstellern zunehmend leistungsstärkere Geräte angefordert. Da die Prozesse in wachsendem Maß am oberen Limit betrieben wurden, bedurfte es einer immer präziseren und robusten Sensorik. Mit dem Einsetzen der Digitalisierung ist bei vielen Geräten dieser Generation der Lebenszyklus noch längst nicht ausgeschöpft. Der Wunsch, eine solche Qualität vollends zu nutzen, ist nachvollziehbar. Würde jede Neuinstrumentierung jedoch erst beim regulären Austauschintervall erfolgen, ließe sich eine digitale Transformation nur stückweise verwirklichen.

Third-Party-Integration und Skalierbarkeit

Vor diesem Hintergrund hat der Messtechnikhersteller Wika das Konzept der kundenspezifischen "Reverse Digitalization" entwickelt. Es baut unabhängig von der Herkunft der Komponenten auf dem Ist-Zustand auf (Third-Party-Integration) und ist skalierbar. Das Konzept setzt auf der Sensorebene an. Schließlich werden dort alle Daten entlang der gesamten Wertschöpfungskette generiert, auf deren Basis die künftigen Unternehmensentscheidungen beruhen. Eine Bestandsaufnahme zeigt dabei auf, welche Instrumentierung smart gemacht werden kann und bei welcher ein Austausch zwingend notwendig ist.

Der überwiegende Teil der Messstellen ist mittlerweile mit elektronischen Geräten bestückt, die zum größten Teil über ein analoges Standardsignal wie 4…20 mA verfügen. Ihr Output wird nun mithilfe sogenannter Bridge-Einheiten in ein Digitalsignal umgewandelt. "Brücken" sind wahlweise mit Spannungsversorgung, Batteriebetrieb und/oder ATEX-Zulassung ausgeführt und daher problemlos in bestehende Abläufe einzubinden. Mithilfe solcher Units werden künftig selbst rein analoge Messgeräte, die vor allem in kritischen Prozessen als Back-up unverzichtbar sind, in eine digitale Struktur integriert.

Konnektivität mit LPWAN-Standards und Hybrid-Gateways

Die mit den Sensoren verbundenen Bridges übertragen die Datensignale an Gateways oder direkt in einen zentralen Datenpool. Damit stellt sich die Frage nach der Konnektivität, die auch eine bidirektionale Kommunikation ermöglicht. Erfahrungsgemäß verursachen LPWAN-Lösungen mit batteriebetriebenen Geräten den geringsten Aufwand. Sie sind für alle Messgrößen anwendbar, mit Ausnahme von Durchfluss: Eine Flow-Instrumentierung muss in der Regel mächtige Datenvolumina verarbeiten und benötigt daher eine entsprechende Energieversorgung. Eine Lösung mit Batteriebetrieb würde in dem Fall nur kurze Standzeiten erlauben.

Welcher LPWAN-Standard in Frage kommt, ergibt sich aus der jeweiligen Applikation und den topografischen Gegebenheiten. Wika zum Beispiel greift auf mioty, Lorawan und NB-IoT zurück, um flexibel zu sein und um Distanzen bis zu 30 Kilometern überbrücken zu können. Unter Einsatz von Hybrid-Gateways lassen sich unterschiedliche Standards in einem System bündeln. Auch ist Ethernet zur Datenübermittlung keinesfalls ausgeschlossen. Mobilfunk-Standards sind vor allem für den Austausch mit überregionalen Transporteinheiten eine Option. Sämtliche Daten münden via Netzwerksystem entweder in eine Cloud oder in einen kundeneigenen On-Premise-Server. Dort werden sie mit entsprechenden Tools validiert, aufbereitet und als Entscheidungsgrundlage auf einem Dashboard für Condition Monitoring, Preditictive Maintenance, Risikomanagement, Energiesteuerung und ähnlichen Aufgaben visualisiert.

Risiko- und Alarmmanagement

Der Betreiber des Getreidesilos mit angeschlossenem Logistikcenter im Hamburger Hafen, dessen digitale Transformation Wika über das Reverse-Konzept umsetzte, konzentriert sich auf das Risiko- und Alarmmanagement. Der tägliche Getreideumschlag erfolgt nahezu ausschließlich per Schiff. Der Saugschlauch am Anleger für die Be- und Entladung der Frachter arbeitet mit einer Kapazität von 250 Tonnen pro Stunde. Für den reibungslosen Ablauf ist eine zuverlässige Überwachung von Unter- und Überdruck unabdingbar. Im Fehlerfall löst die Sensorik einen Shutdown aus, um ein Rückstau zu vermeiden. Eine weitere entscheidende Kontrollfunktion betrifft die in den Verlade- und Verteilungsprozess integrierten Förderbänder. Temperatursensoren überwachen deren Kugellager zum Schutz vor Überhitzung.

Der Aufbau einer IIoT-Infrastruktur eröffnet außerdem zusätzliche Möglichkeiten: Der Betreiber des Getreidesilos beispielsweise hat sein Lademanagement durch eine Tiden-Vorhersage für das Hafenbecken optimiert. Er kann damit den günstigsten Zeitpunkt für das Andocken der Schiffe seiner Lieferanten bestimmen. Denn jede Minute zählt: Eine halbe Stunde Liegezeit schlägt mit 10.000 Euro zu Buche.