Industrie 4.0: Intelligente Prozesssteuerung und nachhaltige Leistung

Die neue strategische Herausforderung der Industrie der Zukunft ist der verantwortungsvolle Umgang mit Energie. Angesichts des anhaltenden Anstiegs der Energiekosten, der Dekarbonisierungsziele und der Notwendigkeit, eine zuverlässige Produktion für einen immer anspruchsvolleren Markt aufrechtzuerhalten, müssen Unternehmen ihre Anlagen kontinuierlich optimieren.

Unerwartete Stillstände und Energieverluste stellen in einer Branche, in der es mehr denn je auf Leistung ankommt, nach wie vor erhebliche Kosten- und Verlustquellen dar. Auch wenn die Digitalisierung von Industrieanlagen oft als Lösung genannt wird, wird ihre Umsetzung manchmal als komplex oder kostspielig empfunden.

Dennoch liefern Analysen, die auf Computern, Software und anderen Servern basieren, neue Erkenntnisse und erleichtern das Handeln, insbesondere dank ihrer Rechenleistung und der künstlichen Intelligenz (KI). Durch die Automatisierung von Aufgaben und die Umsetzung von Korrekturmaßnahmen lässt sich mit geringerem Energieverbrauch eine optimale Leistung erzielen.

Genau das verspricht die Industrie 4.0: Sie bietet konkrete Lösungen zur Verbesserung der Transparenz, der Wartung und der Energieeffizienz von Anlagen.

Industrie 4.0 basiert auf mehreren Grundprinzipien, die darauf abzielen, die Leistungsfähigkeit von Industrieunternehmen zu verbessern:

• Interoperabilität: Geräte und Systeme für einen reibungslosen Informationsaustausch
• Datennutzung: für ein besseres Verständnis der Prozesse
• Reaktionsfähigkeit in Echtzeit: für eine schnellere Anpassung der Abläufe
• Vorausschauende Instandhaltung: Um Abweichungen und Ausfälle frühzeitig zu erkennen
• IT-/OT-Integration: für ein ganzheitliches Leistungsmanagement, insbesondere im Energiebereich

Sobald diese Informationen erfasst und ausgewertet sind, ermöglichen sie einen klareren Überblick über den Betrieb der Anlagen und ermöglichen es, schneller – sogar in Echtzeit – zu reagieren.

Letztendlich zielt Industrie 4.0 darauf ab, die Fabrik im Alltag vernetzter, übersichtlicher und effizienter zu machen.

*Interoperabilität: Bezeichnet die Fähigkeit verschiedener Systeme, Maschinen, Softwareprogramme oder Geräte, miteinander zu kommunizieren, Daten auszutauschen und zusammenzuarbeiten, auch wenn sie von unterschiedlichen Herstellern stammen oder auf unterschiedlichen Technologien basieren.

In einer Industrie-4.0-Umgebung setzt die zunehmende Vernetzung von Anlagen Industrieunternehmen immer komplexeren Risiken durch Cyberangriffe aus. Die Integration des IoT und digitaler Technologien erzeugt nämlich riesige Datenmengen, die unbedingt effizient erfasst, analysiert und gesichert werden müssen.

In diesem Zusammenhang ist der Schutz sensibler Daten von strategischer Bedeutung, sowohl um Geschäftsgeheimnisse zu wahren als auch um sich vor Bedrohungen wie Ransomware-Angriffen zu schützen, die die Produktion lahmlegen können. Ein unsachgemäßer Umgang mit Daten kann somit zu Informationslecks, böswilligen Zugriffen oder erheblichen finanziellen Verlusten führen.

Angesichts dieser Herausforderungen hat sich die industrielle Cybersicherheit heute zu einer zentralen Priorität entwickelt. Unternehmen müssen nicht nur sichere Systeme einsetzen, um ihre Datenströme zu kontrollieren, sondern auch die geltenden Sicherheitsstandards einhalten, wozu auch die Durchführung regelmäßiger Penetrationstests gehört. Der Einsatz von Data Management Platform (DMP) -Lösungen ermöglicht insbesondere eine bessere Kontrolle des Zugriffs auf sensible Informationen und die Überwachung des Datenaustauschs in Echtzeit. Darüber hinaus ist die Schulung der Teams in der Erkennung von Bedrohungen und der Anwendung von Sicherheitsprotokollen ein wesentlicher Hebel zur Stärkung der allgemeinen Widerstandsfähigkeit der Anlagen.

An der Schnittstelle zwischen Datenmanagement und Anlagensicherheit werden Datenmanagement und Cybersicherheit somit zu unverzichtbaren Säulen, um die Betriebskontinuität und die nachhaltige Leistungsfähigkeit von Industrieanlagen zu gewährleisten.

Industrie 1.0: Mechanisierung (Dampfmaschine)

Ende des 18. Jahrhunderts markierten die Erfindung und Verbreitung der Dampfmaschine den Beginn der ersten industriellen Revolution (Industrie 1.0). In dieser Zeit, die bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts reichte, wurden nach und nach Maschinen eingeführt, die bestimmte Aufgaben automatisieren und die Produktionskapazitäten erheblich steigern konnten.

Zunächst vom Vereinigten Königreich vorangetrieben – dank der Nutzung von Kohle als Brennstoff für Dampfmaschinen – verbreiteten sich diese Grundprinzipien und Methoden rasch im übrigen Europa. In Frankreich trugen auch die Entwicklung und Vermarktung erster mechanisierter Maschinen, wie beispielsweise der Nähmaschine, zu dieser Dynamik bei und begleiteten die Modernisierung der Fertigungsverfahren.

Industrie 2.0: Elektrifizierung und Massenproduktion

Ende des 19. Jahrhunderts erreichte die Industrie mit der Einführung der Elektrizität und der Nutzung neuer Energiequellen wie Erdöl und Erdgas eine neue Stufe. Diese zweite industrielle Revolution, auch Industrie 2.0 genannt, ermöglichte es den Produktionsstätten, ihre Kapazität, ihr Tempo und ihre Effizienz zu steigern. In dieser Zeit entstanden auch die ersten Fließbänder, insbesondere in der Automobilindustrie bei Ford, was den Weg für die Massenproduktion ebnete. Die Industrie erreichte damit eine neue Größenordnung, mit besser organisierten Prozessen und einer stärker standardisierten Fertigung.

Industrie 3.0: Automatisierung und Industrieinformatik

Ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts trat die Industrie mit dem Aufschwung der Elektronik und der Informatik in eine neue Phase ein. Diese dritte industrielle Revolution, auch Industrie 3.0 genannt, markierte den Beginn einer weiter fortgeschrittenen Prozessautomatisierung. Automatisierte Systeme, speicherprogrammierbare Steuerungen und die ersten IT-Tools ermöglichten es, Präzision, Produktivität und Zuverlässigkeit zu steigern. In dieser Zeit entwickelten sich auch die ersten Steuerungs- und Überwachungsprozesse, die die Art und Weise, wie Industrieanlagen gesteuert werden, nach und nach verändern sollten.

Industrie 4.0: Digitalisierung und eingebettete Intelligenz

Heute tritt die Industrie mit dem Aufkommen digitaler Technologien, vernetzter Anlagen und Datenanalysen in eine neue Phase des Wandels ein. Diese vierte industrielle Revolution, auch Industrie 4.0 genannt, basiert auf der Vernetzung von Maschinen, Sensoren und Steuerungssoftware, um den Betrieb der Anlagen in Echtzeit besser überwachen zu können (Smart Production).

Diese Software ermöglicht es Industrieunternehmen, die Analyse ihrer Anlagen zu verbessern, ihren Energieverbrauch zu optimieren und Ausfälle zu antizipieren, bevor diese zu ungewollten Produktionsausfällen führen – insbesondere dank maschinellem Lernen, das die Nutzung von Daten für Korrekturen in Echtzeit ermöglicht. Vor dem Hintergrund steigender Energiekosten und der Ziele zur Dekarbonisierung erweisen sich die Technologien der Industrie 4.0 als strategischer Hebel zur Stärkung der Leistungsfähigkeit und Wettbewerbsfähigkeit von Industriestandorten.

Auf dem Weg zur Industrie 5.0: Humanisierung, Nachhaltigkeit und Resilienz

Industrie 5.0 setzt den durch Industrie 4.0 eingeleiteten Wandel fort und verfolgt dabei eine umfassendere Vision der industriellen Leistungsfähigkeit.

Das Prinzip ist klar: Der Mensch soll neben fortschrittlichen Technologien wieder in den Mittelpunkt der Produktionsprozesse gerückt werden. Diese neuen Technologien im Dienste des Menschen warten nur darauf, in diese Produktionsprozesse integriert zu werden (künstliche Intelligenz, Cloud Computing, Big Data usw.), und die Perspektiven sind vielfältig. In dieser neuen industriellen Revolution wird der Mehrwert vor allem menschlicher, widerstandsfähiger und nachhaltiger sein – im Dienste der Produktion.

Diese Entwicklung trägt auch zur industriellen Widerstandsfähigkeit bei, indem sie Unternehmen dabei unterstützt, sich besser an Unwägbarkeiten, Marktveränderungen und ökologische Auflagen anzupassen. Sie steht im Zeichen der Nachhaltigkeit und Dekarbonisierung, wobei der Reduzierung des Energieverbrauchs industrieller Aktivitäten zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt wird.

Konkret gewinnen auch die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft an Bedeutung, um die Ressourcennutzung zu optimieren und Abfall zu vermeiden. Energie wird somit zu einer strategischen Säule, um industrielle Leistungsfähigkeit, ökologischen Wandel und langfristige Wettbewerbsfähigkeit in Einklang zu bringen.[

Die Schlüsselrolle intelligenter Messtechnik

Intelligente Messtechnik bedeutet eine vollständige Kontrolle über den industriellen Prozess. Das heißt: Dank Echtzeitmessungen erhalten Industrieunternehmen einen genaueren Einblick in den Betrieb ihrer Anlagen und ihren Energieverbrauch. Diese Transparenz erleichtert die Erkennung von Anomalien, sei es eine Abweichung, eine Fehlfunktion oder ein ungewöhnlicher Verbrauch. Durch die Analyse des Zusammenhangs zwischen Energieverbrauch und Produktion wird es zudem möglich, die tatsächliche Leistungsfähigkeit der Prozesse besser zu verstehen, konkrete Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren und Aktualisierungen sowie andere Korrekturen automatisch zu übermitteln.

Dieser Ansatz fördert zudem die vorausschauende Instandhaltung, indem er dabei hilft, bestimmte Ausfälle zu erkennen, bevor sie die Produktion beeinträchtigen. Schließlich ermöglicht die langfristige Auswertung der Daten eine kontinuierliche Optimierung des Verbrauchs. Mit anderen Worten: Im Sinne von Industrie 4.0 werden Daten zu einem Hebel für die Leistungssteigerung.

Intelligente Regulierung des Lac d’Ailette: Vorausschauende Erkennung von Hochwasserrisiken dank Industrie 4.0

Die Bewirtschaftung des Lac d’Ailette in der Region Hauts-de-France zielt darauf ab, ein hydraulisches Gleichgewicht zwischen den Zuflüssen stromaufwärts und den Belastungen stromabwärts aufrechtzuerhalten, indem eine Mindestabflussmenge für die Ökosysteme gewährleistet und gleichzeitig Überschwemmungen bei starken Regenfällen verhindert werden.

In der Vergangenheit basierte diese Regulierung auf manuellen Anpassungen und nur sporadisch verfügbaren Daten, was die Vorhersage von Wetterereignissen einschränkte. Bei Gewittern konnten die raschen Schwankungen des Abflusses zu Überschwemmungsgefahren führen und die Aktivitäten flussabwärts beeinträchtigen.

Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, wurde eine vernetzte Infrastruktur eingerichtet. Autonome Durchflussmesser messen kontinuierlich den Wasserstand des Sees und die Durchflussmengen der Flüsse. Diese Daten werden automatisch an eine Online-Plattform übermittelt. Anschließend ruft die Fernverwaltungs-SPS FBox die Daten über eine API ab, wandelt sie um und wertet sie in Echtzeit aus.

Das Herzstück der Anlage bildet ein Industrie-Regler vom Typ PSC200, der ein MONOVAR-Ventil automatisch auf der Grundlage von Sollwerten steuert, die entsprechend den hydraulischen Bedingungen berechnet werden. Die gesamte Anlage wird über eine Touchscreen-Benutzeroberfläche überwacht , über die Daten angezeigt, Ereignisse protokolliert und Regelparameter angepasst werden können.

Diese Lösung verdeutlicht die Vorteile von Industrie 4.0: Echtzeitdaten, Vernetzung der Anlagen, Automatisierung und höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber unvorhergesehenen Ereignissen.

Nutzung von Prozessdampf: Zuverlässigere Energieausnutzung durch industrielle Daten

Im Rahmen der energetischen Verwertung erzeugt eine Verbrennungsanlage Dampf, der zur Versorgung einer benachbarten Papierfabrik bestimmt ist. Dabei geht es darum, die erzeugten, übertragenen und verbrauchten Mengen genau zu messen, um eine zuverlässige Abrechnung zu gewährleisten.

Die Vielzahl der Messpunkte und die verstreute Lage der Anlagen erschwerten die Überwachung, da die Daten nicht zentralisiert waren und es an Transparenz hinsichtlich der Energieflüsse mangelte.
Daher wurde eine vernetzte Messarchitektur implementiert. Durchfluss- und Wärmemengenzähler vom Typ ERW700 messen die Dampf- und Kondensatströme, wobei die Datenerfassung über Modbus RTU erfolgt und die Daten anschließend über Modbus TCP in einem Ethernet-Netzwerk übertragen werden. Die Fernverwaltungs-SPS – FBox – zentralisiert und strukturiert die Daten und generiert standardisierte Dateien.

Diese Dateien können automatisch an externe Plattformen, insbesondere an die ADEME, übermittelt werden, was die behördlichen Formalitäten und den Zugang zu Energiefördermitteln erleichtert.

Das System umfasst zudem Steuerungen und Benutzeroberflächen, die Abweichungen in Echtzeit erkennen und nur die relevanten Daten aktualisieren können, wodurch die Reaktionsfähigkeit verbessert wird.

Die Daten sind anschließend über eine Leitstelle abrufbar, die einen konsolidierten Überblick über die Strömungen bietet und es ermöglicht, sowohl die Abrechnung zuverlässiger zu gestalten als auch Ansatzpunkte für die Energieoptimierung zu identifizieren.

Dieses Projekt veranschaulicht den Beitrag von Industrie 4.0 zur energetischen Verwertung: Vernetzung der Anlagen, zuverlässigere Daten, Automatisierung der Abläufe und Leistungssteigerung.

Diese Veränderungen sind auch Teil nationaler und internationaler Entwicklungen. In Frankreich sieht der Plan „France 2030“ Investitionen in Höhe von fast 54 Milliarden Euro vor, um die Digitalisierung der Industrie voranzutreiben, ergänzt durch Initiativen wie „Industrie du Futur“, die darauf abzielen, KMU und mittelständische Unternehmen zu unterstützen. Auf europäischer Ebene verdeutlichen Programme wie „Industrie 2025“ in der Schweiz ebenfalls diesen Willen, die industrielle Wettbewerbsfähigkeit durch digitale Innovation zu stärken.

Digitale Zwillinge* sind virtuelle Nachbildungen von Produktionslinien, die erstellt werden, um Änderungen zu simulieren, ohne die eigentliche Fertigung zu unterbrechen.

Die Fabrik 4.0 basiert heute auf einer vernetzten Fabrik, in der Anlagen, Sensoren und digitale Systeme kontinuierlich miteinander kommunizieren. In diesem Umfeld ermöglicht die datengesteuerte Produktion ein besseres Verständnis der Prozesse und eine präzise Anpassung der Abläufe.

Die Leistung lässt sich nun kontinuierlich messen, was einen klaren Überblick über die Effizienz der Anlagen und eventuelle Abweichungen bietet. Diese Daten erleichtern die Einführung eines intelligenten Energiemanagements, wodurch sich der Verbrauch besser kontrollieren lässt.

Durch die Auswertung dieser Informationen können Hersteller zudem Störungen vorhersehen und so dazu beitragen, ungeplante Stillstände zu reduzieren und gleichzeitig die allgemeine Zuverlässigkeit der Produktion zu steigern.

Um den Übergang zu Industrie 4.0 einzuleiten, benötigen Industrieunternehmen vor allem einen besseren Überblick über ihre Anlagen. Genau diesem Ansatz folgen die von Fuji Electric angebotenen Lösungen. Intelligente Drucksensoren, Durchflussmesser und vernetzte Sensoren sowie Energiezähler ermöglichen eine genauere Messung des Verbrauchs, sei es beim Energieverbrauch oder bei Parametern im Zusammenhang mit industriellen Prozessen.

Diese Daten können anschließend über HMI-Schnittstellen und Überwachungslösungen zentralisiert und ausgewertet werden , was ihre tägliche Auswertung und Analyse erleichtert. Schließlich tragen Frequenzumrichter dazu bei, die Energieeffizienz der Anlagen zu verbessern und gleichzeitig die Steuerung von Industriemotoren zu optimieren. Zusammen bilden diese Technologien wesentliche Bausteine für den Aufbau vernetzter und leistungsfähiger Industrien.

Durch die Integration von Lösungen, die mit Industrie 4.0 kompatibel sind, können Industrieunternehmen die Leistung ihrer Anlagen deutlich steigern. Wie bereits erwähnt, bieten diese Technologien durch eine bessere Transparenz hinsichtlich der Funktionsweise der Anlagen konkrete Vorteile:

• Reduzierung von Energieverschwendung durch eine genauere Verbrauchsüberwachung
• Steigerung der Effizienz der Produktionsprozesse
• Weniger ungeplante Stillstände durch schnellere Erkennung von Störungen
• Frühzeitige Erkennung von Ausfällen durch kontinuierliche Datenanalyse
• Erhöhte Zuverlässigkeit industrieller Prozesse
• Bessere Rückverfolgbarkeit der Daten, unerlässlich für die Leistungsüberwachung und Wartung

Dieser Ansatz ermöglicht somit eine nachhaltige Optimierung der Anlagen, indem er Betriebsleistung und Energieeffizienz miteinander verbindet.

Energieaudit für Industrieunternehmen

Das industrielle Energieaudit ist oft der Ausgangspunkt für einen wirksamen Verbesserungsprozess. Dieser basiert zunächst auf einer Verbrauchsanalyse, die unerlässlich ist, um zu verstehen, wie die Energie am Standort tatsächlich genutzt wird. Auf dieser Grundlage lassen sich anschließend Verluste identifizieren, sei es in Form von übermäßigem Verbrauch, Abweichungen oder eher strukturellen Ineffizienzen. Schließlich hilft die Ermittlung kritischer Punkte dabei, die Bereiche oder Anlagen zu identifizieren, die die Energieeffizienz am stärksten beeinträchtigen, um gezielte Maßnahmen festzulegen, die auf die Prioritäten des Standorts zugeschnitten sind.

Gemeinsame Konzeption und Integration

Der Erfolg eines Industrieprojekts hängt oft von einem Ansatz ab, der eng auf die Gegebenheiten vor Ort abgestimmt ist. Genau darin liegt der Vorteil eines gemeinsamen Entwicklungsansatzes von Fuji Electric und den Teams vor Ort. Er beginnt mit der Festlegung von Schlüsselindikatoren, um die Energie- und Betriebsleistung zielgerichtet zu überwachen. Anschließend werden Mess- und Überwachungssysteme integriert, um die von den Anlagen gelieferten Daten zu erfassen, zu zentralisieren und auszuwerten. Schließlich werden die Lösungen schrittweise eingeführt, wodurch bestehende Anlagen angepasst und ein kontrollierter Übergang zu besser vernetzten und leistungsfähigeren Infrastrukturen gewährleistet werden kann.

Einführung und Überwachung

Die Einführung der Lösungen umfasst eine Phase der Installation und Konfiguration der Geräte, um deren optimale Integration in die bestehenden Anlagen sicherzustellen. Sobald die Geräte betriebsbereit sind, ermöglicht die Auswertung der erfassten Daten eine Analyse der Energieeffizienz und die Ermittlung neuer Optimierungsmöglichkeiten. Die Optimierung der Lieferkette durch den Austausch von Echtzeitdaten bietet vollständige Transparenz über Bestände und Logistik.