Düsseldorf, 10. Dezember 2017

Digitalisierung in der Stahlindustrie

Mit neuen Strategien, Konzepten und Lösungen erleichtert die SMS group den Einstieg in eine Fertigung nach den Prinzipien der Industrie 4.0.

Das intelligente Hüttenwerk optimiert seine Produktionsprozesse vom Rohmaterial bis zum Endprodukt autoadaptiv als Teil der integrierten Lieferkette mit physischen und datenbasierten Modellen Dr. Markus Reifferscheid, Vice President, R&D bei der SMS group

Industrie 4.0, Digitalisierung, Internet der Dinge und Cloud Computing sind derzeit die beherrschenden Themen in der Wirtschaft. Die SMS group hat anhand ausgewählter Umsetzungsbeispiele Strategien für die voranschreitende Digitalisierung in der Stahlindustrie entwickelt und stellt zukunftsweisende Konzepte und Lösungen vor, die sich derzeit in der Entwicklung befinden. Die Kunden der Anlagenbauer stehen vor ähnlichen Herausforderungen:

  • Stahl mit seinen vielfältigen Eigenschaften als zukunftsfähigen Werkstoff wettbewerbsfähig am Markt zu halten.
  • Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit durch schlanke Prozesse und Kostenstrukturen bei schonendem Ressourceneinsatz.
  • Kontinuierliches Erreichen höchster Produktqualität bei hoher Ausbringung.
  • Maximierung der Anlagenlaufleistung bei minimalem Wartungsaufwand und geringer Kapitalbindung.
  • Flexible Produktionsplanung mit schwankenden und teilweise kleinen Losgrößen bei hoher Termintreue.

Dabei verändern sich permanent die äußeren Rahmenbedingungen, wie die Kosten für Rohstoffe, Energie und Personal sowie gesetzliche Vorschriften, zum Beispiel Umwelt- und Rechtsstandards. Doch wie ist in diesem Zusammenhang „Industrie 4.0 – Digitalisierung“ zu verstehen? Digitalisierung ist kein Selbstzweck. Es geht um die Beantwortung der Frage: „An welcher Stelle kann uns die Digitalisierung helfen, die genannten Ziele nachhaltig und wertstiftend zu verbessern?“

Für die Anlagenbetreiber steht dabei die Vision des smarten Stahlwerks im Fokus, das eine intelligente und weitgehend autonome Produktion von Stahl ermöglicht. Diese ist charakterisiert durch die Vernetzung und Zusammenarbeit von Mensch und Maschine in dynamischen, sich in Echtzeit optimierenden Produktionsprozessen innerhalb der Wertschöpfungskette.

Wofür steht Industrie 4.0?

Industrie 4.0 steht für einen bereits laufenden Prozess, der das Wertschöpfungsnetzwerk erfasst. Sie umfasst die vertikale (unternehmensinterne) und die horizontale Wertschöpfungskette (Lieferant bis Kunde) und wird beide am Ende grundlegend transformieren. Alle Teilnehmer im Wertschöpfungsnetzwerk sind von ihr betroffen.

Der „Prozess Industrie 4.0" definiert sich durch
  • den aktuellen Trend hin zu Digitalisierung und einem in Echtzeit erfolgenden, offenen Datenaustausch und Datenzugang aller Beteiligten (Menschen und Maschinen) in den produzierenden Prozessen des Wertschöpfungsnetzwerkes. Dazu gehören die Methoden Internet der Dinge (IoT) und Internet der Menschen (IoP)
  • das Schaffen eines digitalen Zwillings der realen Anlage, des Prozesses bzw. des erzeugten Produkts durch das Zusammenführen der Ist- und Solldaten der Mechanik, der Funktionen und der Abläufe über Sensorik, Automation und Software
  • den Einsatz von vernetzten Sensoren und mobilen Rechnerkapazitäten in sogenannten eingebetteten Systemen und deren Vernetzung mit den IT-Bestandssystemen in einer Cloud, so dass relevante Informationen in Echtzeit, individuell aufgearbeitet, an einem beliebigen Ort für Mensch und Maschine verfügbar werden
  • das Erweitern der Automations- und Produktionsleitsysteme durch die Einführung von Datenanalysemethoden (Big-Data-Analyse, Künstliche Intelligenz) in Richtung Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration, Selbstdiagnose, Mustererkennung und intelligenter, unterstützender Systeme für die Mitarbeiter in den Werken
  • die Fähigkeit der „Cyber-Physischen Systeme” (CPS) eigenständig Entscheidungen zu treffen und eine gleichberechtigte, kollaborative Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern zu erreichen. Die Sicherheit und das Schutzbedürfnis für Mensch, Prozess und Maschine stehen dabei an erster Stelle.
Erfahrungen mit Digitalisierung sind bereits vorhanden

Nachdem die SMS group begonnen hatte, sich intensiv mit dem Thema zu beschäftigen, stand schnell fest, dass das Thema „Industrie 4.0“ schon in der Vergangenheit in einigen Unternehmensprozessen Einzug gehalten hatte, ohne dass dies bisher unter diesem Begriff adressiert wurde. Eine Erkenntnis, die viele der Kunden für ihre Produktionsprozesse bestätigen. Zwei Anwendungsbeispiele belegen dies. Die SMS group beschäftigt sich seit dem Jahr 2000 mit dem Themenfeld „virtuelle Techniken“ (Virtual-Realityund Augmented-Reality-Techniken) und den damit verbundenen Basistechnologien wie der interaktiven Echtzeitvisualisierung oder der Multi-Modalen-Interaktion.

Digitale Werkstatt

In diesem Zusammenhang hat die SMS group den Themenbereich „multidisziplinäre, kooperative Zusammenarbeit“ als ein sehr bedeutendes Arbeitsfeld erkannt und in Richtung der „digitalen Werkstatt“ weiter entwickelt. Diese bildet die Arbeits- und Kommunikationsplattform zur multidisziplinären, kooperativen Zusammenarbeit bei gewerkübergreifenden Aufgaben. Sie nutzt die diversen nativen Daten bzw. Datenaustauschformate (IGES, JT, WRL) aus den 3-D-CAD-Systemen der Konstruktionsabteilungen und ermöglicht die Ankopplung von Simulationsdaten zu Bewegungen von Anlagenkomponenten und Produkten. Die virtuellen Technologien werden heute als Werkzeug zur Absicherung von Planungs- und Konstruktionsergebnissen eingesetzt. Zum erprobten Einsatzbereich gehören heute unter anderem der Vertrieb mit der interaktiven Produktpräsentation, die Abwicklung mit dem Integrationstest der Konstruktion sowie der Service für Trainingszwecke. Die virtuelle, disziplinübergreife Einbindung des Kunden in einer Mehrbenutzerumgebung als einem speziellen Arbeitsumfeld erlaubt effektive Abstimmungsvorgänge und minimiert spätere Korrekturen, das heißt, sie spart Abwicklungszeit und -kosten.

Plug & work - hardware-in-the-loop-Simulationsumgebung

Die Steigerung der Rechnerleistung sowie die Entwicklungen im Bereich der Simulation von Mehrkörpersystemen (MKS) machen es heute möglich, komplexe Maschinen und Anlagen in ihrem kinematischen und dynamischen Verhalten in Echtzeit zu simulieren und in einer Hardware-in-the- Loop-Konfiguration an einer realen Steuerung zu betreiben. Damit ist ein funktionaler Test der Steuerung bzw. der programmierten Steuerungsabläufe schon vor der Inbetriebnahme möglich (virtuelle Inbetriebnahme). Diese funktionale Absicherung der Automationslösung erfolgt im Integrationstest der Automation. Dabei werden alle Erzeugnisse zu einem digitalen Produkt zusammengebaut. Die Simulationsprüfung schließt echte Automationskomponenten (Bedienpulte, SPS, Prozessrechner etc.) und das kundenspezifische Bedienkonzept mit ein. Schnittstellen werden getestet und voroptimierte Automationsparameter validiert.

Komplexe Steuerungsfunktionen werden unter Einbindung der CAD-Modelle visualisiert und können für das Kundentraining herangezogen werden. Diese Vorgehensweise sichert kurze IBN-Zeiten bei einer steilen Hochlaufkurve und damit stabile Produktion und gute Produktqualität von Anfang an. Die digitalen Engineering-Methoden werden heute in einem breiten Umfang genutzt und für die virtuelle Inbetriebnahme von ganzen Anlagen angewendet.

Digitalisierung ist also weder für die Anlagenbetreiber noch für die SMS group komplettes Neuland. Dennoch haben sich die Vorzeichen geändert. Heute versteht die SMS group unter Industrie 4.0 einen ganzheitlichen Prozess, an dessen Ende eine andere Wertschöpfung steht. Wir werden uns mit den Kunden und Lieferanten noch enger vernetzen und zusammenarbeiten, um gemeinsam zu verbesserten Lösungen zu gelangen.

Drängende Fragen und Erwartungen der Kunden

Die SMS group behandelt das Thema Digitalisierung sehr offen. Zunächst wurden im Rahmen eines Ideation Lab zahlreiche Interviews mit Fachleuten im eigenen Haus und mit Kunden und Lieferanten geführt. Die Thematik wirft Fragen und vielseitige Bedenken auf. Die wichtigsten Fragen kreisen um Themenkomplexe wie:

  • Wie beeinflusst die Digitalisierung die Geschäftsmodelle? Wie soll die Digitalisierung die Prozesseffizienz steigern? Wie stelle ich sicher, dass Wissen und Prozessinformationen beim Öffnen zum Internet der Dinge vertraulich bleiben und der Produktionsbetrieb nicht angreifbar wird?
  • Wie lebe ich digitale Prozesse und digitale Transparenz ohne das Gefühl, alles und jeden zu überwachen?
  • Welche rechtlichen Implikationen sind mit der Digitalisierung verbunden?
  • Wie vermeide ich eine Abhängigkeit?
  • Wie lebe ich tatsächlich eine Lifecycle-Partnerschaft zwischen Kunden und Anlagenlieferanten?
  • Wie passt das Ganze in meine heute schon bestehende Automations- und IT-Struktur?
  • Welche Standards finden Anwendung?
  • Welche neuen Anforderungen kommen auf die Mitarbeiter zu? Wie sichere ich die Kompetenzen, um all diese Fragestellungen verlässlich beantworten zu können?
Beispiele

Daneben werden auch Erwartungen an das Thema Digitalisierung gestellt. Nachfolgend sind stellvertretend für die beteiligten Arbeitsbereiche in einem Unternehmen Beispiele genannt.

Das Supply Chain Management basiert auf der konsistenten Abbildung des Produktions- und Materialflusses und des Auftragsprozesses vom Kundenauftrag über den Fertigungsauftrag bis hin zu den Lieferanten. Die Mitarbeiter setzen auf digitale, in Echtzeit laufende Simulationsund Optimierungswerkzeuge, um die Produktion kurzfristiger und besser planen zu können, um verlässliche Vorhersagen über Produktionsabläufe oder Energieverbräuche treffen zu können. Sie erwarten flexible, kooperative Logistiklösungen zusammen mit ihren Lieferanten von Rohstoffen, Verbrauchsmitteln und Ersatzteilen. Dabei hat die SMS group schon erste Warehousing-Konzepte für Ersatzteile realisiert, das heißt, die SMS group übernimmt die Ersatzteilhaltung für die Kunden als Dienstleistung. Skaleneffekte über das Zusammenlegen von Ersatzteilportfolien ermöglichen dabei Kostensenkungspotenziale.

Aus dem Vertrieb kommen Forderungen nach digitalen Werkzeugen zur verbesserten Preisfindung, transparenten Lieferterminfestlegung und Lösungen zu „digitalen Schatten“ von Produkten und Prozessen zur Dokumentation gegenüber den Kunden. Die IT- und Automationsanbieter sowie IT-Abteilungen in den Produktionsbetrieben stehen vor der Herausforderung, alle Daten und Informationen aus der Produktion (Anlagen, Prozesse, Produkte) prozessstufen- und gegebenenfalls auch standortübergreifend konsistent zu erfassen und in einem sogenannten „Unique Source of Truth“ in Echtzeit zu verarbeiten und abzulegen. Dabei müssen die richtigen Informationen für alle Beteiligten (Menschen und Maschinen) geeignet aufbereitet, überall, sicher und jederzeit zugänglich bleiben.

Eine große Herausforderung vor dem Hintergrund der heterogenen Anlagen- und Automationslösungen, der vielen existierenden „Produktionsinseln“ aus den letzten zwei bis vier Jahrzehnten und den durchaus auch noch heute verbreiteten Abläufen in Papierform. An vielen Stellen ist hier noch einige Basisarbeit zu leisten. Die Produktion setzt vor allen Dingen auf den Einsatz von künstlicher Intelligenz in Big-Data-Analysen, um die Prozesse über selbstlernende Algorithmen insgesamt noch besser überwachen und steuern zu können. Heute rein physikalisch basierte Modellansätze werden unter Umständen durch datengetriebene Modelle erweitert oder sogar ersetzt.

Predictive maintenance und Servicelösungen

Auch der Trend hin zu Predictive Maintenance- und Servicelösungen für produktionsrelevante Kernkomponenten wird sich beschleunigen. Dabei wird es für Anlagenbetreiber und Anlagenhersteller vor allem darauf ankommen, den aktuellen Anlagenbestand mit entsprechender Sensorik nachzurüsten. Das ortsunabhängige Verfolgen von Pro- dukten und Komponenten, aber auch von Mitarbeitern zu Sicherheitszwecken wird an Bedeutung gewinnen. Im Qualitätsmanagement stehen die funktionale und geometrische Zuordnung von Qualitätsinformationen zum Produkt und die Verfolgung durch die gesamte Anlage in Echtzeit sowie das lückenlose Zusammenführen der qualitätsrelevanten Informationen zum Produkt entlang des kompletten Erzeugungsprozesses im Vordergrund. Dies ermöglicht eine weitgehend automatisierte Beurteilung der Produktqualität und einen mehrstufigen Abgleich der erreichten Produktqualität mit den Bestellanforderungen und eine direkte Rückmeldung der Ergebnisse an die Produktionsplanung. Qualitätsrelevante Entscheidungen müssen im Prozess frühzeitig eingeleitet werden, um die Verarbeitungstiefe bei potenziellen Abweichungen gering zu halten oder rechtzeitig Prozessabweichungen entgegenzusteuern.

Wie geht die SMS group vor?

Die SMS group setzt bei der Umsetzung auf den Design- Thinking-Ansatz, den auch typische digitale Start-ups verfolgen. Im Zentrum steht dabei zunächst die Ermittlung der Kundenbedürfnisse beziehungsweise der „Pain Points“ durch Interviews oder bloßes Beobachten. Darauf folgt eine agile „Rapid-Prototyping-Phase“, in der die Spezialisten erste Lösungsansätze prototypisch umsetzen und zusammen mit dem Kunden validieren sowie optimieren. So entsteht in wenigen Wochen ein sogenanntes „Minimum Viable Product“ (MVP), das heißt eine minimale wertstiftende, also grundsätzlich schon vermarktbare Lösung, die dann in gleicher Art und Weise (testen, validieren und verbessern) weiterentwickelt wird. Dabei steht der Begriff „Nachhaltigkeit“ permanent im Zentrum. Es geht nicht darum, zu digitalisieren, was geht, sondern nur das umzusetzen, was zusätzlichen Nutzen stiftet.

Eine Änderung, die sich für die SMS group als Anlagenbauer ergibt, besteht darin, dass in Zukunft kostenbasierte Geschäftsmodelle durch wertbasierte Geschäftsmodelle ergänzt oder durch diese ersetzt werden. Anders ausgedrückt, das Geschäft mit den Anlagen bleibt, es wird in Zukunft aber mit innovativen, digitalen Dienstleistungen verknüpft. Dies erfordert einen verlässlichen und vertraulichen Umgang mit Informationen und Daten, die wir mit unseren Kunden und diese mit uns teilen. Daran wird deutlich, dass die digitalen Systemlösungen Anlagenbauer und -betreiber sehr viel enger zusammenführen werden und die beiderseitigen Unternehmensprozesse viel transparenter gestaltet werden müssen.

Eine weitere zentrale Aufgabe, die die SMS group in der Digitalisierung sieht, besteht in der Beherrschung des Big Data Managements, wie es digitale Internetgiganten vormachen. Diese besteht darin, anfallende Daten aus Produktionsanlagen und Produktionsleitsystemen systematisch und permanent auszuwerten und daraus Entscheidungsgrundlagen, zum Beispiel im Sinne einer Funktionsoptimierung abzuleiten. Funktionsoptimierungen heben Reserven und so stellt sich ein messbarer Effekt beim Kunden schnell ein. Aus einer guten Datenbasis lassen sich aber Entscheidungen über lukrative Investitionen und Entwicklungsaktivitäten, zum Beispiel für Assistenzsysteme oder Erweiterungen bestehender Automationssysteme ableiten. Die Daten und Methoden bilden die Basis für neue Geschäftsmodelle rund um digitale Dienstleistungen, auch außerhalb der eigenen Branche.

Exemplarische Lösungen

Als Anlagenbauer erwartet die SMS group, dass wesentliche Änderungen im Rahmen der Digitalisierung zuerst die Produktions-, die Instandhaltungs- und die Qualitätsprozesse erfassen werden. Dazu sind bereits marktreife Lösungen entwickelt worden, die bei Anlagenbetreibern im Einsatz sind.

Eingebettete Systeme

In Zukunft werden sogenannte „eingebettete Systeme“ ein fester Bestandteil in unseren Komponenten und Anlagen. Diese dokumentieren und analysieren das Verhalten der Komponenten im Betrieb und initiieren im Bedarfsfall selbstständig geeignete Maßnahmen. Ein Beispiel hierfür ist das System in einer intelligenten Spindel in einem Warmwalzwerk eines chinesischen Kunden. Das Elektronikbauteil mit CPU ist kaum größer als eine Visitenkarte und fest in die Spindel integriert. Die Energieversorgung für mindestens zwei Jahre stellt ein Energy-Harvesting- System sicher, dass die Rotation der Spindel als Energiequelle nutzt.

Das System überwacht die Spindel hinsichtlich charakteristischer Schwingungen und Drehmomentlasten. Daten, Datenauswertung und Maßnahmeninitiierung, zum Beispiel Inspektions- und Wartungsmaßnahmen, generiert das eingebettete System selbst. Eine Anbindung an bestehende IT- oder Automationslösungen ist möglich, aber nicht notwendig. Damit ist die Lösung optimal für die Nachrüstung in einer Bestandsanlage.

Der Zugriff auf Systemdaten durch externe Computersysteme zur weiteren Analyse ist jederzeit möglich, aktuelle Messwerte und ausgewertete Dateninformationen können aber auch auf mobilen Systemen angezeigt werden.

Intelligentes Pfannenmanagement im Stahlwerk

Primäres Ziel des modellgestützten Pfannenmanagementsystems ist es, den Temperaturhaushalt aller Stahlwerkspfannen zu berechnen, um das Temperaturfenster für den Gießbetrieb unter Berücksichtigung der geplanten Prozessführung und des aktuellen Pfannenzustandes optimal zu treffen.

Neben der Modellierung der Temperaturfelder von Pfannenkörper, Ausmauerung und Stahlschmelze steht die permanente Lokalisierung der Pfannen im Umlauf des Stahlwerks mittels RFID-, Beacon-, oder IR-Bilderkennungs- Techniken im Vordergrund. Zur Modellabstützung werden, soweit vorhanden, Messdaten aus integrierten Temperatursensoren, Wärmebildkameras sowie die Informationen aus der Pfannenzustellung beziehungsweise Pfanneninstandhaltung hinsichtlich Ausmauerungstyp und Restwandstärke implementiert. Aktuell befindet sich das Produkt in der Inbetriebnahme bei einem deutschen Kunden.

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Die interaktive 3-D-Visualisierung spiegelt die Situation im Werk maßstabsgetreu und in Echtzeit wider
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In tabellarischer Form lässt sich der Lagerbestand leicht sortieren, filtern und bearbeiten. Die Ansicht kann der Benutzer auf seine persönlichen Belange anpassen und speichern. Außerdem können Details eingesehen und Aktionen, zum Beispiel Transporte, ausgelöst werden
Anlagensteuerung mit virtueller Unterstützung - augmented operation

Exemplarisch für eine Augmented Operation ist die Lösung der SMS-Tochter AMOVA für die optimierte Logistiksteuerung in einem Coil-Hochregallager. Zur Prozessführung, -überwachung und -optimierung wird ein digitaler Zwilling des Hochregallagers eingesetzt. Dieser bildet das komplette Hochregallager einschließlich seiner Transportsysteme und Bearbeitungsaggregate sowie der damit einhergehenden dynamischen Vorgänge in einer 3-D-Umgebung ab. In die Visualisierung sind produkt- und prozessrelevante Informationen aus den Automationssystemen in Echtzeit integriert und bei Bedarf abrufbar. Der Bediener des Hochregallagers verfolgt sämtliche Lagerabläufe in der Realität und in der virtuellen Umgebung. Im digitalen Zwilling kann er sich zusätzlich Informationen anzeigen lassen wie zum Beispiel das aktuelle Temperaturniveau der verschiedenen Coils. Freigaben und Transportvorgänge werden im digitalen Zwilling über Drag & Drop-Funktionen initiiert und durch das System optimiert direkt an die autonom arbeitenden Kräne und Gabelstapler weitergegeben. Alle Vorgänge lassen sich zudem im Rahmen einer Prognose in die Zukunft projizieren. Dies sichert eine maximale Transparenz in der Logistikplanung.                 

SMS group Plattform Services

Die Basis für intelligente, digitale Dienstleistungskompetenz bilden digitale Service-Plattformen. Diese realisieren den sicheren, geschützten, digitalen Informationsaustausch zwischen den Unternehmen. Als eine der ersten Funktionen bietet die SMS group ihren Kunden eine eService-Lösung zum schnellen und sicheren Identifizieren von Ersatzteilen und Zugriff auf Datenblätter, Wartungs- und Betriebsanweisungen. Der auf der Fachmesse Tube & Wire 2016 vorgestellte elektronische Ersatzteilkatalog wurde bereits bei einem Mini-Mill-Kunden aus den USA ausgerollt. Über die direkt an der Anlage einsetzbare und intuitiv bedienbare Applikation gelingt es, mit wenigen Klicks oder über einen QR-Code das richtige Ersatzteil bzw. Ersatzteilpacket zu identifizieren und den Ersatzteilbeschaffungsprozess, entweder über den internen, beim Kunden etablierten Bestellvorgang oder direkt auf der SMS group-Plattform zu initiieren.

Fazit

Im Beitrag wurden einige ausgewählte Beispiele rund um die Digitalisierung vorgestellt Die SMS group befasst sich mit dem Thema nicht nur unter technologischen Fragestellungen. Es geht um ganzheitliche Prozesse im Unternehmen und verändert bestehende Prozesse und Geschäftsmodelle grundlegend. Die SMS group sieht den Prozess dennoch eher als Evolution, denn als Revolution. Erwartet wird, dass die ersten Änderungen in den Bereichen der Produktion, der Instandhaltungsprozesse und der Qualitätssicherungsprozesse erfolgen werden. Die wesentlichen Erfolgsfaktoren, die diese Änderungen möglich machen, sind eingebettete Systeme, digitale Service-Plattformen sowie die Fähigkeit, die Echtzeitvernetzung der Daten in den Werken zu realisieren und die Leistungsfähigkeit von Big Data Analytics und Cloud Computing für sich selbstoptimierende, autonome Prozesssteuerungen zu nutzen. Nach Einschätzung der SMS group bietet die Digitalisierung für Stahlhersteller und Anlagenbauer ganz neue Chancen. Diese münden in eine verstärkte Zusammenarbeit, auf deren Basis sich digitale Lösungen für Kunden und Anlagenlieferanten kommerziell erfolgreich umsetzen lassen.