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Freitag, 24.03.2017  

Integrierte Prozesse

Autonome Systeme in der Produktion

Die digitale Transformation verändert Unternehmen auf vielen Ebenen. Es entstehen neue Kommunikationskanäle für die Kundenansprache, neue Möglichkeiten für die Bearbeitung interner Prozesse und neue Technologien für die Optimierung von Produktionsprozessen. Die Auswirkungen sind von Unternehmen zu Unternehmen und von Branche zu Branche unterschiedlich. Ein Muster findet sich aber immer wieder: die nahtlose Verknüpfung von realen mit digitalen Prozessen.

Bild: Adesso AG

Bislang besteht in vielen Fertigungsbetrieben ein Bruch zwischen den Abläufen in der realen Welt und ihrer digitalen Übersetzung in ein Informationssystem. Diesen gilt es mit Mensch-Maschine-Schnittstellen zu überwinden, also physische Gegenstände und Abläufe in digitale Prozesse zu integrieren.

Vernetzung zu Cyber-Physical Systems

Die technische Grundlage für diese Integration ist die flächendeckende Vernetzung von Gegenständen: Güter und Geräte, ausgestattet mit einer eigenen digitalen Identität, Sensorik oder Steuerungseinheit, melden ihren Zustand permanent oder auf Anfrage in Echtzeit an das IT-System. Unternehmen stehen so immer flexiblere und intelligentere Systeme zur Verfügung. Mit der Verknüpfung digitaler Systeme und Gegenstände und Abläufe der realen Welt entsteht ein Cyber-Physical System (CPS). Diese unterscheiden sich von den klassischen IT-Systemen der Unternehmen. CPS sind flexibel: Sie können in wandelbaren Prozessen – beispielsweise in Abläufen mit vielen Teilnehmern wie Logistikketten oder auf Märkten mit starken Schwankungen auf der Angebots- und Nachfrageseite – agieren und mit austauschbaren Komponenten und Drittdiensten zusammenarbeiten. Zudem sind sie autonom oder teilautonom.

Eingriffe bleiben erforderlich

Adaptierbare Systeme gibt es im Fertigungsumfeld bereits seit Längerem, diese benötigen jedoch Eingriffe von außen, um sich neuen Bedingungen anpassen zu können. Mitarbeiter müssen Komponenten hinzufügen, austauschen oder neu organisieren. CPS hingegen nutzen automatische Anpassungsmechanismen, die keine oder kaum noch manuelle Entwicklerentscheidungen und -eingriffe erfordern. Bezeichnet werden diese Fähigkeiten als Self-Healing oder Self-Adapting Systems. Auf den ersten Blick erwecken diese Eigenschaften womöglich den Eindruck, dass industrielle Fertigungsanlagen keine geeigneten Anwendungsbereiche für CPS sind. Denn die Systeme, die von Grund auf flexibel und autonom sind, widersprechen dem tayloristischen Prinzip. Dieses hat das Ziel, den optimalen Fertigungsprozess für ein Produkt zu identifizieren und für eine präzise Wiederholbarkeit möglichst weitgehend zu automatisieren. Und für viele Produkte werden die Kernfertigungsabläufe tatsächlich vergleichsweise ‘fest verdrahtet’ sein und es auch bleiben. CPS werden sich hier nicht durchsetzen, denn ihre Stärken spielen in diesen Prozessen keine Rolle.

Weltweite Wertschöpfungsnetze

In einer zunehmend globalisierten Fertigungskette aber kontrollieren die wenigsten Unternehmen ihre Produktion von den Rohstoffen bis zur Kundenauslieferung komplett selbst. Stattdessen sind sie auf ein Netzwerk aus Lieferanten für Halbzeuge, Bauteile oder Funktionsmodule angewiesen. Ist das hergestellte Produkt eine Komponente, bestimmt für die Integration in andere Erzeugnisse, ist auch der Hersteller Teil einer größeren Lieferkette. Die Koordination solcher Ketten ist hauptsächlich eine betriebswirtschaftlich-logistische und weniger eine technische Aufgabe. Aber vor allem in komplexen Just-In-Time-Produktionsabläufen, in denen die Supply-Chain-Management-Verantwortlichen das Zusammenspiel zahlreicher Faktoren koordinieren müssen, ist die Unterstützung durch CPS hilfreich. Die Informationen, die das System unmittelbar in den Produktionsschritten gewinnt, kann es dazu nutzen, den Prozess weitgehend eigenständig zu steuern und zu optimieren. Beispiele hierfür sind der Umgang mit Störungen im Lieferablauf, der ein entsprechendes Umdisponieren erfordert sowie die Echtzeit-Inventarisierung von gelagerten und verbauten Komponenten.

Losgröße 1 mit CPS

Nicht nur in der Koordination der Lieferkette sind CPS-geeignete Einsatzmöglichkeiten denkbar. Kunden wünschen sich bei einigen Produktkategorien mehr Vielfalt bei den Varianten. Beispiele sind Automobile, IT-Systeme oder Einbaumöbel. Um die geforderte Variantenvielfalt anbieten zu können, müssen die Verantwortlichen flexible Fertigungsprozesse aufbauen. Je nach gewünschter Ausführung des Produkts müssen Fertigungsschritte angepasst, ausgelassen und eingeschoben werden. Die Nutzung von CPS in solchen Fertigungsprozessen verspricht, den in der IT-Welt verfolgten Ansatz der flexiblen Choreographie und Instrumentierung von Diensten – die Anordnung von Prozessschritten und die Vergabe der Ausführungsverantwortung für diese Schritte – auf die physische Ebene zu übertragen. Die Verantwortlichen kapseln Fertigungsschritte in Anlagenmodulen, die sich je nach Auftragseingang kombinieren und parametrisieren lassen.

Mit Technologie zu attraktiveren Produkten

Einsatzgebiete für CPS gibt es auch im Markt für industriell gefertigte Einzelstücke wie Foto-Druckdienste, die vom Abnehmer bereitgestellte Bilder auf Gegenstände wie Poster, T-Shirts oder Tassen aufbringen. Den Produktionsprozess bestimmt hier der Mix der vorhandenen Anlagen. Hier entscheidet sich, welche Konfiguration am Einzelstück im Haus vorgenommen und welche an Spezialanbieter abgegeben werden muss. Hier können CPS helfen, den gesamten Prozess vom digitalen Auftragseingang über die maschinelle Fertigung bis zum Versand zu realisieren. Den Anwendern solcher Systeme bietet sich so die Möglichkeit, neue Märkte zu erschließen. Für Kunden entstehen attraktivere Produkte, deren Fertigungsfortschritt er unter Umständen in Echtzeit verfolgen kann. Die Einrichtung solcher Systeme ist aufwendig. Entscheider müssen sorgfältig abwägen, welche Prozesse sich über Cyber-Physical Systems steuern lassen. Richtig eingesetzt könnte dieser Ansatz jedoch einen Quantensprung auf dem Weg der digitalen Transformation darstellen.

Der Autor Prof. Dr. Volker Gruhn ist Vorsitzender des Aufsichtsrats bei der Adesso AG und Inhaber des Lehrstuhls für Software Engineering an der Universität Duisburg-Essen.
Internet: www.adesso.de   


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