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Digitale Prozesslandschaften

Prozessautomatisierung an der virtuellen Linie

Firmen müssen ihre Fertigung an den immer schnelleren Takt von Markt- und Kundenanforderungen anpassen. Aus Sicht der Anlagenplanung bietet sich dazu der Rückgriff auf virtuelle Fabrikmodelle an, während zur Gestaltung der Fertigungsprozesse produktionsnahe IT zur Verfügung steht. Den größten Effizienzgewinn verspricht jedoch die Verbindung der beiden Disziplinen.

BIld: Edag Production Solutions

Um die wachsenden Anforderungen durch globalisierte Märkte im Hiblick auf Produktindividualisierung, Flexibilität, Qualität und Kosten erfüllen zu können, werden zum einen Manufacturing Execution-Systeme (MES) eingesetzt, die durch konsequente Nutzung von Informationstechnologie dazu befähigen, Fertigungsprozesse schnell, wertschöpfend und zielgerichtet zu gestalten. Zum anderen greifen Betriebe zur effektiven Planung neuer oder verbesserter Produktionsprozesse auf Mittel der Digitalen Fabrik zurück. Hierzu werden Prozesse mit allen interagierenden Geräten simuliert, visualisiert und ausgewertet. Durch die Virtualisierung von Interaktionen zwischen Komponenten und Prozessen lassen sich nicht nur Fehler vor der Inbetriebnahme beseitigen, sondern auch Optimierungspotenzial frühzeitig erkennen. Die Bereitstellung eines bidirektionalen Datenaustausches zwischen produktionsnaher IT und der digitalen Fabrik bildet das Fundament für eine flexible, in Echtzeit anpassungsfähige Fabrik. Diese flexible ‚Smart Factory‘ ist einer der Eckpfeiler des Zukunftsprojektes Industrie 4.0. Ziel ist eine vernetzte, intelligente und wandlungsfähige Fabrik auf Basis von Cyber-Physical System (CPS) und dem Internet der Dinge (IOT).

Zusammenspiel von digitaler Fabrik und Produktions-IT

Die Smart Factory muss genügend Flexibilität gewährleisten, um sich an unterschiedliche Fertigungsprozesse und deren Entwicklung anpassen zu können. Die Grundlage dazu bildet die durchgängige Modellierung und Simulation der Prozesse von Planung und Konstruktion bis zu Fertigung und Wartung. Die aus der digitalen Fabrik generierten Informationen können auch das MES mit aktuellen Planungsdaten versorgen. Dieser Informationsaustausch ermöglicht dem Leitsystem, neue Prozesse innerhalb der Produktion in vorhandene Abläufe zu integrieren und die Kommunikation zu neuen Teilnehmern aufzubauen. Dazu generiert die produktionsnahe IT auf Basis von automatisierten Verfahren zur Objektverfolgung ein virtuelles Abbild der Produktion. Dies wird durch Kennzeichnung der einzelnen Objekte mithilfe einer eindeutigen Identifikationsnummer ermöglicht, etwa durch RFID-Technologie. Zudem senden Maschinen und Anlagen Zustands- und Statusinformationen an die produktionsnahe IT. So kann die Software die ressourceneffektivste Auftragsabarbeitungsreihenfolge ermitteln und einsteuern, auf Störungen und Engpässe reagieren, Fehleranalysen und Optimierungsmaßnahmen unterstützen. Durch Wissensmanagement innerhalb des Systems lassen sich dann Prozessoptimierungen erfassen, bewerten und strukturiert archivieren. Dieses Wissen kann sofort oder zeitverzögert als Grundlage für die Planung neuer oder verbesserter Prozesse oder Fabriken dienen. Durch konsequenten, bi-direktionalen Informationsaustausch zwischen MES und Digitaler Fabrik lassen sich so Planungs- und Anlaufzeiten reduzieren und die Flexibilität der Fabrik erhöhen.

Automation ML als neutrale Datenplattform

Um den Informationsaustausch zwischen den beteiligten Technologien sicherzustellen, empfiehlt sich der Rückgriff auf ein neutrales Austauschformat, da aufgrund der Verwendung verschiedener Hersteller-Standards oft keine homogene Prozesslandschaft im Unternehmen existiert. Dazu eignet sich Automation ML (AML), welches im Rahmen einer Initiative von Industriebetrieben und Universitäten ins Leben gerufen wurde. Als Weiterentwicklung vorhandener Standards basiert das Format auf der Extensible Markup Language (XML). Engineering-Informationen werden in AML objektorientiert abgelegt, um beispielsweise Signale, SPSen, Roboter, Fertigungszellen oder ganze Linien und Fabriken in verschiedenen Detailstufen zu beschreiben. Typische Informationsbestandteile umfassen dabei Topologie, Geometrie, Kinematik sowie die Logik für Ablaufsequenzen, Verhalten und Steuerung. Die Anlagentopologie bildet den Rahmen von AML und wird durch das Datenformat Caex beschrieben. Zusammen mit Collada und PLC Open für Geometrie und Kinematik sowie Ablaufsequenzen, Verhalten und Steuerung entsteht das Format AML.

Automatisierter Workflow

Im Zuge des EU-Forschungsprojektes Cosmos wurde vor diesem Hintergrund ein Konzept zur Echtzeitverbindung zwischen digitaler Fabrik und MES auf Basis von AML spezifiziert, umgesetzt und verifiziert. Das Ziel der Initiative ist eine 20-prozentige Steigerung der Anlageneffizienz durch Nutzung eines modularen, anpassungsfähigen Systems. Edag PS hat auf Basis produktionsnaher IT und Tools der Digitalen Fabrik eine Produktionslinie einschließlich Prozessen, Ressourcen und Produkten modelliert und vernetzt. Diese virtuelle Linie kann mithilfe von Adaptern nach AML überführt und ins MES als Konfigurationsgrundlage importiert werden. Werden Produkt- oder Prozessänderungen nötig, etwa zur Integration neuer Varianten, werden diese modelliert und in das MES übertragen. Um Planungs-, Konfigurations- und Anlaufzeiten zu verkürzen, werden dabei Module, Workflows und Benutzeroberflächen automatisch angepasst.

Standardisierung als Eckpfeiler der Integration

Wie die Praxis und Forschungsprojekte wie Cosmos zeigen, ergänzen sich Digitale Fabrik und produktionsnahe IT erst durch ihre Vernetzung. AML ist ein Format das diese Vernetzung realisiert – und damit ein wichtiger, vielleicht sogar entscheidender Beitrag zu Industrie 4.0. Denn erst durch das umfassende Zusammenspiel von Engineering, Automation und Produktionsmanagement lässt sich durch einen hohen Automatisierungsgrad auch in der Modellierung von Fertigunsprozessen das volle Potenzial einer Fabrik der Zukunft realisieren.

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