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Die Erfindung betrifft eine Retrofit-Vorrichtung zum Erfassen von Verbräuchen einer industriellen Maschine mit einem Energiezähler und einem Druckluftzähler, deren Daten in einer Auswerteeinheit ausgewertet werden.
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Nachhaltigkeit und Energieverbrauch bzw. Energiebewusstsein sind derzeit aktuelle Schlagworte, denen aufgrund knapper Energieresourcen und wachsender Umweltprobleme immer größere Bedeutung und damit einhergehend ein immer höherer Stellenwert zukommt. Das gilt insbesondere für die industrielle Fertigung, denn dort wird die meiste Energie verbraucht und haben nachhaltige Konzepte die größte Wirkung. Deshalb ist es wichtig, in der industriellen Produktion eine hohe Transparenz bezüglich des Energieverbrauchs einzelner Komponenten zu erhalten, um dadurch das Energiemanagement optimieren zu können.
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Ein solches Energiemanagement wird auch unterstützt durch den Erfolg von in den letzten Jahren geschaffen Data-Science-Methoden. Günstige Datenverarbeitung und große Datenmengen bilden den optimalen Rahmen für die Anwendung von Machine Learning in der Industrie 4.0, wodurch nicht nur das Energiemanagement optimiert werden kann, sondern möglicherweise bislang ungenutzte Informationen auch Teil der Wertschöpfungskette werden können und so auch zur digitalen Transformation beitragen.
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Derzeit ist es sehr schwer, von bestehenden Maschinen jeglicher Art, z.B. CNC-Fräsmaschinen, vollautomatisierte Montageanlagen etc., Daten, wie Energie- und Umweltdaten zu erhalten, da diese bestehenden Maschinen nur aufwändig mit diversen Sensoren zur Energie- sowie Umgebungsüberwachung ausgerüstet werden können. Das liegt auch daran, dass Änderungen an bestehenden Maschinen mit sehr hohen Kosten verbunden sind. Solche Kosten ergeben sich aus Dokumentation, CE-Zertifizierung, aufwändige Verdrahtung, veraltete Steuerungssysteme, etc..
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Weitere Nachteile sind, dass die Sensoren bzw. Sensoreinheiten einzeln an immer wieder andere, also maschinenindividuelle Steuerungssysteme angeschlossen werden müssten. Dabei entsteht zum einen ein hoher Programmieraufwand und zum anderen bei Bestandsmaschinen ein erheblicher Dokumentationsaufwand, der u.a. die CE-Kennzeichnung betrifft.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, in möglichst einfacher Weise Energie- und Umweltdaten einer industriellen Maschine zu erfassen, ohne die vorgenannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Retrofit-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Eine erfindungsgemäße Retrofit-Vorrichtung zum Erfassen von Verbräuchen einer industriellen Maschine umfasst:
- einen elektrischen Energiezähler, der in einer elektrischen Versorgungsleitung vorgesehen ist und der Strom und Spannung über der Zeit erfasst,
- einen Druckluftzähler, der in einer Druckluftversorgungsleitung vorgesehen ist und der den Druckluftdurchsatz in der Druckluftversorgungsleitung erfasst,
- eine Auswerteeinheit, der die erfassten Daten des Energiezählers und des Druckluftzählers zugeführt werden und die daraus den Energieverbrauch und den Druckluftverbrauch ermitteln kann,
- ein Kommunikationsgateway, das mit dem Energiezähler und dem Druckluftzähler verbunden ist und das die Daten an die Auswerteinheit sendet,
wobei zumindest das Kommunikationsgateway und der Energiezähler in einem Gehäuse angeordnet sind und das Gehäuse und der Druckluftzähler separat von der Maschine und außerhalb der Maschine angeordnet sind und wobei die Auswerteeinheit außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
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Durch das Vorsehen des Energiezählers und des Druckluftzählers separat von der Maschine und damit getrennt von der Maschine, deren Daten man erfassen möchte, bleibt die Maschine selbst unberührt. Es fällt kein Aufwand für Erneuerung der CE-Kennzeichnung, Anpassung von Schaltplänen, Dokumentation, Verdrahtung oder dergleichen an.
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Durch die eigene Auswerteeinheit, die die erfassten Daten auswertet, sind maschinenindividuelle Anpassungen vermieden. Es entsteht kein zusätzlicher Programmieraufwand oder Dokumentationsaufwand.
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Durch den Einsatz eines Gateways ist die erfindungsgemäße Retrofit-Vorrichtung offen für verschiedenste Schnittstellen und somit plattformunabhängig. Es sind keine Anpassungen an Steuerungssystemen notwendig.
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Eine Überwachung der Druckluft bietet große Kostenvorteile. Druckluft ist in der Erzeugung eine sehr teure Energieform, daher verursachen schon geringe Leckagen große Kosten. Durch eine Überwachung des Druckluftverbrauchs können Leckagen sofort erkannt werden und mögliche Wartungen vorgezogen werden und damit auch der Luftdruckverbrauch wieder gesenkt werden. Dabei ist insbesondere eine permanente Druckluftüberwachung vorteilhaft, denn so könnte zum Beispiel festgestellt werden, in welchen Arbeitssituationen der Maschine Druckluft entweicht.
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Eine Stromverbrauchsüberwachung hat die Vorteile, dass energiefressende Arbeitsbetriebe womöglich in Niedertarifzeiten (bei Haushaltstarifen gibt es bereits Nachtstrom, der um etwa 30 % günstiger ist) geschoben werden können. Man kann davon ausgehen, dass dies auch in der Industrie Einzug halten wird. Um dann Entscheidungen treffen zu können, ob die erhöhten Personalkosten im Vergleich zum günstigeren Strom tragbar sind, ist es wichtig, den Stromverbrauch zu kennen.
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Auch kann die Stromverbrauchskontrolle für das sogenannte „Predictive Maintenance“ genutzt werden. Ein erhöhter Stromverbrauch an Maschinen kann z.B. darauf hinweisen, dass ein Motor gewartet bzw. ausgetauscht werden muss. Über diese frühzeitige Information kann plötzlichen Ausfällen, die unter Umständen zu langen Anlagenstillstandszeiten führen, vorgebeugt werden.
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Vorteilhafterweise ist die Auswerteeinheit in einer Cloud Anwendung realisiert. So kann eine Maschine, bzw. deren Verbräuche, nicht nur fernüberwacht werden, es hat auch den besonderen Vorteil, dass große Cloud-Rechenleistungen für die Datenauswertung zur Verfügung stehen.
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In bestimmten Anwendungen kann es vorteilhaft sein, dass eine Schaltvorrichtung vorgesehen ist, mit der wahlweise die Daten des Energiezählers oder die Daten des Druckluftzählers auf das Kommunikationsgateway geschaltet werden können.
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Zusätzlich zur Erfassung des Energieverbrauchs und des Druckluftverbrauchs, was in der Regel die größten Kostentreiber sind, ist in Weiterbildung der Erfindung wenigstens ein Sensor vorgesehen, der bestimmte Zustände der Maschine oder der Umgebung erfasst und der mit dem Kommunikationsgateway, gegebenenfalls über die Schaltvorrichtung, verbunden ist. Die erfindungsgemäße Retrofit-Vorrichtung ist also erweiterbar um weitere Sensoren. Diese können Vibrationen, Temperaturen, Druck, Feuchtigkeit, Orientierungen und/oder dergleichen erfassen.
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Vorteilhafterweise sind solche Sensoren außerhalb des Gehäuses an der Maschine angeordnet.
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Die Daten solcher Sensoren können dazu genutzt werden, Prozessparametermodelle zu erstellen, wobei als Prozessparameter zum Beispiel häufig Vibration, Luftfeuchte und Temperatur infrage kommen. Mit Kenntnis solcher Daten können Prozessexperten Rückschlüsse auf mögliche Fehler ziehen, sollte es zur Produktion von Schlechtteilen kommen.
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Gerade wenn weitere Prozessparameter beobachtet und ausgewertet werden sollen, bietet die Erfindung weiterhin die Möglichkeit, moderne Data-Science-Methoden, die in den letzten Jahren geschaffen wurden, einzusetzen. Günstige Datenverarbeitung und große Datenmengen bilden den optimalen Rahmen für den Einsatz von Machine Learning Anwendungen in der Industrie 4.0. Das Machine Learning bietet immer mehr Möglichkeiten, Rückschlüsse aus Umgebungsdaten auf den Produktionsprozess oder den „Gesundheitszustand“ des Betriebsmittels zu machen. Diese Daten sind stand heute allerdings oft nicht verfügbar. Die Erfindung mit ihrer Retrofitlösung bietet hier eine Möglichkeit, derartige notwendige Daten für das Machine Learning zu erhalten und somit die Vorteile von Machine Learning Ansätzen auch für bestehende Maschinen nutzen zu können. Durch Machine Learning Algorithmen kann man aus solchen Daten vorteilhaft Informationen generieren, wie z.B. das Finden oder Vorhersagen, bei welcher Raumtemperatur und Raumluftfeuchte es zu erhöhten Ausfallraten bei einem Klebeprozess kommt, oder ob und ab wann man aus Vibrationsmustern einer Schraubanlage darauf schließen kann, wann der Schrauberkopf getauscht werden muss.
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Um universell einsetzbar zu sein, arbeitet das Kommunikationsgateway zur Verbindung mit der Auswerteeinheit mit verschiedenen Schnittstellen, wie GSM, 3G+, WLAN, Ethernet mit verschiedenen Protokollen, wie MQTT, OPC UA, JSON und dergleichen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
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Die einzige 1 der Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Retrofit-Vorrichtung 10 in Verbindung mit einer industriellen Maschine 12. Die industrielle Maschine 12 kann jegliche Art von automatisiert arbeitender Maschine sein. Lediglich beispielhaft seien genannt: eine Presse, eine Handhabungsmaschine, ein Roboter, eine Verpackungsmaschine, eine Abfüllanlage oder dergleichen. Derartige Maschinen 12 arbeiten stets mit elektrischer Energie und zumeist auch mit Druckluft. Zumindest sind elektrische Energie und Druckluft die größten Kostentreiber beim Betrieb einer solchen Maschine 12. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die elektrische Energie über eine elektrische Versorgungsleitung 14 und die Druckluft über eine Druckluftversorgungsleitung 16 zugeführt.
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Die Retrofit-Vorrichtung 10 weist ein Gehäuse 18 auf, in dem zumindest ein elektrischer Energiezähler 20 sowie ein Kommunikationsgateway 24 angeordnet sind. Der Energiezähler 20 ist in der elektrischen Versorgungsleitung 14 vorgesehen, d. h. die elektrische Energie, die über die Versorgungsleitung 14 zugeführt wird, fließt durch den Energiezähler 20, so dass dieser den Strom und die Spannung über der Zeit erfassen kann. Weiter ist ein Druckluftzähler 22 vorgesehen, der in der Druckluftversorgungsleitung vorgesehen ist, so dass die der Maschine 12 zugeführte Druckluft durch den Druckluftzähler 22 fließt, der somit den Druckluftdurchsatz erfassen kann. Der Druckluftzähler 22 kann ebenfalls in dem Gehäuse 18 vorgesehen sein, muss es aber nicht.
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Der Energiezähler 20 und der Druckluftzähler 22 sind vorteilhafterweise mit einer Schaltvorrichtung 26 verbunden, mit der wahlweise die Daten des Energiezählers 20 oder die Daten des Druckluftzählers 22 auf das Kommunikationsgateway 24 geschaltet werden können.
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Das Kommunikationsgateway 24 ist mit einer Auswerteeinheit 28 verbunden. Die Auswerteeinheit 28 ist außerhalb des Gehäuses angeordnet und kann beispielsweise in einem gewöhnlichen Computer 30 oder vorteilhafterweise in einer Cloudanwendung 32 realisiert sein. Der Auswerteeinheit 28 werden die erfassten Daten des Energiezählers 20 und des Druckluftzählers 22 zugeführt. Aus diesen Daten werden in der Auswerteeinheit 28 der Energieverbrauch und der Druckluftverbrauch ermittelt. Über geeignete Anzeigemöglichkeiten oder Ausgabemöglichkeiten der Auswerteeinheit 28 kann der Energieverbrauch und/oder der Druckluftverbrauch in gewünschter Weise dargestellt werden.
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Durch den Einsatz von offenen Schnittstellen und dem Einsatz eines Gateways ist die erfindungsgemäße Retrofit-Vorrichtung plattformunabhängig. Es sind keine Anpassungen an Steuerungssystemen notwendig.
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Zusätzlich zur Erfassung des Energieverbrauchs und des Druckluftverbrauchs durch den Energiezähler 20 und den Druckluftzähler 22, ist in Weiterbildung der Erfindung wenigstens ein Sensor 34 vorgesehen, der bestimmte Zustände der Maschine 12 oder der Umgebung erfasst. Der Sensor 34 selbst ist an der Maschine 12 und nicht in dem Gehäuse 18 angeordnet, um Zustände und Eigenschaften der Maschine 12 direkt zu erfassen. Dies können zum Beispiel Vibrationen, Temperaturen, Feuchtigkeit, Druck oder Orientierungen oder dergleichen sein. Der Sensor 34 ist mit dem Kommunikationsgateway 24, gegebenenfalls über die Schaltvorrichtung 26, verbunden, so dass die Daten des Sensors 34 am Ende zur Auswerteeinheit 28 gelangen können.
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In nicht dargestellter Weise, können weitere Sensoren, die Daten von anderen Teilen der Maschine liefern, vorgesehen sein.
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Um universell einsetzbar zu sein, arbeitet das Kommunikationsgateway zur Verbindung mit der Auswerteeinheit mit verschiedenen Schnittstellen, wie GSM, 3G+, WLAN, Ethernet und mit verschiedenen Protokollen, wie MQTT, OPC UA, JSON und dergleichen.
