Success Story: Anlagenüberwachung bei der Jumbo Group

Standard-Digitalisierungsprozess bei K&K Software

Umwelttechnik von jumbo group

Die jumbo group smart dry GmbH bietet als mittelständisches Unternehmen Lösungen im Umweltsektor an. Kernprodukt ist der Bau von Maschinen zur Aufbereitung von Biomasse, Gärresten und Klärschlamm. Insbesondere Klärschlamm stellt durch Belastungen mit Schadstoffen die Betreiber von Kläranlagen vor Entsorgungsprobleme. Die Firma jumbo group ermöglicht mit der von ihr entwickelten Anlagentechnik die Umwandlung dieser Reststoffe in Wertstoffe. In ihren Trocknungsanlagen wird dazu die nasse Biomasse in einem hocheffizienten Verfahren getrocknet und in staubfreie, wiederverwendbare Pellets gepresst. Durch die Einbindung in den Abgasstrom eines vorhandenen BHKW, Gasbrennkammer oder Pyrolyse lässt sich die sonst ungenutzte thermische Energie im Trocknungsprozess gewinnbringend nutzen und reduziert die Ausgangsmasse auf einen Bruchteil ihres Gewichts. Das Endprodukt in Pelletform lässt sich abhängig vom ursprünglichen Material als organischer Dünger, Brennstoff, Einstreu, Additive oder Tierfutter weiterverwenden.

Anlagentechnik der jumbo group smart dry GmbH
Anlagentechnik der jumbo group smart dry GmbH

Visualisierung und Überwachung des Anlagenbetriebs

Der unternehmerische Erfolg stellte jumbo group vor die Herausforderung den Überblick über die wachsende Zahl ihrer weltweit eingesetzten Anlagen sicherzustellen. Für den fortlaufenden Anlagenbetrieb wurde nach einer Möglichkeit gesucht, den Betriebszustand und die Ablaufprozesse aus der Ferne und in Echtzeit sichtbar und nachverfolgbar zu machen. Darüber hinaus sollte ein zentrales Monitoringsystem geschaffen werden, in dem alle Betriebsparameter und die fortwährend erfassten Messwerte des Anlagenbetriebs registriert und übergreifend kontrolliert und bewertet werden können. Im Fall sicherheitsrelevanter Störungen müssen diese umgehend erkannt und Maßnahmen eingeleitet werden. Die zentrale, wachsende Datensammlung sollte zudem als Wissensbasis zur Früherkennung genutzt werden, um einen noch robusteren Anlagenbetrieb zu ermöglichen.

Firmenleiter Franz J. Kraus (links) präsentiert aus Klärschlamm gewonnene Pellets
Firmenleiter Franz J. Kraus (links) präsentiert aus Klärschlamm gewonnene Pellets

Datenaggregation und Monitoring-Architektur

Die Grundlage für die Überwachung des Anlagenbetriebs stellen die von den Steuereinheiten der Maschinen erfassten Betriebsmesswerte dar. Diese Steuerungsparameter und Sensordaten werden, wie in der nebenstehende Abbildung skizziert, in kurzen Intervallen und fortlaufend über sichere VPN-Verbindungen am Unternehmenssitz zusammengetragen. Von dort werden die Daten in den Rechenzentrumsbetrieb der K&K Software AG übermittelt. Die Rohdaten landen zunächst – getrennt nach ihren unterschiedlichen Ursprungsanlagen – in einer übergreifenden Datenbank, wo sie unverändert und revisionssicher vorgehalten werden.
Hier dockt nun das neu geschaffene Monitoringsystem an und greift im einstellbaren Sekunden-Takt die aktuellsten Messdaten mit seinen frei konfigurierbaren Sensoren ab. Intern in Form von Zeitreihen abgelegt, bietet das Monitoringsystem den Vorteil, dass die Datenmenge über große Zeiträume konstant gehalten werden kann. Da hochauflösende Detaildaten meist nur für die letzten Tage benötigt werden, überführt die Spezialdatenbank diese Detaildatensätze nach einiger Zeit in gröbere Trenddaten. So lassen sich mit einer einzigen Datenquelle jüngste Ereignisse und langfristige Entwicklungen, Trends und Statistiken darstellen.

Aggregation der Anlagendaten und Anbindung des Monitoringsystems
Aggregation der Anlagendaten und Anbindung des Monitoringsystems

Implementierung mit Open Source Software

Quelle: Zabbix Logo
Quelle: Zabbix Logo

Die Datenerfassung und Überwachung der Messwerte erfolgt durch die Enterprise Monitoring Software Zabbix. Dabei handelt es sich um ein quelloffenes, frei verfügbares Softwareprodukt mit sehr großem Funktionsumfang. Ursprünglich für die Überwachung von IT-Systemen entwickelt, bildet Zabbix eine vollumfängliche Lösung für Monitoringaufgaben und verfügt über eine hervorragende Anpassungsfähigkeit, wodurch sich die Software für vielfältige Einsatzzwecke eignet.


Neben der Datenerfassung ermöglicht Zabbix auch die Aufbereitung und Weiterverarbeitung von Messwerten mittels arithmetischer Operationen und Formeln. Auf diese Weise lassen sich aus den Messwerten der Rohdaten aussagekräftige Signale und Betriebsparameter ableiten bzw. berechnen. Komplettiert wird die Datenauswertung durch das leistungsstarke, integrierte Benachrichtigungssystem. Dieses ermöglicht die Festlegung unterschiedlichster Prüfungen, Messwertvergleiche, Auslöseschwellen, etc., die mit einer einstellbaren Relevanz (mehrstufig und beginnend bei Informationscharakter bis hin zu höchster Dringlichkeit) über Auffälligkeiten und Vorfälle informieren.

Zabbix kommt im Grundumfang bereits mit einer mächtigen Weboberfläche, über die sich alle, im laufenden Betrieb benötigten Einstellungen bedienen lassen. Auf diese Weise können auch Anwender ohne Programmierkenntnisse eigenhändig neue Geräte (hier: Trocknungsanlage) hinzufügen und Anpassungen an der Datenerfassung sowie den Prüfungen und Benachrichtigungen vornehmen. Die Alarmierungen bei festgestellten Störungen oder Auffälligkeiten können auf unterschiedliche Weise erfolgen, z.B. in Form von Push-Benachrichtigungen auf die Smartphones des Personals. Auch lassen sich Benachrichtigungsprozesse definieren, die bei einer ungelösten Störung den Vorfall an verschiedene Mitarbeiter bzw. Geschäftshierarchien eskalieren.

Systemaufbau und Funktionsweise der Monitoring-Lösung
Systemaufbau und Funktionsweise der Monitoring-Lösung

Für die Darstellung des Anlagenbetriebs kommt ein weiteres Open Source Softwareprodukt zum Einsatz. Die ebenfalls frei verfügbare Software Grafana versteht sich als Universallösung für Datenvisualisierung und –analyse und verfügt über zahlreiche Datenschnittstellen. Mit einer Vielzahl unterschiedlichster Diagrammtypen und Anzeigeelemente, die sich über Drittanbieter Plugins noch erweitern lassen, ermöglicht Grafana den Bau aussagekräftiger Dashboards in bestechender Optik. 

Quelle: Grafana Logo
Quelle: Zabbix Logo

Die durchdachte Oberfläche basiert auf dem Baukastenprinzip, wodurch sich gewünschte grafische Darstellungen und Reports sehr schnell erstellen lassen. Durch den einfachen Wechsel zwischen Darstellungs- und Editiermodus können auch im laufenden Betrieb jederzeit Anpassungen und Erweiterungen an den unterschiedlichen Anzeigen vorgenommen werden. Die intuitive Bedienung und einfache Navigation – z.B. zur Auswahl von Zeitausschnitten – sowie die schnelle Darstellung sorgen für Zufriedenheit und großen Anklang bei den Anwendern.

Informationen auf Mausklick

Eine elementare Herausforderung bei der Visualisierung maschinennaher Prozesse ist es verständliche und möglichst selbsterklärende Darstellungen zu finden. Nur wenn Anwender den Maschinenbetrieb mit einem Blick korrekt erfassen können und in der Lage sind Vorgänge sekundenschnell nachzuvollziehen und Situationen richtig einzuordnen, erfüllt ein Monitoring vollständig seine Aufgabe und stellt eine echte Bereicherung dar. Im Idealfall sind Darstellung und Bedienung so intuitiv gestaltet, dass Anwendern eine kurze Einweisung ausreicht, um selbstständig Betriebszustände erkennen und Informationen beziehen zu können.

Vereinfachte Statusanzeigen bieten einen schnellen Überblick
Vereinfachte Statusanzeigen bieten einen schnellen Überblick
Ereignisse und Betriebszustandswechsel werden in Zeitleisten dargestellt
Ereignisse und Betriebszustandswechsel werden in Zeitleisten dargestellt

Zu diesem Zweck wurden Statusanzeigen geschaffen, die in stark komprimierter Form einen Überblick über die Betriebszustände aller Trocknungsanlagen geben. Vereinfacht auf eine Darstellung nach einem Ampel-Schema (grün=ordentlicher Betrieb, gelb=Stillstand, rot=Störung) erkennt auch ein Anwender ohne technischen Hintergrund sofort das Betriebsverhalten des Maschinenparks. Etwas mehr Informationsgehalt bietet die erweiterte Anlagenübersicht mit Zeitleisten über den frei wählbaren Zeitraum. Neben dem aktuellen Betriebszustand lässt sich hier auch der zurückliegende Verlauf nachverfolgen und Störungs- bzw. Ausfallzeiten schnell und einfach eingrenzen. Die leistungsstarke Anzeige hebt bereits beim einfachen Überfahren mit der Maus die unterschiedlichen Betriebsphasen hervor und blendet Zusatzinformationen – wie die exakte Dauer – in einem Overlay-Fenster ein. Durch simples Aufziehen mit der Maus kann der Benutzer Zeiträume innerhalb der Zeitleiste vergrößern, um sich einen detaillierten Einblick zu verschaffen.

Viele Detailansichten gestatten hilfreiche Einblicke in den Anlagenbetrieb
Viele Detailansichten gestatten hilfreiche Einblicke in den Anlagenbetrieb

Jede Statusanzeige bietet darüber hinaus die Möglichkeit zur jeweiligen Anlage zahlreiche Detailinformationen abzurufen. Die Navigation öffnet in diesem Fall ein neues Fenster, das zum gewünschten Bereich ein vorbereitetes Dashboard mit zugeschnittenen Informationen, Diagrammen und Graphen präsentiert. Da neben der Anlage auch der zuletzt gewählte Darstellungszeitraum als Vorauswahl im neuen Dashboard übernommen wird, lassen sich so sehr leicht die benötigten Informationen auffinden und z.B. Fehleranalysen rasch und effizient durchführen.

Abseits des tagesaktuellen Geschehens stellt sich für den Betreiber auch regelmäßig die Frage nach dem Langzeitverhalten, insbesondere mit Blick auf Aspekte wie Erträge, Effizient und Zuverlässigkeit. Wie bereits zuvor erwähnt, unterstützt die Monitoringsoftware diesen Anwendungsfall durch sein spezielles Datenbankformat, das (einstellbar) vollautomatisch Detaildaten mit kurzem Zeittakt in Trenddaten über längere Intervalle wandelt. So stellen auch Statistiken und Langzeitreports kein Problem dar und lassen sich passgenau zur Fragestellung und mit der gewünschten Aussagekraft erstellen.

Langzeitauswertungen liefern aussagekräftige Informationen zu Erträgen und Effizient
Langzeitauswertungen liefern aussagekräftige Informationen zu Erträgen und Effizient

Fazit

Mit Einführung eines (Echtzeit-)Monitoringsystems lässt sich ein Anlagenbetrieb im Umweltsektor spürbar erleichtern durch die zeitnahe Erkennung von Störfällen und rasche, tiefgreifende Fehlerdiagnose. Die fortlaufende, maschinelle Überwachung rund um die Uhr mit automatischer Fehlererkennung und Benachrichtigung spart Personal- und Bereitschaftszeit und ermöglicht einen effizienteren und ertragreicheren Betrieb. Die zentrale Datenerfassung und Visualisierung quasi in Echtzeit erlaubt dem Betreiber tiefgehende und teils neue Einblicke in seine Anlagentechnik, wodurch sich Störanfälligkeiten erkennen und künftig vermeiden lassen. Die Vorteile und Ertragsverbesserungen amortisieren den Invest in die Business Intelligence bereits nach kurzer Zeit.

Referenzen

Homepage jumbo group smart dry GmbH: www.jumbo-group.de

Vorstand der K&K Software AG Armin Krauß

Über den Autor

Dipl. Informatiker Armin Krauß ist Gründer und Vorstand der K&K Software AG. Die Digitalisierung und Überwachung maschinennaher Prozesse gehört seit vielen Jahren zu seinen Fachgebieten.

Als leidenschaftlicher Freund von Open Source Software beschäftigt er sich viel mit Linux und quelloffenen Softwarelösungen.

22. April 2020

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