Die ersten Schritte

Fällt das Schlagwort Industrie 4.0, folgt zumeist ein Loblied auf die Automobilindustrie. Kaum eine Branche hat die Automatisierung und Digitalisierung der Produktion derart konsequent durchgezogen und kann jetzt schon die Früchte der Transformation ernten. Andere Branchen haben diesbezüglich noch einen weiten Weg vor sich.
Für die Bergbauindustrie identifizierte das Beratungsunternehmen Deloitte in der Studie „Tracking the Trends“ zehn Herausforderungen, denen sich die Branche dringend stellen muss. Neben der Optimierung der Betriebsabläufe und der intelligenten Erfassung und Nutzung von Daten fallen darunter vor allem die Entwicklung innovativer Technologien und Anwendungen, um die Gewinnung und Verarbeitung von mineralischen Rohstoffen effizienter zu gestalten.

Daten in Echtzeit

In der Verknüpfung von Technologie und IT hat sich seither viel getan. Intelligente Lösungen, die über Sensoren mit der Software kommunizieren, laufen über den gesamten Prozess von der Planung bis zur Fertigstellung, inklusive Instandhaltung und Sicherheitscheck, weitgehend ohne menschlichen Eingriff ab. Eine solide Automatisierung bildet dabei das Gehirn des Systems: Das eng gewobene Netz der Sensoren und Messinstrumente fungiert als Augen und Ohren, das integrierte Antriebssystem als Körper.
Die Siemens AG entwickelte mit »Minerals Automation Standard« ein Prozessleitsystem, das auf die spezifischen Anforderungen der Rohstoffindustrie zugeschnitten ist.

Der Status jeder einzelnen mechanischen Komponente kann in der Sekunde abgerufen werden – Fehler und Probleme werden rasch entdeckt und behoben, noch bevor teure Ausfallzeiten entstehen. Die Softwareplattform Cosmos umfasst alle Lebenszyklusphasen einer Anlage und bietet weltweiten Zugriff auf Daten und Dokumente. »Die in einer Anwendung vorgenommenen Änderungen sind sofort in allen anderen Anwendungen verfügbar«, erklärt Thomas Walther, Leiter Minerals Automation bei Siemens. Tägliche Betriebsabläufe werden somit weniger arbeits- und zeitaufwändig. Zementwerke konnten Kosteneinsparungen von etwa 60 % erzielen, so Walther.

Bild oben: Mit Datenbanklösungen werden Betriebsdaten extrahiert, aggregiert, miteinander in Bezug gesetzt und präsentiert.

Engineering-Tools sind für Managemententscheidungen oftmals jedoch nicht ausreichend. Erst die Vernetzung mit Kennzahlen des Unternehmens liefert die operationelle Grundlage. Die ursprünglich für die Öl- und Gasindustrie entworfene Datenbanklösung XHQ (»eXtended Head Quarters«) von Siemens findet inzwischen auch in vielen Branchen Anwendung. Betriebs- und Geschäftsdaten aus verschiedenen Informationsquellen werden extrahiert, aggregiert, miteinander in Bezug gesetzt und präsentiert. So kann der Status von Anlagen in Echtzeit verfolgt und beispielsweise mit Preisindizes oder Fertigungszahlen verglichen werden, um rasch fundierte Entscheidungen – etwa bei Preisverfall oder minderer Gesteinsqualität – treffen zu können. In Brasilien wird die gesamte Produktionskette des Bergwerks Casa de Pedra bis zum Hafen Itaguai mittels XHQ gesteuert.

Prozessschritte vernetzt

Die digitale Mine ist vielfach schon Realität. Sensoren liefern online Daten über die Eigenschaften des Rohstoffes (Gehalt, Textur, physikalische Eigenschaften), die Maschineneffizienz (Schneidkraft, Energieverbrauch, Auslastung) und den Standort (GPS-System). Die Verknüpfung mit Steuerungssystemen spielt schon deshalb eine wesentliche Rolle, da Abbaustätten zumeist recht abgelegen liegen oder rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Erfolgt die Förderung auf dem Berg, die Aufbereitung aber im Tal, liegen zwischen den einzelnen Prozessschritten mitunter große Entfernungen.

Ein Schaufelradbagger kann bereits ein stets aktuelles dreidimensionales Abbild des Abbaufeldes liefern. Die Positionsdaten werden über ein Satellitensys-tem auf dem Gerät eingelesen, Oberflächenmessungen und Daten von besonderen Objekten wie Rohrleitungen, Brunnen oder Fahrwegen fließen in die Berechnungen ein.

Auch bei der Verkippung des Materials wird nichts dem Zufall überlassen. Ein 3D-Laserscanner an der Spitze des Ab-wurfauslegers scannt sekündlich großräumig den Bereich um den Auftreffpunkt des Materials, um die ideale Abwurfposition zu wählen. Verbunden mit einem Transportmodul können die energieeffizienteste Beladung der Bandanlage und die voraussichtliche Transportzeit berechnet und simuliert werden. Auch retrospektiv ist eine Nachverfolgung möglich, wann und wo welche Qualität und Masse an Material auf dem Band lag.

Innovative Verfahren

Auch an innovativen Verfahren für die Aufbereitung von Rohstoffen und Reststoffen wird intensiv geforscht. Am Lehrstuhl für Aufbereitung und Veredlung an der Montanuniversität Leoben entstanden im Rahmen von Wirtschaftskooperationen zwei Dissertationen. Georg Weingrill gelang es in Zusammenarbeit mit der Bublon GmbH, den Prozess des Expandierens von Rohsanden insbesondere im kleinen Korngrößenbereich zu kontrollieren und damit das Zerbersten vulkanischer Gläser zu verhindern. Die sogenannten »feindispersen« Rohsande mit einer Korngröße unter 100 Mikrometer fallen in beträchtlichen Mengen an – erklärtes Ziel war deshalb, den Lagerstätteninhalt vollständig nutzbar zu machen und ein funktionelles leichtes Füllstoffgranulat zu erzeugen. Eine kontrollierte Expansion ist für die von der Industrie geforderte Qualität der erzeugten Leichtstoffprodukte entscheidend. »Das neue Verfahren verarbeitet bislang nicht nutzbare Nebenprodukte der Rohstoffgewinnung und -aufbereitung. Damit wird auch ein Beitrag für einen umweltschonenden und verantwortungsvollen Umgang mit natürlichen Ressourcen geleistet«, sagt Weingrill.

Im Bereich der Sekundärrohstoffaufbereitung arbeitet Georg Doninger mit der IFE Aufbereitungstechnik GmbH an der Weiterentwicklung von Wirbelstromscheidern. Diese nutzen Unterschiede der elektrischen Leitfähigkeit zur Trennung von Leitern und Nichtleitern, wobei in der Regel Nichteisenmetalle aus einem Aufgabegut separiert werden. Doninger führt eine umfassende Parameterstudie durch, die Faktoren wie Korngröße, Leitfähigkeit und Dichte sowie prozesstechnische Parameter wie Rotordrehzahl, Förderbandgeschwindigkeit oder Splitterstellung einbezieht. Die Erkenntnisse sollen Trennprodukte höherer Güte und eine trennscharfe Sortierung in mehrere Leitfähigkeitsklassen ermöglichen.

Tausende Kombinationen

Wurden in früheren Automatisierungsprojekten immer nur einzelne Produktionsabschnitte oder Anlagen betrachtet und z.B. Bagger, Bandschleifenwagen und Kräne mit entsprechender Sensorik ausgestattet, gilt die Aufmerksamkeit nunmehr der gesamten Wertschöpfungskette. Sämtliche Teilprozesse werden datentechnisch vernetzt, schon allein um die Systemstruktur zu harmonisieren und keine Sicherheitslecks zuzulassen. Die Fülle an gesammelten Daten macht allerdings nur dann Sinn, wenn sie auch ausgewertet und für die Betriebsführung interpretiert werden.

Die Voestalpine AG begegnet dem Thema Big Data durch Verknüpfung der Prozesse über die gesamte Produktionslinie hinweg. Am Standort Linz sind 35 Mechatroniker damit beschäftigt, das System immer weiter zu optimieren. »Als ich Mitte der 80er-Jahre ins Unternehmen kam, gab es drei Stahlsorten im Angebot. Heute haben wir tausende Kombinationen in unterschiedlicher Stahlgüte mit beschichteten Oberflächen und Strukturen«, beschreibt Franz Michael Androsch, Leiter der Voestalpine-Konzernforschung, die rasante Entwicklung. Neue Produkte werden mittels virtueller Simulation ausgetestet. Industrielle Assistenzsysteme wie
Databrillen und Drohnen erhöhen die Effizienz und Sicherheit, so Androsch.