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Von der Vision in die Praxis

Die Smart Electronic Factory

Von der Vision in die Praxis

Bei dem Elektronik-Hersteller Limtronik wird derzeit mit Hochdruck daran gearbeitet, die Vision der Industrie 4.0 in die Tat umzusetzen. Mit der Smart Electronic Factory ensteht eine Produktionsumgebungent, die etwa Fehler in der Produktion in automatisierten Regelkreisen automatisch erkennt und abstellt. Rund um das Projekt hat sich bereits ein Konsortium an mittelständischen Unternehmen gebildet, um Industrie 4.0-Technologie für das Branchensegment Elektronikfertigung in die Praxis zu überführen.

Bild: iTac Software AG

Teil der Vision einer Industrie 4.0 sind Smart Factories, an denen bisher meistens in branchenübergreifenden Modellfabriken gearbeitet wird. Der Vision, dass Maschinen sich künftig selbst optimieren, eigenverantwortlich aus Fehlern lernen und mittels Algorithmen autark produzieren, kann erst dann der Sprung in die Realität gelingen, wenn sie rechtzeitig aus der Modellfabrik in echte Produktionsstätten geholt werden.

Intelligente Regelkreise zur Selbstoptimierung

Eine entsprechende Realisierung führt der Elektronik-Hersteller Limtronik GmbH derzeit in seinem Werk durch. Der Produzent baut hier gemeinsam mit der iTac Software AG in Limburg an der Lahn eine Industrie 4.0-Evaluierungsumgebung mit dem Namen Smart Electronic Factory auf. Dazu wurden das Manufacturing Execution-System (MES) iTac.MES.Suite 8.00 und weitere Plug & Play-Komponenten des Software-Partners in der Produktionsstätte installiert. Ein Beispiel für diese ‚Smart Devices‘ ist das Integrationsmodul iTac.Smart.MES-Device. Die Idee hinter der Systemeinführung ist es, zukünftig damit nicht nur die Fertigungsanlagen zu steuern und zu überwachen, sondern intelligente und selbstoptimierende Regelkreise zu bilden. Der Software-Anbieter stellt hierfür Soft- und Hardware-Komponenten zur Ankopplung von Anlagenmodulen der Hersteller Asys Group GmbH, Fuji Machine MFG Europe GmbH, Rehm Thermal Systems GmbH, Koh Young Technology Inc., Göpel Electronic GmbH und anderen bereit.

Vollautomatisierte Fertigung von Baugruppen

Die Produktion elektronischer Baugruppen erfolgt bereits heute voll automatisiert über mehrere unabhängige Anlagenmodule. Hierbei spielt die Autonomie eine zentrale Rolle. Die Anlagenmodule sind so konstruiert, dass von jeder Baugruppe unterschiedliche Bauformen hergestellt werden können. Die vorbereitenden Maßnahmen der Fertigungszelle auf das jeweils zu erzeugende Produkt findet manuell oder teilautomatisiert statt. Weniger flexibel ist die Reihenfolge der gesamten Fertigungszellen, denn während der Fabrikplanung werden sie fest miteinander verbunden. Die Produkte durchlaufen anschließend die Stationen in einer unbeweglichen Kette. Die Anlagenmodule werden durch ein- oder zweispurige Transportbänder miteinander verknüpft. Ein Nachteil ist, dass bei der Störung eines einzelnen Anlagemoduls die ganze Produktion still steht.

Die Vision der Smart Electronic Factory

Bei dem Elektronik-Fertiger werden für jeden primären Fertigungsschritt Maschinen-, Prozess- und Qualitätsdaten autark erfasst und analysiert. Auf den Gesamtprozess lässt dies allerdings nur eingeschränkte Rückschlüsse zu, denn Korrelationen zwischen den Datenbeständen der einzelnen Fertigungsprozesse können derzeit noch nicht festgestellt werden. Die Chancen des Industrie 4.0-Projektes ‚Smart Electronic Factory‘ sieht der Fertiger auch darin, dass mit leistungsfähigen Korrelationsanalysen ein automatisierter Rückschluss auf die prozessbezogene Fehlerursache erfolgen kann. Somit könnten die IT-Systeme Fehler nicht nur erfassen und über Qualitätsberichte dokumentieren, sondern auch eigenständig abstellen. Dadurch wiederum können zum einen die Fehlleistungskosten minimiert werden, zum anderen profitieren die Unternehmen von einer Arbeitszeitersparnis. Aktuell befassen sich bei dem Hersteller fünf Mitarbeiter mit der Analyse von Fehlerursachen. In einem weiteren Schritt soll daher der Ausbau zur selbstlernenden Maschine erfolgen. Sie sollen in der Lage sein, unter eingegrenzten Bedingungen Fehlerursachen zu identifizieren, Maßnahmen zur Fehlervermeidung zu definieren und Meldungen an den Operator zu verschicken.

Dabei wollen die Projektpartner das Konzept eines cyber-physischen Systems (CPS) realisieren, welches Softwaremodelle und physischen Maschinenelemente kombiniert, um in gewissen Grenzen autarke Aktionen der Produktionsmaschinen zu erlauben. Mit der bidirektionalen Kopplung des Enterprise Resource Planning-Systems (ERP) sowie dem Fertigungsequipment ist weiterhin eine durchgängige vertikale Integration vorgesehen, welche die vollständige Wertschöpfungskette von Wareneingang bis Versand abdecken soll. Ein weiteres Kernelement der Smart Electronic Factory soll Traceability bilden. Viele Bereiche der Elektronikfertigung können durch eine Regel charakterisiert werden: Es gilt, Produkte innerhalb kurzer Zeit auf hohem Qualitätsniveau unter bestmöglicher Auslastung der Betriebsmittel zu fertigen. Dazu lassen sich Traceability-Funktionen mittels laserbeschrifteten Data Matrix-Codes oder Barcode-Etiketten einsetzen, um jedes Einzelprodukt, Rohmaterialgebinde oder Betriebsmittel durch die Prozesskette zurückzuverfolgen. Durch die geplante horizontale Integration in diesem Bereich der Limburger Fertigung sollen sich bei Feldausfällen oder im Servicefall anhand der Seriennummer eines Produkts die Fehlerursache und deren Umstände ermitteln lassen.

Evaluierung in der realen Fabrik

Im Werk entsteht derzeit ein Fertigungsumfeld auf der Grundlage standardisierter, Industrie 4.0-tauglicher Hard- und Software. Die Anlagenmodule, Scanner, Laserprinter, Sensoren et cetera der SMT-Linien von Limtronik werden über das Integrationsmodul des Software-Anbieters und Standard-Anlagenschnittstellen angekoppelt. Damit konnte das Schnittstellenproblem gelöst werden, mit dem viele Unternehmen der Branche konfrontiert sind. Die Prozess- und Maschinendaten der einzelnen Anlagenmodule werden über Messwerte von prozessbezogenen Sensoren zur Messung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit ergänzt. Die Sensordaten erfasst das Modul des MES-Anbieters ebenfalls und übermittelt sie an die Anwendung für Echtzeit-Analyse in der produktionsnahen Software. Gemäß Schichtkalender und den einsatzfähigen Betriebsmitteln übernimmt ein Advanced Planning & Scheduling-Modul (APS) die Feinplanung von Aufträgen unter Berücksichtigung verschiedener ‚Constraints‘ wie Maschinen- und Materialverfügbarkeit oder produktive Zeiten. Die Planungsfunktion arbeitet mit den vom MES zur Verfügung gestellten Daten und kann in nahezu Echtzeit auf Veränderungen in der Fertigung reagieren.

Innerbetriebliche Materialflüsse steuern

Neben dem MES-Device kommt ein weiteres Hardware-System für den Wareneingang zum Einsatz: das iTac.smart.receiving-device. Sämtliche Materialgebinde zu erfassen, ist der erste Schritt einer logistischen Prozesskette und kann die Grundlage für eine durchgängige Materiallogistik, Qualitätssicherung und Traceability bilden. Das Device erstellt eine spezifische Identifikationsnummer für die angelieferten, verpackten Materialien im Wareneingang und ordnet dem Materialgebinde Daten wie Materialbezeichnung, Materialnummer, Menge, Herstelldatum, Hersteller-Charge, Fertigungsort, Verfallsdatum oder Feuchtigkeitsklasse (MSD) automatisch zu. Die Materialdatenbestände können auch über standardisierte ERP-Schnittstellen der MES-Lösung an die Unternehmensanwendungen der Abnehmer übermittelt werden. Die Schaltzentrale der Industrie 4.0-Evaluierungsumgebung bildet Release 8.00 der MES-Suite, die nun Java 8 unterstützt. Ebenfalls neu im System ist ein skalierbares Business Intelligence-Portal (BI) für produktionsnahe Big Data-Anwendungen.

Mit den neuen Funktionen sind die Projektpartner einen Schritt weiter, um über prozessübergreifende Daten-Analyse-Techniken (Data Mining) auf Basis der erfassten Maschinen-, Betriebsmittel- und Prozessinformationen Fehlerursachen eigenständig zu erkennen und in einem Regelkreis automatisiert zu verbessern. Die Organisation autonomer ad-hoc-Vernetzungen zwischen einzelnen Anlagen bedarf jedoch herstellerunabhängiger Kommunikationsstandards und stellt iTac und Limtronik vor Herausforderungen, die sich nur mit Unterstützung der Anlagenhersteller lösen lassen. In diesem Kontext wird derzeit analysiert, inwieweit OPC UA als ein Machine-to-Machine-Kommunikationsprotokoll oder andere Standards in der Elektronikfertigung eingebunden werden können. Seit Projektbeginn hat sich um das Projekt ein Konsortium mittelständischer Unternehmen zusammengetan, das aus Anlagen- und Softwareherstellern wie der In-GmbH und Dualis GmbH IT Solution besteht. Im Fokus steht die gemeinsame Arbeit an der realen smarten Fabrik im Branchensegment Elektronik. Denn insbesondere im Mittelstand ist die Elektronikproduktion durch eine hohe Variantenanzahl mit vielen Produktwechseln gekennzeichnet. Nun sollen Algorithmen entwickelt werden, welche die qualitätsbeeinflussenden Faktoren aus der Flut der Daten einer Elektronikfabrik automatisch ermitteln können.