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Funkbasierte Ortung im Produktionsumfeld

Standortbestimmung in Echtzeit

Funkbasierte Ortung im Produktionsumfeld

Verteilte Wertschöpfungsketten und steigende Anforderungen an die Produktionseffizienz stellen IT-Systeme auf dem Shop Floor vor neue Herausforderungen. Speziell die Integration neuer Datenquellen wird derzeit intensiv diskutiert. Die Automobilindustrie nutzt im Rahmen des IT-gestützten Produktionsmanagement seit einiger Zeit Echtzeit-Ortungsdaten im Ultrabreitbandbereich, um Fertigungsprozesse weiter zu verbessern.

Im Produktionsumfeld können vielfältige Ortungsdaten anfallen, die von der Zuordnung einer Materialbewegung über eine Bearbeitungsstation bis zu komplexen Detailinformationen etwa zu Rüstvorgang oder Materialbearbeitung reichen. Der Rückgriff auf Echtzeitdaten verspricht dabei den Vorteil, dass der Weg von Komponenten durch den Fertigungsprozess anhand ihres tatsächlichen Aufenthaltsortes im Manufacturing-System überwacht und gesteuert werden kann. Bilder: Ubisense AG

IT-Systeme können nur dann optimal arbeiten, wenn sie jederzeit korrekte und durchgängige Informationen aus dem realen Fertigungsgeschehen erhalten. Das gilt insbesondere für die echtzeitbasierte Produktionsplanung und -steuerung in Manufacturing Execution-Systemen (MES). Dieses Funktionsspektrum unterstützt klassischerweise die Erfassung, Aufbereitung und Einbindung von Betriebs-, Maschinen-, Personal-, Prozess- und Produktdaten. Neuerdings werden in Fertigung und Montage auch Echtzeit-Ortungsdaten genutzt, um den Überblick zu laufenden Prozessen zu erhöhen und zusätzliche Optionen für eine automatisierte Steuerung zu gewinnen. Vorreiter in diesem Bereich ist die Automobilindustrie, doch auch andere Segmente der Fertigung können von der Einbindung ‚räumlicher Intelligenz‘ in vorhandene Steuerungssysteme profitieren. Die Wahl und der Nutzen des Ortungssystems hängen allerdings stark von den konkreten Aufgabenstellungen ab.

Ortung und Identifikation im Rahmen von Fertigungsprozessen

Grundsätzlich können Ortungsdaten Auskunft darüber geben, wo sich bestimmte Objekte zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden beziehungsweise in der Rückverfolgung befunden haben. Diese Informationen können abhängig vom Ortungssystem unterschiedlich differenziert sein. Entsprechende Daten reichen von ganz einfachen punktuellen Zuordnungen, die etwa das Eintreffen eines Objekts an einer Bearbeitungsstation beschreiben, bis hin zu komplexen dynamischen Detailinformationen wie ‚Schraubwerkzeug X befindet sich im Kofferraum von Fahrzeug Y‘. Ortungsdaten können dementsprechend überall dort sinnvoll genutzt werden, wo einzelne Objekte – Waren, Rohstoffe, Halbfertigfabrikate, Endprodukte oder auch Betriebsmittel – einen definierten Prozess durchlaufen, an bestimmten Positionen bestimmte Arbeitsschritte ausgeführt und diese dokumentiert werden müssen. Die Integration von Ortungsdaten in vorhandene MES ist damit prinzipiell für die gesamt diskrete Fertigung von Interesse. Umso mehr, wenn größere Stückzahlen produziert werden, die sehr variabel und individuell sein können. Bei der Systemwahl stellt sich die Frage, ob und in welcher Form die räumliche Dimension für die Effizienz und Qualität der einzelnen Prozessschritte entscheidend ist. Handelt es sich um eine Fließfertigung mit einer Montagelinie, sind für die produktionsnahe IT auf den ersten Blick nur relativ begrenzte räumliche Informationen erforderlich, um den Prozess zu steuern: Das Produkt wird beim Einfahren in die Station identifiziert – ‚Objekt XY ist jetzt hier‘ – und mit seiner Produktionsnummer angemeldet. Die Geräte der Station holen die Verbau-Information nach der Stückliste beim MES ab und werden entsprechend eingestellt. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Endmontage, in welcher die fertig gemeldeten Daten von den Geräten der Station eingesammelt, mit Sollwerten verglichen und an die Produktionsmanagement-Software zurückgemeldet werden.

Werden an der Linie jedoch Werkzeuge einsetzt, deren Position am Produkt aus Qualitätsgründen kontrolliert werden muss, ist eine exakte dreidimensionale Ortung von Produkt und Werkzeug erforderlich. Vergleichbar komplexe Prozesse sind Fertigungsprozesse nach ‚Job-Shop‘ oder ‚Flow-Shop‘ in einem Maschinenpark, etwa die Produktion von Zahnrädern für Getriebe, die verschiedene Stationen jeweils an spezialisierten Maschinen durchlaufen. Auch hier sind entsprechend differenzierte Ortungsdaten erforderlich, denn der Prozessablauf ist je nach Produkt sehr individuell: Ein Produkt muss nicht alle Maschinen anlaufen, aber typischerweise eine Reihenfolge einhalten. Hier können durchgängige Echtzeit-Ortungsdaten sehr wirksam genutzt werden, um zuverlässige IT-gestützte Abläufe und konstante kurze Durchlaufzeiten im Sinne eines ‚One-Piece-Flow‘ zu gewährleisten, da der Durchlauf der Komponenten durch den Prozess anhand ihres tatsächlichen Aufenthaltsortes im MES automatisiert überwacht und gesteuert werden kann. Ähnliches gilt für Finishing- oder Nacharbeitsprozesse: Auch hier sind die Produkte frei beweglich und fahren in der Regel nach einem definierten Ablauf Stationen an, wobei es nötig sein kann, dass Prozessschritte wiederholt oder geändert werden. Die Herausforderung einer effektiven Steuerung des Gesamtprozesses und der Kapazitätsverwaltung der Anlage kann durch exakte Echtzeit-Ortungsdaten erheblich besser gemeistert werden als durch eine manuelle oder halbautomatisierte Erfassung – beispielweise, indem das Ortungssystem eine Änderung im Ablauf automatisch an das IT-System weitergibt.



Autor Dr. Andreas Schürzinger ist Senior Technical Consultant bei der Ubisense AG.

Technologien und Systeme kritisch prüfen

Die am Markt befindlichen technischen Ortungssysteme arbeiten mit Ultraschall, Funk- oder Infrarotwellen, die von stationären Empfängern erfasst und ausgewertet werden. Aus den Ergebnissen eines oder mehrerer Empfänger kann die Software des Systems den Aufenthaltsort errechnen, visuell darstellen und an andere Systeme übergeben. Die Qualität und der Nutzen der Ortungsdaten im Fertigungsprozess hängen damit zum einen von der verwendeten Ortungstechnologie ab, wobei es hinsichtlich der Genauigkeit, Reichweite, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit erhebliche Unterschiede gibt. Optische Systeme wie Barcode-Scanner oder Infrarotschranken sowie passive RFID-Systeme sind zwar sehr exakt, erfassen aber nur Objekte im absoluten Nahbereich. Sie dienen vor allem der Identifikation an einem bestimmten Punkt und erzeugen keine exakten Ortungsdaten. Aktive RFID-Systeme decken auch größere Flächen ab – allerdings mit deutlich geringerer Präzision. Eine Ortung ist in der Regel lediglich auf Raum- oder Bereichsebene möglich. Außerhalb des Erfassungsbereichs der Reader sind die Objekte unsichtbar. Für einfache, standardisierte Prozesse mit überschaubaren Stückzahlen und wenigen festen Stationen sind die Ortungsdaten solcher Systeme ausreichend. Erfordert die Steuerung des Prozesses aber sehr viele und exakte Positionsmeldungen, kann die Anpassung dieser Technologien hohen Aufwand verursachen – und damit werden die Lösungen tendenziell fehleranfällig: Der Anwender benötigt eine umfangreiche Infrastruktur oder muss auf Prozesse wie das häufige, händische Einscannen von Barcodes zurückgreifen. Systeme auf Basis von Ultrabreitband-Funk (UWB) liefern hingegen auch auf größeren Flächen dreidimensionale Echtzeit-Ortungsinformationen mit einer Genauigkeit von bis zu dreißig Zentimetern. Aktive Transponder mit einer eindeutigen Identifikationsnummer senden dazu Funk-Ortungssignale. Sensoren in der Halle erfassen die Signale jedes Tags und berechnen über spezifische Triangulationsverfahren seine Position als Koordinate. Die Daten werden ausgewertet und an die nachgeschalteten Systeme übergeben.

Funkdaten gezielt für die Prozesssteuerung aufbereiten

Das Produktionsmanagementsystem kann so Echtzeit-Informationen über den Aufenthaltsort aller im Prozess befindlichen Objekte erhalten. Da UWB-Systeme mit sehr kurzen Signalen und einer hohen Bandbreite arbeiten, können sie auch in Industrieumgebungen hohe Zuverlässigkeit erreichen. Auch die Verarbeitung der Daten auf der ‚Software-Seite‘ des Ortungssystem sollte der Nutzer vor der Systemwahl hinterfragen: Einfache Systeme können lediglich Daten sammeln und weitergeben, während komplexere Lösungen darüber hinaus die Möglichkeit bieten, dem Steuerungssystem etwa Verweilzeiten zu melden oder auf Basis von CAD-Layouts räumliche Zonen zu definieren, die Prozessschritten oder -regeln zugeordnet sind. Wichtig ist auch die standardisierte Anbindung an die Ethernet-Infrastruktur des MES mit TCP/IP-Telegrammen. In letzter Zeit setzt sich in diesem Kontext auch OPC-UA immer weiter durch, weil viele Hersteller gemeinsam zur Standardisierung beitragen und Schnittstellen auf dieser Basis implementieren. Auch spezielle Protokolle, wie zum Beispiel Open Protocol oder Integra, sollten unterstützt werden. Um die gewonnenen Informationen tatsächlich in Wert zu setzen sollte gewährleistet sein, dass das System ‚viele Sprachen spricht‘, und neben der eigentlichen MES-Anwendung auch mit SPS, Werkzeug-Controller, Anzeige-Systemen oder dem für Enterprise Resource Planning zuverlässig kommunizieren kann. Mit Blick auf die Entwicklungen in der industriellen Fertigung hin zu ‚Smart Factories‘ bieten Ortungsdaten vielfältige Möglichkeiten, auch komplexe individuelle Prozesse zuverlässig zu steuern und so MES-Prozesse leistungsfähiger auszulegen. Grundlage für die Auswahl sollte jedoch immer eine Analyse des gesamten Prozesses sein. Dabei gilt es auch, zukünftige Entwicklungsperspektiven etwa im Hinblick auf kabellose Werkzeuge oder die Dezentralisierung von Produktionsschritten einzubeziehen.