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Produktionsmonitoring für dezentrale Systeme

Fertigungsleitsysteme und Industrie 4.0

Produktionsmonitoring für dezentrale Systeme

Nach der mechanisch, elektrisch und elektronisch gesteuerten Produktion hat die vierte industrielle Revolution begonnen: Die 'Industrie 4.0' soll die Fabrik zur Smart Factory machen, indem Teile und Maschinen via Internet miteinander kommunizieren. Für Produzenten besteht dabei eine Herausforderung darin, durch 'Big-Data'-Verarbeitung in Echtzeit die Datenwelten der Industrie von morgen für die Produktionsoptimierung nutzbar zu machen – von der Sensorebene bis zur manuellen Prozesskontrolle.

Bild: Audi AG

Erst kam das Morsen, dann das Telefonieren, dann folgten Internet und E-Mail. Heute können Menschen via Smartphone drahtlos von jedem Punkt der Erde miteinander kommunizieren und auf zentralen Plattformen wie Facebook, Twitter und Youtube in Echtzeit Texte, Bilder und Filme austauschen. Ähnlich verhält es sich mit der Entwicklung der Fertigung. Vom dampfbetriebenen Webstuhl über elektrische Fließbänder und chipgesteuerte Fabriken kündigt sich heute der Anfang einer vierten industriellen Revolution, der ‚Industrie 4.0‘ an. Noch stellt sich die Entwicklung eher als allmähliche Evolution denn als Revolution dar, doch die Bewegung nimmt Fahrt auf. Der digitalen Weiterentwicklung der Fabrik zur sogenannten Smart Factory sollte sich kein Unternehmen verschließen, wenn es langfristig wettbewerbsfähig bleiben will. Eine Vorreiterrolle könnte dabei die bereits heute hoch automatisierte Automobilindustrie mit ihren engmaschigen Lieferantennetzwerken spielen.

Schrittmacher für Produktion und Wertschöpfung

Der Begriff Industrie 4.0 wird als Oberbegriff für die Digitalisierung sowohl der Werkhalle als auch des industriellen Wirtschaftens genutzt. Im Umfeld dieser Entwicklung entstehen sowohl neue Geschäfts- und Wertschöpfungsprozesse als auch neue Möglichkeiten zur Optimierung von Produkten und ihrer Fertigung. Intelligente, dezentral vernetzte Maschinen können dabei ebenso eine Rolle spielen wie die Prozessunterstützung durch Software. Bei der Wertschöpfung zeichnet sich die Revolution vor allem im Service ab: Bereits verkaufte Produkte kommunizieren weiter mit ihrem Hersteller und melden Störungen, Wartungen oder Nutzerverhalten. Die zukünftigen Möglichkeiten sind vielfältig: Das Auto mit defekter Kupplung, das selbstständig die nächste Werkstatt ansteuert, in welcher der Kunde vom Service-Team bereits erwartet wird; die Waschmaschine, die selbstständig den Wartungsservice ruft; die Großkantinen-Kaffeemaschine, für die der Aufsteller jeden Monat eine tassengenaue Abrechnung schicken kann.

Frank Riemensperger von Accenture Deutschland drückt es so aus: „In der Industrie 4.0 geht es nicht mehr allein darum, Maschinen zu verkaufen.“ Verkauft werden könne vielmehr eine immer bessere Nutzung von Maschinen. Für die Fertigung heißt dies: Menschen, Teile und Maschinen stehen in der Smart Factory miteinander in Kontakt. Zudem kommunizieren intelligente Teile und Maschinen durch eingebettete IT-Systeme untereinander sowie mit dem Internet. So kann beispielsweise ein Fertigungsteil an die Kontrollsysteme melden, dass es falsch montiert wurde. Auf Basis der in diesen Systemen entstehenden Datenwelten können sich für Software-Lösungen wie Manufacturing Execution-Systeme (MES) neue Aufgabenfelder erschließen. Die Systeme gestatten dem Anwender unter anderem, auf einheitlichen Oberflächen erforderliche Größen wie Planvorgaben, Beschaffung, Störungen oder Personalkapazitäten in Echtzeit darzustellen und zu steuern.

Die Fabrik im IT-System: Spiegelbild der Produktion

Technologischer Kern der ’smarten‘ Fabrik sind sogenannte Cyber-Physical Systems (CPS). Der Begriff beschreibt die Verbindung von virtueller Datenwelt und physischen Produktionsanlagen. Anlagentechnik und IT-Welt können so in Echtzeit miteinander agieren. Dabei entsteht sozusagen als ‚Nebenprodukt‘ ein umfassendes Informationsbild der Fertigung. Die passende Infrastruktur und Software vorausgesetzt, können Betreiber damit über ein ‚Cyber-Spiegelbild‘ der Werkhalle Abläufe virtuell analysieren und in der realen Welt optimieren. In Echtzeit können auf diese Weise neben dem Zustand der Produktion auch die erforderlichen Leistungsparameter dargestellt werden. Anlagenbetreiber können damit unmittelbar reagieren, wenn die Fertigung die Erfordernisse der Planung nicht erfüllt. Auf diese Weise steht Unternehmen ein Werkzeug zur Verfügung, um sowohl ihre Produktion als auch den Einsatz der Betriebsmittel signifikant und dauerhaft zu verbessern.

Herausforderungen ‚Big Data‘ und ‚Usability‘: Zum Etablieren leistungsfähiger, dezentraler Produktionssysteme im Sinne einer Industrie 4.0 müssen einerseits sehr große Datenmengen aus Anlangensteuerungen und Sensorik vernküpfz und analysiert werden. Entsprechend leistungsfähige Infrastrukturen sind daher eine zentrale Anforderung der Cyber-Physical Systems. Gleichzeitig muss auch die fehlerfreie und schnelle Interaktion zwischen Mensch und Maschine über leicht verständliche und flexibel einsetzbare ‚Human Machine Interfaces‘ (HMI) gewährleistet werden. Dabei wird mit dem Heranwachsen der nächsten Bedienergenerationen auch der Einsatz mobiler Geräte weiter in den Vordergrund rücken. Bild: MSR Technologies

Erfolgsentscheidend: Viele Daten in Echtzeit verarbeiten

Damit wird die Fähigkeit zur Echtzeit-Spiegelung des Fabrikzustands zu einem entscheidenen Faktor. Denn ein Spiegelbild muss sich genauso schnell bewegen wie das Original. Unternehmen benötigen daher für ein umfassendes Abbild der Produktion nicht allein intelligente Maschinen und Anlagen mit eingebetteten IT-Bausteinen. Die Produktion in der Industrie 4.0 benötigt eine Hochleistungstechnologie, die immense Datenmengen oder ‚Big Data‘ von Nutzern und intelligent kommunizierenden Teilen und Anlagen gleichermaßen webbasiert in virtuellen Räumen oder ‚Clouds‘ sammeln, analysieren und nutzergerecht in Echtzeit auf verschiedenen Geräten weltweit darstellen kann. Erst auf diese Weise können digitale Lösungen die Abläufe in der ‚Hard Factory‘ effizient steuern.

IT-Bausteine für die Smart Factory

Der Software-Anbieter Forcam leitet aus der technologischen Enwicklung hin zur Industrie 4.0 die folgenden Anforderungen an die Stuerungs- und Auswertungsfunktionen von IT-Landschaften in produzierenden Betrieben ab:

Technologie-Kompetenz in der Geschäftsleitung

Industrie 4.0 bedeutet für Entscheider, dass sie die technologische Produktionskompetenz auf Geschäftsführungs- und Vorstandsebene stärken müssen, um eine Produktionsoptimierung ‚top-down‘ einfordern zu können. Für die vierte industrielle Revolution gibt es mittlerweile verschiedene öffentlich geförderte Aktivitäten. Im Zentrum steht dabei, die Innovationsfähigkeit weiter zu stärken und den Standort im internationalen Wettlauf um zukunftsfähigste Geschäftsmodelle zu positionieren. Gezieltes Engagement im Umfeld von Industrie 4.0 kann so den Industriestandort Deutschland voranbringen. Forcam unterstützt vor diesem Hintergrund die Initiative ‚Industrie‘ 4.0 von Professor Thomas Bauernhansl am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart.

 

Manufacturing Execution-Systeme als Steuerungsinstrument

Bild: Forcam

In den letzten zehn Jahren haben sich Manufacturing-Execution-Systeme (MES) als Oberbegriff für Funktionen der fertigungsnahen Datenerfassung etabliert. Hauptaufgabe dieser sogenannten Produktionsleitsysteme ist es, Kennzahlen oder ‚Key Performance Indicators‘ (KPI) für die Fertigungssteuerung und -überwachung aufzubereiten. Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) hat etwa 20 Kennzahlen für den MES-Bereich definiert. Dazu gehören unter anderem die Maschinenauslastung und -verfügbarkeit sowie Durchlauf- und Wartezeiten. Zur Berechnung der Kennzahlen sind verschiedene Prozessgrößen notwendig, beispielsweise Prozesswerte aus der Maschine.

Daneben spielen auch logistische Größen aus der Produktionsplanung, beispielsweise Arbeitsplatzkapazitäten oder Personaldaten eine Rolle. Produktionsnahe Software-Systeme können all diese Daten in Echtzeit verarbeiten und analysieren. Eine besondere Herausforderung an ein MES stellt dabei die digitale Anbindung der Maschinen und Anlagen verschiedener Hersteller dar, also die Fähigkeit, unterschiedliche Schnittstellen zu bewältigen und anschließend die Signale in Maschinen- und Betriebszustände zu übersetzen und zu visualisieren. Sind alle Maschinen an das System angeschlossen und die Betriebszustände normiert, lässt sich die Produktion automatisch überwachen und steuern. Auf diese Weise werden Leerläufe und Störungen zeitnah sichtbar und können unmittelbar behoben werden.

Verbindung zwischen Werkhalle und Management

Zudem gilt es, das MES in Produktion oder ‚Shop Floor‘ mit der Planungsebene im ‚Top Floor‘ nahtlos zu vernetzen. Findet eine enge Integration mit Enterprise Resource Planning-Systemen (ERP) statt, wie sie beispielsweise der Walldorfer Softwarekonzern SAP anbietet, lassen sich Fabrik- und Planungsdaten in Sekundenschnelle aufeinander abstimmen. Die IT-Technologie kann so signifikant effizienter agieren als manuelle Datenerfassung. Geschäftsführer und Vorstände können mit Hilfe digital vernetzter Daten und Auswertungen aus Shop und Top Floor die Fertigung optimieren und so Produktivität und Profitabilität des Unternehmens steigern. Diese Methoden versprechen Produzenten auch vor dem Hintergrund einer zunehmenden Fokussierung auf die dezentralen Fertigunsprozesse der Industrie 4.0 Mehrwert.

Führend beim Einsatz entsprechender Systemtechnologie in Deutschland sind bisher die Branchen Automobil-, Pharma- und Chemieindustrie. Der Softwareanbieter Forcam kann bereits auf zahlreiche IT-Projekte mit deutschen Automobilherstellern wie Audi, BMW und Daimler zurückblicken. Dass auch der Mittelstand keine Berührungsängste vor neuen Technologien hat, zeigt das Beispiel des Unternehmens MSR Technologies in Laupheim bei Ulm. Der Automobilzulieferer setzt zur Steuerung seiner 160 Maschinen einen softwarebasierten Leitstand ein. MSR-Geschäftsführer Robert Stöhr erklärt: „Wir haben mit Forcam die Betriebsnutzungszeiten aller Anlagen um 25 Prozent gesteigert.“ Das Unternehmen wurde zum Leuchtturm-Projekt für das VDI-Zentrum für Ressourcen, Effizienz und Klimaschutz in Berlin. Das Institut hat die Projektumsetzung bei dem Laupheimer Produzenten in einem Videobeitrag für die Öffentlichkeit dokumentiert.