Gemeinsame Innovation: Wie Södra Cell die Digitalisierung mit Airius LTE-M Funk-Vibrationssensoren nutzt

Bei SPM sind wir durch und durch lösungsorientiert. Unsere Entwicklungsarbeit entsteht aus einer echten Leidenschaft für das Lösen von Problemen, und ein großer Teil davon wird in Zusammenarbeit mit unseren Kunden durchgeführt. Oft geht es dabei um neue Softwarefunktionen, aber manchmal ist das Ergebnis auch eine Erweiterung unserer Produktlinie. Dies war der Fall bei unserem drahtlosen Vibrationssensor Airius LTE-M, der auf Initiative unseres langjährigen Kunden, dem schwedischen Forstunternehmen Södra Cell, entwickelt wurde. Wir haben uns mit Thomas Håkansson, dem Leiter der Technologieentwicklung von Södra Cell, unterhalten, der 2019 mit der Vision an uns herantrat, Digitalisierungstechnologien zur Steigerung der Produktionsmengen des Unternehmens einzusetzen.

In der Überzeugung, dass das Zusammenspiel von Mensch und Technik der Schlüssel zur Steigerung von Produktivität und Kosteneffizienz ist, hat sich Södra Cell auf den Weg gemacht, neue Technologien zu nutzen und zu entwickeln und gleichzeitig neue Arbeitsmethoden einzuführen, um die Auswirkungen der Digitalisierung zu nutzen. Ein Teil dieser Arbeit ist die Verfolgung eines stärker faktenbasierten, datengesteuerten Wartungsbetriebs.

Die streckenbezogene Messung an Tausenden von Messpunkten in jeder der drei Zellstofffabriken war eine zeitraubende Aufgabe für die Wartungsingenieure von Södra Cell. Gleichzeitig wurden die Messungen aufgrund der schieren Anzahl der Maschinen nicht oft genug durchgeführt, um jedes potenzielle Maschinenproblem zu erfassen und genügend Daten für eine sichere Entscheidungsfindung zu liefern.

Dies war der Ausgangspunkt für die Idee, die manuelle Messung durch eine automatisierte Datenerfassung zu ersetzen, die die Wartungstechniker entlasten und eine größere Menge an Maschinenzustandsdaten liefern würde, auf die sich Wartungsentscheidungen stützen könnten. Online-Überwachungsgeräte mit hohem Verkabelungsaufwand kamen nicht in Frage, da die betreffenden Maschinen über große Werksbereiche verteilt sind. Außerdem haben sie nicht die höchste Kritikalitätsstufe und müssen daher nicht ständig überwacht werden. Messgeräte mit drahtloser Kommunikation erwiesen sich daher als die beste Option.

Lieferanten zum gegenseitigen Nutzen zusammenbringen

Eine solche Lösung würde werksweite, sichere drahtlose Netzwerkkommunikationsmöglichkeiten erfordern. Aufgrund der weitläufigen Werksgelände war der Aufbau eigener Wi-Fi-Netze jedoch nicht möglich. Der schwedische Telekommunikationsbetreiber Telia hatte jedoch bereits Mobilfunk-Basisstationen in allen drei Werken installiert. Södra Cell wollte daher herausfinden, ob ein drahtloser Vibrationssensor den Mobilfunk für die Datenübertragung nutzen könnte, und wandte sich daher an Telia und SPM.

"Die Zusammenarbeit mit einem schwedischen Anbieter von Zustandsüberwachungslösungen, der sowohl groß als auch klein genug ist, um sich die Ideen des Kunden anzuhören, ist ein großer Vorteil für uns. Das gilt auch für die Tatsache, dass die Betriebsverantwortung für das drahtlose Kommunikationsnetz beim Betreiber liegt", so Håkansson. "Wir wollten die Lösung nicht selbst entwickeln, sondern die Anforderungen festlegen und die Möglichkeit haben, das Produkt zu testen. Dabei profitierten wir von den Kenntnissen von SPM in der Herstellung und Funktion von Sensoren und von den Kenntnissen von Telia in der Funktechnologie",fuhr er fort.

Ende 2019 wurde die gemeinsame Entwicklung einer neuen Version des drahtlosen Airius-Vibrationssensors beschlossen, der die bestehende Infrastruktur von Telia in jeder Zellstofffabrik für die Kommunikation über LTE-M nutzen sollte. Knapp zwei Jahre später wurden die ersten serienmäßig hergestellten Sensoren installiert. Damals war dies der erste drahtlose Schwingungssensor mit LTE-M-Kommunikation, der auf den Markt kam.

LTE-M - eine flexible Wahl für IoT-Konnektivität

Bei der Wahl zwischen den Funktechnologiestandards NB-IOT und LTE-M entschied sich Södra Cell für LTE-M - eine solide Wahl für flexible und zukunftssichere IoT-Konnektivität. Zu den Vorteilen gehören die Fähigkeit, nicht nur skalare Werte, sondern auch Spektren und Zeitsignale bei jeder Übertragung zu senden, niedrige Latenzzeiten und die Möglichkeit, die Sensor-Firmware aus der Ferne zu aktualisieren.

Die gewählte Technologie hat jedoch auch ihre Nachteile. Die schnellere Übertragungskapazität von LTE-M geht bis zu einem gewissen Grad auf Kosten der Batterielebensdauer. Um die angestrebte Batterielebensdauer von vier bis fünf Jahren zu erreichen, sind angemessene RSSI-Werte (Empfangssignalstärke) und ein bestimmter Temperaturbereich erforderlich.

"Die Technologie funktioniert, die aktuelle Herausforderung ist die Signalstärke und die Batterielebensdauer. Wir können nichts dagegen tun, dass die Umgebungstemperatur die Lebensdauer der Batterien der im Freien installierten Sensoren beeinträchtigt. Die andere Ursache für die Entleerung der Batterien ist, dass die Signalstärke trotz der lokalen Basisstationen in einigen Bereichen unserer Anlagen ein Problem darstellt. Dies wird jetzt überprüft und ergänzt, um eine bessere Abdeckung zu erreichen", so Thomas Håkansson.

Rationalisierung der Datenerfassung für mehr Leistung

Das übergeordnete Ziel der Entwicklung eines drahtlosen Schwingungssensors war es, eine höhere Maschinenverfügbarkeit zu erreichen und damit die Produktion zu steigern - ein ständiges Bestreben in der Industrie. Die Investition von Södra Cell in die Airius-Sensoren wird gegen die Kosten abgewogen, die im Falle eines Ausfalls entstehen, sowie gegen den Zeitaufwand für manuelle Messungen.

Mit den drahtlosen Sensoren wird derzeit einmal am Tag gemessen, was eine frühzeitige Erkennung von Maschinenfehlern und damit die Möglichkeit bietet, Wartungsarbeiten zu planen und durchzuführen, bevor es zu einem Ausfall kommt. Auf diese Weise erzielte Södra Cell allein im ersten Jahr eine Produktionssteigerung von mehr als 4.000 Tonnen.

Die Airius-Sensoren werden an rotierenden Maschinen installiert, die weniger produktionskritisch sind, wie z. B. Schrauben und Pumpen, und stellen eine Ergänzung zur Online-Überwachung dar, die dazu dient, mehr Messdaten über kritische Maschinen zu erhalten.

sagte Thomas Håkansson:"Wir verwenden die drahtlosen Sensoren wie ein Fischernetz. Es ermöglicht uns, sich entwickelnde Probleme zu erkennen, die wir durch zusätzliche Messungen mit Handgeräten bestätigen können. Der Vorteil ist, dass wir mehr Messdaten erhalten, ohne dass sich unsere Mitarbeiter in der Nähe rotierender Maschinen aufhalten müssen. Das ist ein Problem der Arbeitsumgebung. Der Nachteil könnte sein, dass die Messungen nicht durch menschliche Sinne - Sehen, Hören, Riechen usw. - ergänzt werden, die einen Hinweis darauf geben können, ob etwas normal erscheint oder nicht."

Södra Cells Vision für die Zukunft ist, dass alle Objekte, die nicht online überwacht werden, drahtlos überwacht werden, so dass sich die Wartungsabteilungen mehr auf Objekte konzentrieren können, die möglicherweise Probleme bereiten. Langfristig erwartet Södra Cell, dass dies eine weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit ermöglicht.

Neue Rollen und kollaborative Analyse

Dank der erfolgreichen Entwicklung und Implementierung der drahtlosen Airius-Sensoren hat Södra Cell zwei neue Stellen für Dateningenieure mit Erfahrung in der Schwingungsanalyse geschaffen.

Thomas Håkansson:"Damit dieses Projekt funktioniert, geht es nicht nur um die Technologie. Bei der Digitalisierung geht es darum, dass Technik und Menschen zusammenarbeiten - darin liegt das Potenzial. Veränderte Arbeitsmethoden und Rollenverteilungen waren auch für uns eine Reise."

Jedes Werk misst weiterhin manuell an Maschinen, die noch nicht mit Airius-Sensoren ausgestattet sind. Die beiden neuen Stellen sind der Analyse der Airius-Schwingungsmesswerte aus allen drei Werken gewidmet. Dadurch kann Södra Cell in allen drei Werken ähnliche Arbeitsmethoden anwenden, die Kompetenz erhöhen und den Bereich dank der verstärkten Konzentration auf den Teil der Schwingungsanalyse weiterentwickeln. Die neuen Dateningenieure helfen jedoch auch bei der Analyse von Daten aus anderen SPM-Messsystemen, und eines der Werke hat die Analyse von Online-Messungen vollständig in die zentrale Funktion übertragen.

"Die streckenbezogene Messung ist immer noch ein wichtiger Teil unserer Routine - es gibt etwa zwölftausend Objekte. Etwa zweitausend von ihnen sind jetzt mit Airius-Sensoren ausgestattet, so dass es immer noch viele Objekte gibt, die mit manuellen Messungen überwacht werden. Wir versuchen, eine Zusammenarbeit zu etablieren, bei der das Streckenpersonal auch an Analysen und Untersuchungen beteiligt ist, um das lokale Wissen mit dem zentralen Fachwissen über Vibrationen zu kombinieren. Längerfristig, wenn die Strecken nicht mehr gemessen werden, könnte sich ein Teil der Organisationsstruktur ändern - zum Beispiel könnten wir mehr Mitarbeiter für die Analyse brauchen und uns mehr auf die wissensintensive Arbeit konzentrieren", sagt Thomas Håkansson. Er fuhr fort:"Wir befinden uns auf einer kulturellen Reise, einem Übergang. Die Kompetenzen, die zentral vorhanden sind, sollten voll genutzt werden. Aber so weit sind wir noch nicht."

Erfolgreiche Zusammenarbeit mit Lieferanten

Das von der Digitalisierung angetriebene Entwicklungsprojekt Airius LTE-M ist ein leuchtendes Beispiel für die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen schwedischen Industrie- und Technologieunternehmen.

Thomas Håkansson schloss: "Nicht alle Digitalisierungsprojekte funktionieren und werden zu etwas Funktionellem und Nutzbarem. Viele Ideen und Projekte schaffen es nie über Beispiele, Proof-of-Concepts und Tests hinaus. In diesem Fall haben wir unsere Idee zum nächsten Schritt gebracht und sie zusammen mit Telia und SPM zum Fliegen gebracht, und wir nutzen die Lösung in großem Maßstab. Damit hebt sich diese Entwicklungsarbeit von vielen anderen ab. Etwas Neues zu wagen, erfordert finanzielle Stärke und eine gewisse Portion Mut. Wir haben neue Stellen geschaffen, unsere Arbeitsweise geändert und an die Sache geglaubt.

Bislang hat Södra Cell etwa zweitausend Sensoren installiert und angeschlossen, die gleichmäßig auf die drei Zellstofffabriken verteilt sind. Weitere eintausend Sensoren wurden bestellt und teilweise geliefert.