Teil 7: it‘s OWL-Querschnittsprojekt Systems Engineering – der intelligente Separator

Expertensystem erhöht Zuverlässigkeit und Effizienz in der Produktion

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Das Prinzip eines Separators ist simpel: Die Zentrifugalkraft separiert Stoffe aus flüssigen Rohprodukten. Dabei kann es sich um Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte aber auch um Feststoffe aus Flüssigkeiten handeln. Beispielsweise wird so aus trübem Apfelsaft klarer, Rohmilch wird entrahmt und in der Bierproduktion lässt sich die Hefe vom Bier trennen. Das Unternehmen GEA und das Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM haben einen Separator in einem Leuchtturmprojekt des Spitzenclusters it’s OWL nun mit Technologien des maschinellen Lernens ausgestattet. Damit sind für den Sondermaschinenbauer neue Dienstleistungen und sogar gänzlich neue Geschäftsmodelle denkbar.

Kirsten Harting, Kommunikation Produktentstehung, Fraunhofer IEM

Für Anwender eines Separators ist eine optimale und zuverlässig gleichbleibende Trennleistung in der laufenden Produktion wichtig. Das Rohprodukt verändert sich jedoch. Die Eigenschaften des Apfelsaftes ändern sich etwa je nach Sorte oder Reifegrad. Diese Unterschiede können sich auf das Trennergebnis des Separationsprozesses auswirken. Hier lag die Herausforderung des Projektteams: Ein Separator ist oft Teil eines übergeordneten Produktionsprozesses, an dessen naturgegebene Unregelmäßigkeiten er kontinuierlich angepasst werden muss.

Die Anpassung nimmt der Kunde selbst vor. Hierbei unterstützt ihn die Steuerung der Maschine mit verschiedenen Regelalgorithmen. „Die Herausforderung liegt in der Behandlung von Störfällen. Ziel ist hier, den Fehler schnell zu finden und unseren Kunden Handlungsempfehlungen zur Behebung der Störung zu geben“, erläutert Markus Fleuter, Senior Vice President Offer and Order Management von GEA. „Hier sind langjährige Mitarbeiter mit Expertenwissen gefragt. Es gehört viel Erfahrung dazu, zügig die Ursache zu identifizieren und die entsprechenden Parameter anzupassen.“

Erfahrung und Expertenwissen sind gute Schlagworte für das gemeinsame it’s OWL-Leuchtturmprojekt von GEA und Fraunhofer IEM, in dem der Sondermaschinenbauer aus Oelde und das Forschungsinstitut aus Paderborn vier Jahre lang gearbeitet haben. Die übergeordneten Fragen: Wie kann das personenbezogene Expertenwissen über Separatoren mit Methoden des maschinellen Lernens ergänzt und noch zuverlässiger gemacht werden? Wie können auch Nicht-Experten, wie neue Mitarbeiter oder Beschäftigte an anderen Produktionsstandorten, auf das Expertenwissen zugreifen? Für den führenden Anbieter von Komponenten und Prozesstechnik mit zahlreichen Applikations- und Produktzentren weltweit sind dies zukunftsweisende Fragen.

Expertensystem: Erfahrung trifft Sensorik

Das Ergebnis der Zusammenarbeit, das zunächst als Prototyp bei GEA getestet wird, ist ein digitales Expertensystem, das den Betriebszustand des Separators kontinuierlich überwacht, analysiert und somit detaillierte Auskunft bei Abweichungen vom Normalbetrieb anzeigt. In dem Expertensystem sind zweierlei Daten hinterlegt: Das Projektteam protokollierte hier zum einen das langjährige Erfahrungswissen von Mitarbeitern – beispielsweise wie sich welches Medium im Separationsprozess verhält. Auch das Wissen um die verfahrenstechnischen Abläufe und deren Unregelmäßigkeiten innerhalb eines Separators wird hier abgebildet.

Erfahrung ist gut, (Echtzeit-)Kontrolle ist aber besser. Deshalb integrierten die Projektpartner zum anderen Sensorik. Hier stellte das System des Separators das Projektteam vor die Herausforderung, unsichtbare Systemelemente für die Mitarbeiter sichtbar, also detektierbar und auswertbar zu machen. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IEM wählten dafür den Ansatz des Maschinellen Lernens: An welchen Stellen und mit welcher Technologie können Betriebsdaten in Echtzeit erhoben werden, die jederzeit Auskunft über den tatsächlichen Zustand des Separators geben? Hier stand die Entwicklung und Integration geeigneter intelligenter Sensorik vor der enormen Herausforderung, dass sich die relevanten Informationen in der Regel in der Trommel des Separators befinden. Berücksichtigt werden musste etwa die hohe Drehzahl der Trommel, die Verarbeitung von sensiblen Lebensmitteln oder Pharmaprodukten sowie der minimale Bauraum. In einer intensiven Konzeptarbeit wurden deshalb Sensoren identifiziert, die unter den oben genannten Bedingungen verfahrenstechnische Prozessabweichungen detektieren können. Sobald es zum Beispiel zum verfahrenstechnischen Fehler Kavitation, also zu turbulenten Strömungen, kommt, wird dieser sensorisch erfasst und an das Expertensystem weitergeleitet.

Die intelligente Sensorik in Kombination mit dem Expertenwissen führt nun zu einer signifikanten Verbesserung der Prozessstabilität. Neben dieser Verbesserung lassen sich auch Geräuschs-, Energieverbrauchs- und Verschleißreduktionen von Separatoren und Teilen erreichen. Derzeit erprobt GEA das Expertensystem und entwickelt es weiter. „Unsere Vision ist, dass unsere Kunden künftig auch mobil auf das Expertenwissen zugreifen und darüber den gesamten Maschinen- und Prozesszustand bequem und zuverlässig im Blick haben. Für GEA als Separatoren-Hersteller eröffnen sich neben dem eigentlichen Produkt somit viele Möglichkeiten, nützliche Dienstleistungen anzubieten“, erklärt Markus Fleuter, der sich eine Kommerzialisierung des Expertensystems vorstellen kann.

Systemverständnis mit Multiplikationseffekt: Mechatronische Modularisierung

Grundlage des gemeinsamen Projektes war das Schaffen eines umfassenden Systemverständnisses von Separatoren. In interdisziplinären Workshops mit CONSENS, einer Methode des Model-Based-Systems Engineering, wurden sämtliche systemrelevanten Eigenschaften modellbasiert abgebildet, die für das Verständnis und die Entwicklung des Systems notwendig sind. Im Umfeldmodell arbeitete das Projektteam alle Elemente heraus, die in Wechselwirkung mit dem Separator stehen, etwa Umwelteinflüsse wie Temperaturschwankungen oder vor- und nachgelagerte Prozessschritte. In Anwendungsszenarien beschrieben sie situationsspezifische Sichten auf das System. Die interdisziplinäre Systemmodellierung ermöglichte dabei die Zusammenarbeit aller an der Separatorentwicklung beteiligten Disziplinen mit ihren spezifischen Anforderungen aus Mechanik, Automation und Prozesstechnik. „Da der Aufbau und die Funktionsweise von Separatoren trotz verschiedener Anwendungszwecke sehr ähnlich sind, erkannten wir großes Potenzial für die Modularisierung der einzelnen Systemmodelle“, sagt Dr.-Ing. Thorsten Westermann, Projektleiter vom Fraunhofer IEM, der mit seinem Team eine Grundlage zur effizienten Wiederverwendung von Software-Hardware-Kombinationen geschaffen hat.

Vertiefend wurden neuartige Modularisierungsansätze erarbeitet, die über die fachdisziplinspezifischen Grenzen hinausgehen. „Wie aus einem Baukasten können einzelne Systemelemente in neue Entwicklungsprojekte eingebracht werden, deren Funktionsweisen und Abhängigkeiten bereits im Vorfeld definiert wurden“, erklärt Dr.-Ing. Thorsten Westermann. Der Ansatz der Mechatronischen Modularisierung wird vom Projektteam für den allgemeinen Gebrauch abstrahiert und steht künftig auch weiteren Unternehmen im Spitzencluster it’s OWL zur Verfügung. Die Entwicklung des Expertensystems in Verbindung mit der intelligenten Sensorik befindet sich derzeit noch im Prototypen-Stadium. GEA hat hiermit jedoch Grundlagen für weitere Innovationen sowie für eine Erweiterung seines Service-Portfolios geschaffen. ik

www.its-owl.de


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Hintergrund

Im Technologie-Netzwerk it‘s OWL – Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe – entwickeln über 170 Unternehmen und Forschungseinrichtungen in 46 Projekten gemeinsam Lösungen für intelligente Produkte und Produktionssysteme. Das Spektrum reicht von intelligenten Automatisierungs- und Antriebslösungen über Maschinen, Fahrzeuge und Hausgeräte bis zu vernetzten Produktionsanlagen. Über ein innovatives Transferkonzept werden neue Technologien für eine Vielzahl von – insbesondere kleinen und mittelständischen – Unternehmen verfügbar gemacht. Ausgezeichnet im Spitzencluster-Wettbewerb des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gilt it´s OWL als eine der größten Initiativen für Industrie 4.0 in Deutschland.

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