Machine Upgrading 4.0 – Blaas uw machines nieuw leven in: Uitdagingen en kansen

Vandaag gebruiken veel bedrijven industriële machines of installaties die al tientallen jaren oud zijn. Vaak hebben deze machines nog niet het einde van hun nuttige levensduur bereikt, maar voldoen ze ook niet meer aan de huidige stand van de techniek op het gebied van intelligentie of functionaliteit. Op een gegeven moment kan dan de vraag naar boven komen: "Gaan we deze machine upgraden of gaan we hem vervangen?" Omdat er tal van redenen zijn om een machine te upgraden, willen we in dit artikel aantonen dat het upgraden van een verouderde machine een interessante oplossing kan zijn. Enkele redenen om uw machines te upgraden in plaats van ze te vervangen:

  • Kosten: Een machine vervangen is doorgaans duurder dan een machine upgraden.
  • Betrouwbaarheid: Een nieuwe machine is niet altijd beter.
  • Opleiding: Mensen zijn gewoon om de huidige machine te bedienen. Een nieuwe machine vereist veel meer opleiding.
  • Fysieke plaatsing: Soms zijn machines diep in een systeem of gebouw geïntegreerd, wat het fysiek moeilijk maakt ze te vervangen.
  • Milieu: Door uw machines te upgraden, kunt u extra schroot vermijden dat met een vervanging gepaard gaat.

Uitdagingen bij het upgraden van machines

Uw machines upgraden klinkt misschien eenvoudig, vaak is het allesbehalve simpel. Bij het upgraden van machines krijgt u hoe dan ook te maken met een aantal uitdagingen:

  1. Wat is de businesscase? Het bepalen van de huidige kosten en baten is vaak de moeilijkste uitdaging.
  2. Wat wil ik upgraden? Wil u het elektrische of mechanische gedeelte upgraden? Of beide?
  3. Hoe voer ik het uit? Hoe verbindt u het oude met het nieuwe deel? Maar ook, hoe kunt u ervoor zorgen dat uw productie niet wordt onderbroken tijdens het upgraden?

In een machine kunnen verschillende onderdelen worden geüpgraded:

  • Elektrische transformatie: bijv. het upgraden van een besturingseenheid, bedrading, enz.
  • Mechanische transformatie: bijv. het upgraden van versleten onderdelen, actuatoren, enz.
  • Digitale transformatie: bijv. het combineren van data met connectiviteit en data-analyses (‘machine deep learning’) met het oog op het verbeteren van de efficiëntie/prestaties van machines.
  • Conformiteitstransformatie: bijv. hoe kunt u ervoor zorgen dat de geüpgradede machine voldoet aan dezelfde veiligheidsnormen als de huidige machine? Wie is verantwoordelijk voor wijzigingen aan een machine?

In dit artikel zullen we ons vooral richten op de digitale transformatie.

De auteur (Ted Ooijevaar) gaf ook een presentatie over dit topic op Indumation 2022. Deze kan jje hieronder bekijken:

HubSpot Video

Digitale transformatie in detail

De digitale transformatie van een machine in een upgradeproces bestaat uit verschillende stappen:

  1. Sensoren: U hebt sensoren nodig die u data verschaffen om de nodige eigenschappen te meten.
  2. Connectiviteit: U moet toegang kunnen krijgen tot data die vaak op verschillende locaties beschikbaar zijn.
  3. Visualisatie: Dit geeft inzicht in wat er werkelijk gebeurt.
  4. Inzicht: Wat veroorzaakt de veranderingen die je ziet?
  5. Voorspelling: Wanneer kan ik veranderingen verwachten?
  6. Aanpassing: Hoe kan ik een geautomatiseerde slimme beslissing nemen, rekening houdend met het feit dat bepaalde elementen in de omgeving van de machine zullen veranderen.

Belangrijke technologieën die een digitale transformatie aansturen, zijn Data-analyses & AI en Digital Twins, stuk voor stuk technologieën waar Flanders Make actief aan werkt.

Case: Geleidelijke digitale upgrade van een persluchtnetwerk

De co-creatie-site van Flanders Make in Lommel is uitgerust met een 20 jaar oud industrieel persluchtnetwerk dat we gebruiken voor het testen en valideren van opstellingen, klimaatkamers, brandkleppen en algemene machines zoals bandenwisselaars, centrale opvangpunten, enz. In de loop der jaren zijn er echter verschillende problemen met dit netwerk gerapporteerd. Zo heeft de luchtkwaliteit te lijden onder vaste deeltjes, vocht en olie. Ook zijn er verschillende onderhoudsproblemen geweest, zoals lekken, vervuiling van filters, reparaties, storingen, enz. Samenvattend zitten we met een energieverslindend netwerk dat soms uitvalt, waardoor eindgebruikers in de problemen komen. Om dit op te lossen, hebben we besloten om ons persluchtnetwerk geleidelijk digitaal te upgraden.

compressed-air-network

  1. Zorg voor een correcte inschatting van de kosten: verzamelen van data

Bij de start van het upgradeproces hebben we een kosten-batenanalyse uitgevoerd. Voor een eenvoudige case volstaat het om te kijken naar het investeringsrendement (‘Return On Investment’ – ROI), of, op langere termijn, naar de levenscycluskosten (‘Life Cycle Costs’ – LCC) of de totale eigendomskost (‘Total Cost of Ownership’ – TCO).

Het verzamelen van deze kostengegevens is vaak tijdrovend en moeilijk: uw machine is bijvoorbeeld al 25 jaar oud en u moet niet alleen de initiële kosten berekenen, maar ook de bedrijfskosten, de servicekosten, de kosten voor opleiding, voor onderhoud, voor software, voor reserveonderdelen, voor documentatie, voor gereedschap, voor verwijdering enz. U moet met al deze kosten rekening houden omdat dit tot een betere analyse en dus een betere beslissing zal leiden. Gelukkig worden de meeste kosten vaak bepaald door slechts een paar kostenfactoren.

Een nauwkeurige kosten-batenanalyse maken, vergt nogal wat werk. Vaak zit kennis niet opgeslagen in bestanden, maar in de hoofden van mensen die betrokken waren bij de aankoop of het onderhoud van de machine. Een nauwkeurig beeld krijgen van de kosten kan een uitdaging zijn en is vaak niet zo eenvoudig. Het is echter van het grootste belang om een geschikt upgradescenario te kunnen uittekenen.

In het algemeen zou je kunnen stellen dat er 3 bronnen zijn die u als input voor uw kosten-batenanalyse kunt gebruiken:

  1. Expertise: bijvoorbeeld iemands ervaring met het aantal machine-inspecties of de oorspronkelijke aankoopkosten.
  2. Historische gegevens: kosten die kunnen worden getraceerd in logboeken of in de administratie, zoals kosten voor reparaties, onderhoud en uitvaltijden.
  3. Operationele gegevens: kosten die verband houden met het werkelijke gebruik van de machine, denk aan energieverbruik, verbruiksprofiel, lekkage, enz.

Voor ons persluchtnetwerk hebben we 3 belangrijke kostenfactoren geïdentificeerd:

  • Aankoopkosten:
    • Deze kosten konden we gemakkelijk vaststellen aan de hand van de oorspronkelijke facturen.
  • Onderhoudskosten: Het vaststellen van de onderhoudskosten was wat moeilijker, maar we konden deze als volgt bepalen:
    • Onderhoud en reparaties: gebruik van oude facturen in het onderhoudslogboek
    • Terugkerende inspecties: gesprekken met onze facility manager die betrokken was bij verschillende inspecties en zelf ook regelmatig inspecties uitvoerde. Zowel de kosten van de inspecties als zijn werkuren moesten worden meegerekend.
    • Kosten veroorzaakt door uitvaltijden: In de loop der jaren hebben we verschillende machine-uitvallen gehad. Om deze op te lossen, huurden we dan een vervangcompressor. Deze kosten moesten ook worden meegerekend.
  • Energiekosten:
    • Het energieverbruik was onbekend. De belangrijkste uitdaging was een schatting te krijgen van het energieverbruik van het systeem. Helaas beschikten we niet over voldoende gegevens om de energiekosten te kunnen inschatten.

Upgrade 1: toevoeging van sensoren

Op basis van onze kosten-batenanalyse hebben we drie upgradescenario's uitgetekend:

  1. Geen upgrade
  2. Upgraden van de machine
  3. Aankoop van een nieuwe machine

Omdat we geen operationele gegevens hadden om de kosten-batenanalyse af te ronden, kozen we voor een eerste upgrade door extra sensoren toe te voegen om een beter inzicht te krijgen in de werking van de eindgebruikers. Op deze manier zouden we een beter inzicht kunnen krijgen in de wijze waarop ons persluchtnetwerk wordt gebruikt. De geïnstalleerde sensoren omvatten:

  • Stroom- en spanningssensoren om het stroomverbruik te meten.
  • Druk-, temperatuur- en debietsensoren in de buurt van de eindgebruikers in het netwerk.

Na het installeren van de sensoren konden we beginnen met het verzamelen van gegevens. Met behulp van een softwareraamwerk hebben we data via een MQTT-broker naar een influxdatabase gestuurd, waar we de gegevens hebben opgeslagen. Vervolgens hebben we deze gegevens gebruikt en beheerd via een Node-RED-softwarelaag, een low-code-programmeeromgeving die het mogelijk maakt om op eenvoudige wijze verschillende gegevensbronnen te verbinden en, bijvoorbeeld, drempels in te stellen.

compressed-air-network-dashboard

Deze gegevens werden vervolgens naar een dashboard gestuurd dat de statistieken van alle verschillende eindgebruikers binnen onze faciliteit over een bepaalde periode visualiseert. Vrij snel leidden de gegevens in ons dashboard ons tot de volgende conclusies:

  1. Ongeveer 70% van de kosten hield verband met energie.
  2. We hadden een vrij hoog stationair verbruik (ongeveer 10k€/jaar), voornamelijk door lekken in het netwerk.
  3. We zagen sterk wisselende perioden in de vraag naar perslucht. Er waren lange perioden met een zeer lage vraag, afgewisseld door korte perioden met een zeer hoge vraag.
  4. Tot slot hebben we een infrastructuur die de hele tijd druk vereist, zodat het uitschakelen van de compressor in periodes met weinig vraag geen optie is.

 Upgrade 2: wijzigen van de voorinstellingen

Het verzamelen, visualiseren en analyseren van deze gegevens was slechts het beginpunt. Met de nieuwe inzichten in het energieverbruik en de gebruiksprofielen van de persluchtgebruikers konden we nu een nauwkeurigere kosten-batenanalyse uitvoeren om de meest geschikte tweede machine upgrade-iteratie te bepalen. Naast het dichten van bestaande lekken, hebben we drie verschillende upgradescenario's overwogen:

  1. Geen upgrade
  2. Upgradescenario 1: wijziging van de actieve drukvoorinstellingen op basis van de werking en behoeften van de eindgebruikers
  3. Upgradescenario 2: toevoeging van een kleine compressor voor dagen met een lage vraag

Door deze drie opties met behulp van een door ons ontwikkelde tool voor kosten-batenanalyses met elkaar te vergelijken (inclusief worst-case- vs. best-case-cijfers), konden we de kosten tot 2025 inschatten. De resultaten waren als volgt:

  • Geen upgrade:
    • Tegen 2025: 19,3 k€/jaar
  • Aanpassing van actieve drukvoorinstellingen:
    • Tegen 2025: 16 k€/jaar
  • Toevoeging van een kleine compressor:
    • Tegen 2025: 14,1 k€/jaar

compressed-air-network-graphs

Het toevoegen van een kleine compressor zou resulteren in de laagste jaarlijkse kost, maar deze oplossing zou momenteel een hogere investering vergen. Daarom hebben we besloten om voor het tweede scenario te kiezen en actieve drukvoorinstellingen in te voeren, rekening houdend met de werking van de eindgebruikers.

 

De druk verlagen

De compressor draaide aanvankelijk altijd op een hoge vooraf ingestelde drukwaarde. Aangezien dit echter alleen nodig was in de korte piekperioden waarin de vraag hoger was, zou een algemene lagere druk een betere keuze zijn. Door de drukvoorinstellingen over een periode van een jaar te verzamelen, zagen we dat in 83% van de gevallen een lage drukvoorinstelling voldoende zou zijn voor onze eindgebruikers. Naast lagere energiekosten zou het verlagen van de druk ook minder lekkages veroorzaken. Daarom hebben we een externe interface gebruikt om de drukvoorinstellingen in perioden met weinig vraag te verlagen van 8 bar naar 6,5 bar.

compressed-air-network-graphs-2

Hoeveel energie hebben we bespaard met onze upgrades?

Omdat ongeveer 70% van onze kosten energiegerelateerd is, was het belangrijk om ons te concentreren op het verlagen van het energieverbruik van ons persluchtnetwerk. We hebben een lager verbruik bereikt door:

  1. Het dichten van alle lekken in ons persluchtnetwerk: hierdoor daalde het energieverbruik met 11 tot 15%.
  2. Het aanpassen van de drukvoorinstellingen op basis van de werking van de eindgebruikers: hierdoor daalde het energieverbruik met 13 tot 18%.

Met deze – al bij al vrij eenvoudige – maatregelen konden we het energieverbruik van ons persluchtnetwerk met 25 tot 30% verminderen, wat een besparing van ongeveer €4200/jaar tegen 2025 oplevert.

Conclusies

Als u een soortgelijke case hebt of ook met oudere machines werkt, kan het de moeite waard zijn om na te denken over het upgraden van machines. Als u dit overweegt, raden we u aan om:

  1. Altijd met een kosten-batenanalyse te beginnen;
  2. Uw organisatie bij de beoordeling van het operationele proces te betrekken: Het is moeilijk om de juiste cijfers te krijgen. Goede, gefundeerde gissingen kunnen vanuit elke laag binnen uw organisatie komen. Let er ook op dat u de verborgen kosten in rekening brengt!
  3. Kies voor een geleidelijke upgrade. Dit zal u helpen om:
    1. inzicht in uw operaties te krijgen;
    2. de belangrijkste kostenfactoren en kansen te identificeren;
    3. de operationele kosten te verlagen of nieuwe functionaliteiten mogelijk te maken

 Meer weten? 

In dit artikel hebben we ons vooral gericht op de digitale transformatie binnen machine upgrading. Download onze white paper voor meer informatie over het upgraden van machines door middel van een elektrische, mechanische of conformiteitstransformatie.

Machine-upgrading-DOWNLOAD

Machine-upgrading

Ted Ooijevaar
Auteur

Ted Ooijevaar

Ted Ooijevaar is een Monitoring Technology Domain Lead en Senior Research Engineer bij Flanders Make sinds 2015. In deze rol definieert, leidt en voert hij industrie-gedreven toegepast onderzoek en ontwikkeling uit om bedrijven in de maakindustrie te ondersteunen. Hij behaalde een doctoraat op het gebied van Werktuigbouwkunde aan de Universiteit Twente en heeft speciale expertise op het gebied van sensing en monitoring, signaalverwerking en data analytics, dynamica en mechanica, modellering en experimenteel testen.

Related Posts

Lees meer
Lees meer
Lees meer

BLIJF OP DE HOOGTE!

Schrijf je in voor onze nieuwsbrief en ontvang de interessantste artikels over innovaties in de maakindustrie en updates over Flanders Make.