Speicherprogrammierbare Hochöfen
Von Kai Tubbesing
Im internationalen Vergleich zählt Deutschland zu den zehn größten Rohstahlherstellern der Welt. Das Herz der Branche schlägt in Nordrhein-Westfalen, Duisburg gilt sogar als größter Stahlstandort Europas. Die Stadt an Rhein und Ruhr beherbergt allein fünf Werke des größten deutschen Stahlherstellers Thyssenkrupp Steel sowie ein Forschungszentrum für Werkstoffe und Produktionsprozesse der Salzgitter AG aus Niedersachsen, der hiesigen Nummer 2. Auch der weltweite Branchenprimus ArcelorMittal fertigt neben weiteren Standorten in Bremen, Eisenhüttenstadt und Bremen in Duisburg und blickt hier auf eine mehr als 150-jährige Geschichte seiner Werke zurück. Weitere Produktionshotspots befinden sich in Brandenburg, Niedersachsen, dem Saarland sowie in den Stadtstaaten Bremen und Hamburg. Ende 2018 schlossen sich diese sechs führenden Regionen im Rahmen des 1. Nationalen Stahlgipfels zur Allianz der Stahlländer zusammen, einer strategischen Partnerschaft für Forschung und Innovation. Diese konzentriert sich zum Beispiel auf eine CO₂-arme Wasserstoffstahlerzeugung.
Das Rückgrat der deutschen Industrie
Die Leistungen der Stahlindustrie spielen eine entscheidende Rolle für das produzierende Gewerbe: Ohne eine gesicherte Materialversorgung stehen die Produktionsbänder in den stahlintensiven Branchen der Fahrzeug- und Elektroindustrie, dem Maschinen- und Anlagenbau oder der Bauwirtschaft still. Wie eng die Stahlhersteller und viele der nachgelagerten Branchen miteinander verzahnt sind, verdeutlicht ein Blick auf die aktuelle Marktlage. Brach die gesamtdeutsche Industrieproduktion im Zuge des Corona-Krisenschocks im Durchschnitt des Jahres 2020 um 10,8 % ein, konnten sich einzelne Bereiche bis Dezember 2020 stark erholen: Im Vergleich zum Vorjahreszeitraum lag der Rückstand nur noch bei 1,5 %. Eine besonders deutliche Wende gelang der Automobilindustrie, die extrem viele Stahlprodukte benötigt. Zählte die Branche mit einem 25-prozentigen Produktionseinbruch zunächst zu den größten Verlierern, arbeiten die Fließbänder seit dem Jahreswechsel 2021 fast wieder auf dem Vorjahresniveau.
Die Lieferketten stehen angesichts dieser unerwarteten Entwicklung unter Druck, zumal auch die Stahlindustrie selbst angesichts stornierter Aufträge, sinkender Nachfrage und schwacher Konjunkturprognosen die Produktion heruntergefahren hatte. „Mittlerweile machen sich die Verarbeiter in allen Segmenten große Sorgen um ihre Lieferfähigkeit in den kommenden Monaten, weil der benötigte Stahl so knapp ist“, so Christian Vietmeyer, Hauptgeschäftsführer des Wirtschaftsverbands der Stahl- und Metallverarbeitung (WSV) in seiner Lageeinschätzung im Dezember 2020. „Die Sicherung der Materialversorgung ist das dominierende Thema in den Einkaufsabteilungen der Unternehmen.“ Zwar bewegt sich die Stahlproduktion seit Januar 2021 wieder auf dem Durchschnittsniveau des Vorkrisenjahres, angesichts leerer Materiallager und steigender Produktionszahlen bei den Verarbeitern fällt allerdings auch die Nachfrage ungewohnt hoch aus. Um derartigen Engpässen souverän entgegenzuwirken, bedarf es künftig flexiblerer, stabilerer und transparenterer Lieferketten. Die deutsche Stahlindustrie hat die Zeichen der Zeit erkannt und rüstet mit Hightech und Digitalisierung auf. Als besonders prozess- und anlagenintensiver Produktionszweig birgt sie reichlich Potenzial für Effizienzoptimierungen und Produktivitätssteigerungen durch smarte Industrie-4.0-Konzepte.
Deutlich kürzere Durchlaufzeiten: Mit dem digitalen Zwilling des Hohenlimburger Duschlagers spart Thyssenkrupp Steel rund 65 Stunden ein. (Bild: Thyssenkrupp Steel Europe)
Lieferkette doppelt abgesichert
Thyssenkrupp Steel zählt zu den Branchenvorreitern in Sachen Industrie 4.0. Das Unternehmen schickt mittlerweile nicht nur Bandstahlrollen unter die digitale Dusche, sondern drückt seinen Kunden im Sinne zeitnaher On-demand-Produktion auch die Produktionssteuerung in die Hand. Für ihr im Hohenlimburger Warmwalzwerk umgesetztes, in der deutschen Stahlbranche bislang einzigartiges „Walzen as a Service“-Konzept konnte die Firma 2019 vom Handelsblatt den zweiten Platz des „Diamond Star“-Awards im Bereich „Smart Factory“ einheimsen. Ab dem Bestellzeitpunkt können Kunden mit einer Vorlaufzeit von 48 bis 72 Stunden die Fertigung des warmgewalzten Bandstahls selbst in Gang setzen und die Materialeigenschaften noch bis wenige Stunden vor Produktionsbeginn anpassen.
Die digitale Statusverfolgung hat nicht mehr viel mit der altmodischen Auftragsbestätigung in Papierform gemein: Online-Portal oder App informieren über den Stand der Vormaterialanlieferung vom Duisburger Werk nach Hohenlimburg, zeigen den jeweils aktuellen Fertigungsschritt an und melden anschließend den Versandstatus. Im Anschluss an einen einmal abgewickelten Auftrag ist auf Basis der vorhandenen Daten das Nachordern mit einem Mausklick möglich. Auf diese Weise rücken Kunde und Hersteller näher aneinander – kurze Lieferzeiträume und bedarfsgerechte On-Demand-Produktion ohne lange Vorlaufphasen und Bestellplanung sind in Hohenlimburg bereits Realität. Die dem Ansatz zugrunde liegende Technologie nutzt das Unternehmen auch für die eigene Prozessoptimierung, um etwa die Stranggussmaterialanlage eines Vorlieferanten anzusteuern und auf Basis der erhaltenen Daten das Eintreffen des Materials einzuschätzen. Auch die Weiterverarbeitung lässt sich so planen – samt präzisen Lieferterminen für den Kunden. Das sichert die Supply Chain in beide Richtungen ab. „Eine hohe Lieferflexibilität selbst bei kleinen Losgrößen ist für unsere Kunden zentral. Diesen Mehrwert können wir durch unsere volldigitalisierten Bestell- und Herstellungsprozesse realisieren“, so Ulrich Schneppe, IT-Leiter des Bereichs Precision Steel.
Schwarz auf Weiß
Dieser Beitrag ist zuerst in unserer Magazinreihe „IT-Unternehmen aus der Region stellen sich vor“ erschienen. Einen Überblick mit freien Download-Links zu sämtlichen bereits verfügbaren Einzelheften bekommen Sie online im Pressezentrum des MittelstandsWiki.
Digitaler Duschzwilling
Auch in anderen Produktionsbereichen gehört die Smart Factory im Vorzeigewerk in Hohenlimburg zum Alltag. Seit November 2020 arbeitet das Duschlager, in dem das Unternehmen seine Coils vor der anschließenden Beize herunterkühlt, mit einem digitalen Zwilling. Das virtuelle Abbild der realen Wasserdusche funktioniert auf Basis eines selbst entwickelten mathematischen Modells, über das jedes einzelne Coil automatisch Rückmeldung gibt, sobald es die optimale Temperatur für den nächsten Verarbeitungsschritt erreicht. Im Gegensatz zum herkömmlichen Abkühlprozess an der Luft konnte Thyssenkrupp durch den neuen Ansatz eine signifikante Prozessbeschleunigung herbeiführen, wie Thomas Westermann, Leiter der Instandhaltung und Logistik sowie eine der treibenden Kräfte hinter der Einführung der neuen Technologie, beschreibt: „Wir konnten die Durchlaufzeiten deutlich verkürzen, von durchschnittlich 72 auf nur noch fünf bis sechs Stunden.“
Mit der digital gesteuerten Abkühlung geht außerdem eine verbesserte Materialqualität einher, da sie etwa die Bildung von Rostnarben verhindert. Mit seinen smarten Coils erhöht das Unternehmen die Produktivität und optimiert auch die Logistikprozesse rund um das Lager. Denn je kürzer die Durchlaufzeiten, desto geringer der Bedarf an einer umfangreichen Lagerhaltung. Per Standortabfrage weiß Thyssenkrupp genau, wo sich jede Produktionseinheit des gewalzten Mittelbandes auf dem Werksgelände befindet und integriert selbst die Stapler zum Transport in Echtzeit in die Anzeige. Für die kommenden Monate plant die Firma, sämtliche Logistikprozesse zwischen der Brammenverladung in Duisburg und der Produktfertigung in Hohenlimburg digital abzubilden und zu steuern.
Mit IoT-fähigen Schubleichtern zur Anlieferung von Eisenerz, Kohle und weiteren Rohstoffen von Rotterdam nach Duisburg konnte 2020 ein weiterer Eckpfeiler gesetzt werden: Die mit einem solarbetriebenen GPS ausgestatteten Frachtschiffe teilen Informationen über die Ladung, den aktuellen Standort und die mithilfe von KI berechnete Ankunftszeit mit. Das eignet sich optimal für die Vorausplanung in der Fertigung und beim Weitertransport, zumal der Platz in den eigenen Häfen (Schwelgern und Walsum) begrenzt ist und eine präzise Terminierung von Ankunft und Abfahrt erforderlich macht.
Teil 1 ist eine Einführung in die schöne neue Welt der „intelligenten“ Produktion, mit all ihren Chancen, all ihren Risiken. Teil 2 rührt an den empfindlichen Punkt des Konzepts: die Standards. Außerdem muss klar sein, dass die Fertigung dann Schutz vor Viren, Würmern und Hackern braucht. Teil 3 prüft, wo mittelständische Unternehmen am besten auf den anrollenden Zug aufspringen können. Eine interssante Möglichkeit sind Forschungskonsortien und Kooperationen mit Hochschulinstituten.
Digitale Lieferkette
Bereits zur Blechexpo 2017 in Stuttgart präsentierte ArcelorMittal, der größte Stahlproduzent der Welt, weitreichende Maßnahmen zur digitalen Transformation der Supply Chain. So teilt das Unternehmen mit seinen Kunden etwa über das Bestellportal SteelUser.com Informationen über die Auftragsabwicklung, Lagerverwaltung und Lieferung sowie Rechnungen und Produktleitfäden, einschließlich digitaler Lieferscheine und Qualitätszertifikate. Apps zur Sendungsverfolgung in Echtzeit mit einer Prognose des Lieferzeitpunkts ergänzen das Angebot.
Außerdem schafft es ArcelorMittal, jedes einzelne hergestellte Stahl-Coil in Form eines digitalen Zwillings abzubilden. Die virtuelle Kopie des realen Produkts wird in der Cloud fortlaufend mit neuen Daten gefüttert und an den aktuellen Status angepasst. Sie enthält unter anderem Informationen zu Gewicht, Größe, Preis, Lieferzeitraum oder zur Qualität einschließlich möglicher Verarbeitungsmängel. Das hilft der Abnehmerseite in Gestalt eines Stahlverarbeiters, bereits vor dem Eintreffen des physischen Coils Prozesse bei der Lagerung oder Weiterverarbeitung zu planen. Zur Überwachung der eigenen Materialbestände setzt ArcelorMittal auf autonome Drohnen mit GPS-System und Videobildverarbeitung. Die Drohnen scannen im Flug in Echtzeit die Bestandsmengen.
An den Werksstandorten Bremen, Eisenhüttenstadt und Duisburg rüstet das Unternehmen seine Fertigungsanlagen derweil mit Software-Modulen der Berliner KI-Experten von Smart Steel Technologies (SST) auf. Das soll die Produktionskosten und -fehlerraten verringern, die Effizienz steigern und die Qualität der Materialoberflächen verbessern. Im Duisburger Werk steht beispielsweise die Implementierung von SST Temperature Optimization AI bevor. Die Software kümmert sich um die exakte Temperaturführung für den vollständigen Produktionsprozess von der Konverter-Stahlerzeugung bis zur Stranggießanlage. Davon erhofft sich der Stahlhersteller, bei der Fertigung künftig mit geringeren Temperaturpuffern arbeiten zu können, die Prozessstabilität zu steigern sowie letztlich Energie- und CO₂-Emissionskosten zu sparen.
Vorausschauende Wartung
Im Flachstahlwerk Eisenhüttenstadt arbeitet die Salzgitter AG an der Implementierung von Predictive-Maintenance-Technologie, um bereits vor einem Defekt an Maschinen und Messtechnik einzugreifen und Stillstände zu vermeiden. Im Rahmen eines IIoT-Pilotprojekts bringt das Unternehmen seine seit etwa elf Jahren laufende Bestandsanlagen auf Trab und plant, nach der erfolgreichen Evaluation der Maßnahmen einen neuen Standard für weitere Produktionsbereiche und Werke zu definieren. In der Kontibeize 2 erfolgt die chemische Reinigung von bis zu 1,8 km langen Stahlbändern in warmen Salzsäurebädern, um Coils vor der Auslieferung an die Kunden oder der internen Weiterverarbeitung von der produktionsbedingten Zunderschicht zu befreien. In Kooperation mit Endress+Hauser integriert Salzgitter derzeit mehrere Komponenten des digitalen Industrie-4.0-Werkzeugkastens Netilion als Retrofit-Lösung.
Die Ausgangsbasis bilden 104 messtechnische Komponenten zum Erfassen von Kennwerten wie etwa Durchfluss, Temperatur, Leitfähigkeit und Druck. Mittels Netilion Analytics erfolgte in einem ersten Schritt die Bestandsaufnahme sämtlicher Messgeräte und die Speicherung ihrer digitalen Abbilder in der Cloud. Diese Datenbasis soll künftig den Weg zur Einführung von Maßnahmen zur vorausschauenden Wartung ebnen. Denn aufgrund der komplizierten Erreichbarkeit der Messtechnik war deren Überprüfung bislang nur mit großem Aufwand möglich – und meist erst als Reaktion auf einen bereits aufgetretenen Defekt. Der zweite Schritt umfasst deshalb die Einführung der Programme Netilion Predict und Netilion Health, welche die an den Messstellen erhobenen Daten kontinuierlich und im laufenden Betrieb der Anlagen erfassen und automatisch auswerten. Die smarten Systeme unterbreiten daraufhin datenbasierte Vorschläge zu Prüf- und Kalibrierterminen der Messtechnik und liefern weitere Diagnosedaten samt einer Empfehlung zur Wartung oder zum Austausch einzelner Komponenten.
Wie ein sicherer und effizienter digitaler Datenaustausch zwischen Stahlherstellern und Kunden aussehen kann, zeigt die Salzgitter AG in einem Use Case der International Data Spaces Association (IDSA) der Fraunhofer Gesellschaft. Im Sinne gesteigerter Datensicherheit verzichtet das dezentral arbeitende System auf die Kommunikation über die Cloud als zentrale Datenhaltungsinstanz und verbindet ausschließlich Lieferant und Abnehmer verschlüsselt und entsprechend vorher ausgehandelter Bedingungen. Zugang zum virtuellen Datenraum erhalten ausschließlich zertifizierte Teilnehmer nach einer Identitätsüberprüfung. Der Besitzer behält stets die volle Kontrolle über die geteilten Daten und kann den Abruf beispielsweise an einen bestimmten Zeitraum oder weitere definierbare Bedingungen knüpfen. Somit bestimmt das Unternehmen selbst, wie es seine Informationen verwendet sehen möchte. Die IDSA verfolg das Ziel, sich zu einem internationalen Standard für einen digitalen Datenaustausch in der Industrie zu entwickeln.
Im Anwendungsfall bei Salzgitter versieht die Firma ihre Coils mit Barcodes, die der Kunde nach erfolgter Lieferung automatisch ausliest. Über das IDSA-Ökosystem erhält er Materialdaten zu jedem gescannten Produkt, die automatisch an seine Fertigungsanlage übertragen werden. Mithilfe dieser Informationen justieren sich die Maschinen vor Ort automatisch für die optimale Weiterverarbeitung der Lieferung. Denkbar ist auch die Bereitstellung weiterführender Informationen – etwa von Sensordaten aus dem Produktionsprozess der Coils, die der Kunde gegen eine Gebühr bekommen könnte.
Noch kein großes Thema: Blockchain
Die deutsche Stahlindustrie befindet sich bei der digitalen Absicherung und Flexibilisierung ihrer Lieferketten auf einem guten Weg. Vor allem die Schwergewichte der Branche haben bereits umfassende Transformationskonzepte umgesetzt, planen deren Ausweitung auf weitere Unternehmensbereiche und treiben die Entwicklung in Form von Pilotprojekten voran. In einzelnen Schritten nähern sie sich auf diese Weise nach dem Baukastenprinzip einer vollständig digitalisierten Logistik- und Prozesskette. Nachholbedarf herrscht allerdings noch beim Thema Blockchain, hier könnte vor allem Chinas größter Handelsverband für Metalle der internationalen Konkurrenz den Rang ablaufen. Die China National Association of Metal Material Trade treibt derzeit die Entwicklung einer speziell auf die Bedürfnisse der heimischen Stahlindustrie zugeschnittenen Lieferketten-Blockchain voran. Auf diese Weise möchte sie die verschiedenen Wirtschaftszweige der Branche miteinander vernetzen und einen sicheren, transparenten Datenaustausch gewährleisten: Einmal eingetragene Werte und Informationen sind nicht mehr änderbar und gelten somit als manipulationssicher. Geplant ist eine vollständige Rückverfolgbarkeit der kompletten Prozesskette einschließlich aller Informationen vom Stahlabbau in der Mine über die einzelnen Verarbeitungsschritte sowie den Handel und die Logistik bis hin zum finalen Stahlprodukt.
Kai Tubbesing arbeitet als freier Fachjournalist, Texter für Unternehmen und Agenturen sowie Übersetzer im Herzen des Ruhrgebiets. Sein Kompetenzportfolio umfasst neben klassischen IT-Themen wie Netzwerktechnologien, Security und PC-Hardware auch den Mobilgeräte- und Audiobereich. Bis 2017 war er als leitender Redakteur und stellvertretender Chefredakteur in der deutschen Redaktion von Tom’s Hardware tätig.
