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Mentale Leitstände

Informationen integrieren in der Produktentstehung

Kunden fordern zunehmend individualisierte Produkte, die Industrie reagiert mit Customization – kundenindividueller Anpassung – ihrer Produktentstehung und fertigt in Kleinserien und Unikatfertigung eine große Vielfalt unterschiedlicher Produkte. Dies führt zu einem hohen Flexibilitätsdruck in der Produktentstehung. Um dem Druck entgegenzuwirken, müssen die Informationen, die durch Industrie 4.0 stetig zunehmen, am Arbeitsplatz verfügbar gemacht und ein besserer Informationsaustausch zwischen Produktentwicklung, Produktionsplanung und Produktion ermöglicht werden. Die Verbesserung von Einzelsystemen kann das nur bedingt leisten.



Bild: Fraunhofer-Institut IPK

Die notwendige stärkere Informationsintegration ist bei kleinen und mittleren Unternehmen in den allermeisten Fällen nur mit großem Aufwand möglich, da sie meist Systeme unterschiedlicher Hersteller mit zum Teil reduziertem Funktionsumfang einsetzen. Obwohl die Automatisierung verstärkt vorangetrieben wird, insbesondere durch Industrie 4.0, bleiben immer Bereiche der Produktentstehung, in denen der Mensch weiterhin eine entscheidende Rolle spielen wird. Die insbesondere bei KMU häufig komplexen, heterogenen IT-System-Landschaften führen durch den Umgang mit ihren vielen Systemen zu einer hohen kognitiven Belastung und schließlich zu Fehlern.

Demonstratoren entwickelt

Für eine flexiblere Produktentstehung und die Sicherstellung des Informationsaustausches wurden im Vorhaben Effizienzsteigerung durch Leitstände in der Produktentstehung (ELP) Demonstratoren für integrierende Informations- und Steuerungssysteme (Leitstände) für die Produktentstehung entwickelt. Diese erfassen Informationen aus verschiedenen Systemen und präsentieren sie integriert, aufgabenbezogen und orientiert am mentalen Modell der Nutzer. Dies sind beispielsweise Informationen der Fertigung am 3D-Modell des Produktes, sowie der Produktinformationen am 3D-Modell der Fertigung. Damit kann das Abstraktionsniveau gesenkt und kurzfristig auf geänderte Anforderungen reagiert und fundierte Entscheidungen gefällt werden. Die Interaktion mit den Leitständen nutzt dabei die Touch-Fähigkeiten der mobilen und fest installierte Systeme wie Smartphones, Tablets, Multitouch-Tische. Im Rahmen des Projekts wurden in der Entwicklung befindliche Demonstratoren ineinander integriert, um somit durch die Synergieeffekte einen Mehrwert für die ermittelten Anwendungsfälle zu erreichen.



In einer Kooperation des Geschäftsfelds Virtuelle Produktentstehung (VPE) des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) und des Fraunhofer-Instituts für Grafische Datenverarbeitung in Rostock (IGD-R) wurde eine integrierte Softwareanwendung für die Darstellung komplexer Informationen
und die Unterstützung von Design Reviews entwickelt. Bild: Fraunhofer-Institut IPK

Multitouch-Tisch

Mit Plant@Hand wurde vom Fraunhofer IGD in Rostock eine Applikation für Multitouch-Geräte entwickelt, die Arbeitsbesprechungen und Einsatzplanungen unterstützt. Die Applikation integriert und visualisiert Daten wie Bau- und Ablaufpläne mit der jeweiligen Aufgabenplanung und ergänzt diese durch zusätzliche Medien wie Text, Bild oder Video. Die beteiligten Personen können so gemeinsam am Bildschirm die jeweiligen Aufgaben besprechen und verteilen. Im Prinzip bietet die Anwendung eine Plattform mit einem 3D-Editor für die Modellierung der Produktionsumgebung, sowie ein Webbrowser-Modul, welches über Billboards im virtuellen Raum mit den einzelnen Maschinen, Stationen und Komponenten der Produktionsanlage verknüpft sind. Am Geschäftsfeld Virtuelle Produktentstehung (VPE) des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) wurde eine integrierte Softwareanwendung für die Darstellung komplexer Informationen und die Unterstützung von Design Reviews entwickelt. Um eine effizientere Analyse und intuitivere Interaktion mit Produktstrukturen zu ermöglichen, wurden Visualisierungsmethoden aus dem Bereich der Visual Analytics angewandt. Die Produktstruktur wird mittels eines Voronoi-Treemap-Layouts visualisiert, welches den zur Verfügung stehenden Visualisierungsbereich effizient, ohne die Bildung von Löchern oder Überlagerungen, unterteilt.

Diese Anwendung, wie in der Abbildung auf dieser Seite zu sehen, wurde in eine Browseranwendung übertragen, damit sie als Bestandteil des Leitstands in Plant@Hand integriert werden kann. Zusätzlich wurde eine Browseranwendung mit den Funktionalitäten eines MES-Systems implementiert, um einen vollständigen Überblick von den Parametern des Produktionsprozesses zu erhalten. In der Abbildung auf der linken Seite ist die Struktur der Plant@Hand-Plattform mit den bereits integrierten Webservices für die MES-Funktionalitäten dargestellt. Die Beteiligten an der Produktentstehung brauchen jederzeit schnellen und einfachen Zugriff auf alle relevanten Informationen. Dabei werden die Informationen aus den unterschiedlichen Systemen in eine Leitstand-Applikation integriert, die durch Erweiterungsmodule eine Reihe von Anwendungsfällen sowohl für Einzelarbeitsplätze als auch für kooperatives Arbeiten ermöglicht:

  • Bereitstellung der Informationen der Fertigung für die Produktentwicklung; Nutzung von Fertigungs-Kennzahlen vergangener Fertigungsabläufe einzelner Baugruppen und Bauteile; integrierte Visualisierung der Fertigungsanlage in der Produktstruktur
  • Planung und virtuelle Begehung einer neuen Fertigung am 3D-Modell: Nutzung aller digitalen Planungsunterlagen der Fertigungsanlage und des zu produzierenden Produkts; Visualisierung von Produktmodell und Fertigungsanlage
  • Überwachung und Steuerung einer Produktionsanlage im 3D-Modell der Fertigungsanlage: Visualisierung von Echtzeitdaten (zum Beispiel Kennzahlen und Betriebsdaten)
  • Bereitstellung der Informationen der Produktentwicklung für die Fertigung; Austausch von Bauteilen in der Fertigung aufgrund von nicht vorhandenen Material-Ressourcen; Zugriff des Monteurs auf die Produktstruktur des zu fertigenden Produktes; Überprüfung der Auswirkung des Austausches auf Produktfunktionen und Fertigung



Oben sieht man ein Beispiel dafür, wie Informationen aus der Fertigung der Produktentwicklung zur Verfügung gestellt werden können. Unten fließen die Daten genau umgekehrt. Bild: Fraunhofer-Institut IPK

Mentale Modelle

Auf Basis der Anforderungen aus den Anwendungsfällen werden die verschiedenen mentalen Modelle der beteiligten Akteure aufgebaut und deren Verbindung untereinander definiert. Verallgemeinernd wird untersucht, welche Eigenschaften der mentalen Modelle für eine Visualisierung notwendig sind und wie diese für weitere Visualisierungsmodule verwendet werden. Parallel dazu erfolgt die Erstellung des technischen Konzeptes auf Basis vorhandener Lösungen der beiden Institute. Hierbei werden sowohl die verwendete Hardware (Multitouch-Tische, Multitouch-Bildschirme, Powerwalls, mobile Endgeräte et cetera) als auch die verwendete Software (Entwicklungsumgebungen, Bibliotheken zur Gestenerkennung und Visualisierung et cetera) berücksichtigt. Die mentalen Modelle und das technische Konzept bilden die Grundlage für die Umsetzung einer konkreten Leitstand-Applikation. Als wesentliche Merkmale sind zu nennen:

  • die dreidimensionale Darstellung der Produktionsanlage und der Positionierung von relevanten Parametern
  • die detaillierte Darstellung der Produktionsdaten im browserbasierten MES
  • die Darstellung der Produktstruktur und Zugriff auf Informationen im PDM-System

Anlage existiert

Die im 3D-Modell verwendete Produktionsanlage existiert als realer Aufbau im Fraunhofer IPK und wird als Industrie 4.0-Demonstrator verwendet. Für den Aufbau wurden umfangreiche Modellierungen der Anlage vorgenommen, so dass diese für den Leitstand weiterverwendet werden konnten. Mit den Komponenten der Anlage wurden Billboards visuell verknüpft, um zunächst einen schnellen Überblick über wichtige KPI zu geben. Durch die Auswahl des Billboards wird der Webservice mit der MES-Ansicht geöffnet. Hier sind detaillierte Verläufe der KPI, Belegungspläne, Auftragshistorie, sowie Datei-basierte Dokumente in einem Online-Speicher abrufbar. Zusätzlich kann über einem weiteren Tab auf die Voronoi-Darstellung der Produktstruktur und somit auf das PDM-System zugegriffen werden. Darüber kann das gerade gefertigte Bauteil, oder weitere benötigte Bauteile aufgerufen werden und detaillierte Informationen, sowie eine 3D-Darstellung von diesem erhalten werden. In dem Detailfenster können Informationen aus der Produktentwicklung, wie beispielsweise Anforderungen oder Varianten dargestellt werden. Ebenso ist es möglich, über den Index des Bauteils Informationen aus der Produktionssteuerung zu verknüpfen und so den Fortschritt und den Ort eines Bauteils zu ermitteln. Das einheitliche Visualisierungskonzept auf Basis unterschiedlicher mentaler Modelle und die visuelle Integration von Daten aus den verschiedenen Bereichen unterstützt die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren der verschiedenen Arbeitsbereiche. Die Applikation bietet eine einheitliche Oberfläche für das Abfragen von Informationen aus den Systemen der Produktentwicklung und Produktionsplanung/-steuerung, für die Überwachung von Daten und das Anstoßen von Workflows. Insbesondere durch die Zunahme an Informationen und die Anforderungen an die Flexibilität von Arbeitsprozessen kann durch eine integrierte und mobil verfügbare Darstellung eine bessere Informationsversorgung erreicht werden. Die Lösung zielt auf kleine und mittlere Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus sowie Zulieferer von Automobilherstellern und Luftfahrt. Viele dieser Unternehmen stehen im weltweiten Wettbewerb und müssen auf eine effiziente kundenindividuelle Produktion umstellen. Leitstände helfen diesen Unternehmen mit ihren Informationen aus den verschiedenen IT-Systemen effizienter umzugehen.

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