Prozessanalyse und Industrie 4.0

Industrie 4.0 umschreibt das Entstehen von digitalen Systemen in Unternehmen, über welche Maschinen, Produkte und Anwendungen miteinander vernetzt sind und direkt miteinander kommunizieren. Erfahren Sie was nötig ist, um eine wirkliche Effizienzsteigerung der Produktion zu erreichen.

1 Anforderungen gemäss Industrie 4.0

Informationen digitalisieren
Damit Systeme zu „denken“ und zu handeln beginnen können, muss das für die Prozesssteuerung notwendige – heute menschliche – Wissen digital aufbereitet und zur Verfügung gestellt werden. Wenn Aufträge selbstständig den Weg durch die Produktion finden sollen, müssen Informationen präzise aufgearbeitet, digitalisiert, untereinander vernetzt und auswertbar gemacht werden. Das ERP-System muss unterschiedliche Fertigungsmöglichkeiten nicht nur kennen, sondern auch in der Lage sein, zwischen diesen zu wechseln – mit allen Auswirkungen auf Rezepturen, Prüfpläne und Mitarbeitereinsatz, die ein solcher Wechsel mit sich bringt. In der präzisen Pflege dieser Daten, ihrer Vernetzung untereinander und der Umwandlung in auswertbares Wissen liegt schon heute grosses Potenzial für eine Effizienzsteigerung in der Produktion, für kürzere Durchlaufzeiten und eine bessere Positionierung im Wettbewerb.


Prozesse überwachen und optimieren
Fertigungsdaten – und zwar alle - müssen von den Anlagen an das führende System rückgemeldet, gesammelt und vor allem auch ausgewertet werden. Aus einer enormen Datenmenge soll Wissen destilliert werden. Die Verbindung von Systemen und Anlagen und die Nutzung von Echtzeitdaten für Planung und Prognose sind die Grundlage für Industrie 4.0.


2 Prozessanalytik als Teilprozess

Die Qualität eines Fertigungsprozesses muss überprüft werden, soviel ist klar. Grundsätzlich gibt es vier Methoden, mit denen Prozessanalyse betrieben und überwacht werden können. Es sind dies offline, atline, online und inline Analysen.

  • Offline:
    Ein Mitarbeiter entnimmt die Probe und übergibt sie einem Labor.
  • Atline:
    Ein Mitarbeiter entnimmt die Probe und analysiert sie mit einem Gerät in der Nähe des Produktionsprozesses.
  • Online:
    Die Probe wird automatisch entnommen und einem Analysegerät zugeführt. Die Sonde ist nur während der Analyse mit der Probe in Kontakt.
  • Inline:
    Eine Sonde des Analysegerätes ist im Bad platziert und übermittelt die Messdaten kontinuierlich an die Prozesssteuerung.


Die Methoden haben folgende Vor- und Nachteile:

   Vorteile   Nachteile
 offline 

bestehende Laboreinrichtung
bestehende Mitarbeiter

Probeentnahme durch Person
langsame Methode
gefährlich für Mitarbeiter
nicht reproduzierbar
menschliche Fehler
 atline  teilautomatisierter Prozess
reproduzierbar
kürzere Probenintervalle
maschinelle Analyse
Prozesskommunikation 
Probeentnahme durch Person
gefährlich für Mitarbeitende
 online  automatisierter Prozess
Sicherheit für Mitarbeiter
schnelles Feedback
reproduzierbar
Prozesskontrolle und Prozessoptimierung
engmaschige Überwachung relevanter Elektrolytparameter
24/7-Betrieb möglich
Analyse mehrerer Parameter
Überwachung mehrerer Messstellen
Kombination von Analysenmethoden
automatisches Nachdosieren der Lösungen
bauliche Massnahmen notwendig (Fast Loop)
Probenverschleiss
Vorbereitung der Reagenzien und deren Verbrauch
 inline  keine Probenahme

sicher
schnelles Feedback
kein Fast Loop
Prozesskontrolle und Prozessoptimierung

sorgfältige Probenvorbereitung notwendig zur Verhinderung von Verfälschungen der Resultate durch Partikel oder Gas

In einer digitalisierten und automatisierten Fertigung ist eine einfache sporadische Überprüfung der Lösungen im eigenen oder im Auftragslabor nicht ausreichend. Selbsttätige Analysensysteme müssen Konzentrationen, Fremd- und Nebenkomponenten sowie Arbeitsmedien kontinuierlich erfassen, in vorhandene QM-Systeme integrieren und allfällige Korrekturmassnahmen einleiten. Nur so können die Einhaltung von Toleranzen und eine gleichbleibende Qualität gewährleistet werden.
Wenn dem Gedanken von Industrie 4.0 entsprochen werden soll, muss die Prozessanalytik automatisiert und in den Fabrikationsprozess integriert werden.


3 Prozessanalysatoren für die Oberflächentechnik

Die chemische Zusammensetzung der unterschiedlichen wässrigen Lösungen in der Oberflächentechnik variiert von stark korrosiven über hochkonzentrierte zur Auskristallisation neigende Elektrolyte bis hin zu Spüllösungen mit Analytkonzentrationen (Verschleppungen) im ppm-Bereich.
Daraus ergeben sich besondere Anforderungen an automatisierte Analysensysteme hinsichtlich Aufstellungsort und Wartungs- und Bedienkonzept. Prozessanalysatoren im Bereich der Oberflächentechnik müssen folgende Anforderungen erfüllen, um rund um die Uhr verlässliche Analysenwerte generieren zu können:

  • robuste und chemisch inerte Nassteilkomponenten
  • konsequente Trennung von Nassteil und Elektronikteil
  • wartungsfreie Sensoren
  • einfache Bedienbarkeit
  • direkte Einbindung in die Prozesssteuerung


4 Wartungsfreie Sensoren

Am Beispiel des pH-Wertes
Eine genaue und verlässliche Erfassung des pH-Wertes gewährleistet die gewünschte Vorbehandlungsqualität und Abscheidungsgüte. Chemische, physikalische und mechanische Einflüsse setzen Inline-Sensoren zu und können die Messresultate verfälschen mit entsprechenden Ausfällen als Folge.

Zu den wichtigsten Einflussfaktoren gehören:

  • schwankende Messungen durch Luftblasen, Feststoffe oder hohe Strömungsgeschwindigkeiten
  • aggressive und hochkonzentrierte Elektrolyte
  • hohe Temperaturen
  • aufwändige manuelle pH-Kalibration beziehungsweise Reinigung

Der direkte Kontakt von Glassensoren mit den Elektrolyten kann bei der Inline-Methode die Sensoren beschädigen und einen häufigen und kostenintensiven Austausch zur Folge haben. pH-Online-Prozessanalysatoren bieten vollautomatische Kalibier- und Reinigungssysteme, die eine robuste Messung auch an schwer zugänglichen Messstellen oder in aggressiven Prozessmedien erlauben. Die Verlagerung der Messung aus dem Prozess in eine externe Messzelle bewirkt eine langlebige pH-Messung mit einer Genauigkeit, die mit klassischen Inline-Sonden unerreichbar ist.
Die Einstellung des pH-Wertes im chemisch abscheidenden Nickelelektrolyten erfordert eine sehr robuste und genaue Messung. Der pH-Wert muss möglichst im Bereich von ± 0,1 pH-Wert-Einheiten konstant gehalten werden. Herkömmliche Inline-Sonden können diese Vorgabe nur nach aufwändigen, regelmässigen manuellen Kalibriertätigkeiten erfüllen. Ein automatisches System konditioniert und kalibriert die Elektrode automatisch und kann auch Nachdosierpumpen ansteuern.

Am Beispiel der Thermoprobe
Bei der thermometrischen Titration (TET) wird der Endpunkt einer Reaktion durch einen sehr empfindlichen Temperatursensor erkannt. Jede chemische Reaktion ist durch eine Änderung der Reaktionswärme gekennzeichnet.

Entweder wird Reaktionswärme freigesetzt (Temperatur steigt = exotherm) oder Energie aus der Umgebung aufgenommen (Temperatur sinkt = endotherm). Der bei der thermometrischen Titration verwendete Sensor erfasst kleinste Temperaturänderungen schnell und präzise. Durch die Verwendung von chemisch inerten Materialien können auch hochkorrosive Medien wie flusssäurehaltige Lösungen untersucht werden. Der Sensor Thermoprobe muss weder kalibriert noch konditioniert werden. Er ist wartungsfrei, ermöglicht sowohl eine sichere Analyse von hochkorrosiven Ätzlösungen wie beispielsweise Ätzbäder als auch eine Differenzierung von Säuregemischen und bewältigt Analysen, für die früher mehrere unterschiedliche Sensoren (wie z. B. pH-, Metall- oder Ionen selektive Sensoren) notwendig waren.


5 Schlussfolgerung und Blick in die Zukunft

Wenn ein Unternehmen aus der Oberflächentechnik die Automobilindustrie oder den Maschinenbau beliefern will, besteht Nachweispflicht und die Anforderungen an die Digitalisierung in der Fertigung werden höher. Daten müssen konsequent erfasst, ausgewertet und entsprechende Rückschlüsse gezogen werden.

Erst dieser Regelkreis ermöglicht eine wirkliche Effizienzsteigerung der Produktion, eine Einbindung in die Industrie 4.0 und die Sicherung entscheidender Wettbewerbsvorteile.

Vollautomatische Prozessanalysatoren mit zuverlässigen und wartungsfreien Sensoren können pausenlos Daten generieren und Prozesse anstossen, die - über den gesamten Produktionsprozesses betrachtet - für kürzere Durchlaufzeiten, die Erhaltung von hohen Qualitätsstandards und eine Reduktion von Fehlproduktionen (verlorene batches) sorgen.

Metrohm Schweiz AG
Dr. Yves Buchmüller
Industriestrasse 13
4800 Zofingen

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