Smart Factory Elektronik 4.0 für die gesamte Fertigung

Autor / Redakteur: Dr. Friedrich W. Nolting * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Wie können manuelle Tätigkeiten und die Produktionsmitarbeiter in das Industrie 4.0-Konzept moderner (teil)automatisierter Fertigungen eingebunden werden?

Firmen zum Thema

Bild 1: Das Aegis Manufacturing Operationg System liefert alle wichtigen Informationen auf einen Blick
Bild 1: Das Aegis Manufacturing Operationg System liefert alle wichtigen Informationen auf einen Blick
(Bild: Aegis)

Wettbewerbsfähige moderne Fertigungen sind durchdrungen von industriellen Rechnerarchitekturen, mit Integration der automatischen Fertigungszellen. Auf diese Industriebereiche erstrecken sich derzeit die meisten Veröffentlichungen und Forschungen zum Thema Industrie 4.0.

Daneben existiert aber auch in Hochlohnländern weiterhin ein nicht unerheblicher Anteil von teilautomatisierten Fertigungs- und Produktionsbereichen. Hier stellt sich nun die Frage: Wie können manuelle Tätigkeiten und die Produktionsmitarbeiter in das Industrie 4.0-Konzept eingebunden werden?

Bildergalerie

Eine besondere Bedeutung erhalten die manuellen Prozesse, wenn sie in automatisierten Gesamtanlagen eingebunden sind. Das gesamte Konzept Industrie 4.0 würde scheitern, wenn nicht auch die manuellen Prozesse integrierbar sind. Es ist davon auszugehen, dass insbesondere bei hoch flexiblen und variantenreichen Fertigungen die manuellen Tätigkeiten fester Bestandteil auch der modernsten Produktionsbetriebe zukünftig bleiben werden.

"Wenn es nicht sichtbar ist, kann es nicht gemessen werden und wenn es nicht gemessen werden kann, kann es nicht verbessert werden." Dies ist die Grundphilosophie vieler erfolgreicher Hersteller auf der ganzen Welt. "Manufacturing Excellence" kann nur durch Transparenz der Fertigungsprozesse entstehen. Moderne Fertigungsbetriebe haben einfachen und sofortigen Einblick in Produkt-, Prozess-, Qualitäts-, Test- und Materialinformationen des gesamten Fertigungsprozesses.

Fertigungsdaten: eindeutig, präzise und zeitnah verfügbar

Qualitäts- und Performance-Daten stehen bei jedem erfolgreichen Fertigungsprozess im Mittelpunkt, daher ist es wichtig, dass alle Systeme und Vorgänge in der Fertigung die dazu notwendigen Informationen auf eine sinnvolle Art und Weise messen, sammeln und aufbereiten.

Alle Daten müssen miteinander verbunden werden: vom eingehenden Material über Material-Management, Produktion, Test, Qualitätskontrolle, Verpackung und den Weg bis zum Versand und sogar bis hin zu After-Market-Dienstleistungen. Die Debatte über Transparenz beschränkt sich oft auf die Prozesse innerhalb der Fabrikmauern, aber der größte Nutzen wird mit einem ganzheitlichen Ansatz zur Transparenz der gesamten Wertschöpfungskette erreicht.

Die grundlegenden Anforderungen sind also das Sammeln und Speichern von Daten, die jedoch weitgehend wertlos sind, wenn sie weder Verbesserung noch Korrekturmaßnahmen oder Manufacturing Excellence
ermöglichen. Der erklärende Nutzen entsteht nur, wenn die Daten korrekt analysiert und den richtigen Personen in geeigneter Weise und zum richtigen Zeitpunkt angezeigt
werden.

Qualitäts- und Performance-Daten können nur optimal genutzt werden, wenn man sie so darstellen kann, dass eine Analyse und Interpretation für den Anwender in der Fertigung möglich ist. Dies bedeutet nicht, alle Daten mit einer großen Anzahl von Leistungsindikatoren oder Messwerten an nur eine Person zu liefern. Für den Bediener an der Fertigungslinie sollten die Daten kompakt sein und lediglich Elemente wie Maschinenleistung, Betriebszeit oder Materialmangel beinhalten.

Ein Qualitätsingenieur benötigt Informationen über die Leistung eines bestimmten Produkts im Test, um mögliche Gründe für Fehler zu analysieren. Der Produktionsplaner hingegen braucht Einsicht in ganz andere Daten, um besser planen zu können und Was-wäre-wenn-Szenarien bei geänderten Losgrößen oder bei Störungen in der Lieferkette zu erstellen. Über die gesamte Organisation hinweg – von der Fertigung bis zur Unternehmensleitung – besteht Bedarf an aktuellen und präzisen Daten.

Nachdem der Wert der transparenten Fertigung festgestellt wurde, stellt sich die Frage was nötig ist, um Daten transparent und für das Unternehmen nützlich zu machen.

Wie wird die Fertigung transparent?

Die Arten von Informationen die erforderlich sind, um eine Fertigung transparent zu machen, hängen direkt mit den Aktivitäten und Funktionen von den Anlagen und Personen zusammen, die diese Informationen in ihrem Arbeitsprozess benötigen. Es werden entweder Echtzeit- oder historische Daten benötigt. Diese sollten den Usern z.B. als Dashboards, Analysen, Berichte oder mobile Anwendungen für den Zugriff von unterwegs zur Verfügung gestellt werden.

Neben der Tatsache, dass Mitarbeiter mobil sind, muss ein globales Dateninformationssystem berücksichtigen, dass Produktionen über eine einzelne Fertigung oder einen einzigen Standort hinausgehen. Mit Unternehmen und Lieferketten, die zunehmend global agieren, müssen Reporting-Tools die Möglichkeit bieten, dass Gruppen von Mitarbeitern auf große Datenmengen über mehrere Anlagen in verschiedenen geografischen Regionen Zugriff haben.

Kollaborative Datenerhebung kann in einem Team-Meeting äußerst wertvoll sein, um die Ursache eines bisher nicht vollständig gelösten Problems zu erkennen. Statische Berichte oder Excel-Tabellen allein sind selten schlüssig. Ein tiefer Einblick in Echtzeit-Daten klärt hingegen Ursachen und führt zielgerichtet zu Lösungen. Transparenz, Rückverfolgbarkeit, Sichtbarkeit, Dynamik und die Fähigkeit, Daten so abzurufen und zu liefern, dass sie eine schnelle Antwort auf jede Frage ermöglichen – das unterscheidet in unserer heutigen Zeit erfolgreiche Unternehmen von ihren Wettbewerbern. Die selbst eingebundenen Mitarbeiter sind eher dazu bereit, mehr Eigeninitiative bei der Lösung von Herausforderungen im Unternehmen und für den Kunden zu zeigen.

Integration des Menschen in das automatisierte System

Maschinen für das Industrie 4.0-Konzept zu ertüchtigen ist eine Frage der Normierung, die durch ausreichend Anstrengung und Kooperationsbereitschaft gelöst werden kann. Wie aber soll der Mensch und seine Tätigkeit in das automatisierte System integriert werden? Auch für die Prozessmitarbeiter muss eine Lösung gefunden werden, um den Informationsaustausch zwischen den Produkten und Prozessschritten bei manuellen Tätigkeiten nicht zu unterbrechen.

Das Industrie 4.0-Konzept kann manuelle Produktionsprozesse integrieren, wenn die Tätigkeitsbeschreibungen und Arbeitsaufträge nutzerabhängig flexibel umgesetzt werden können. Im Idealfall meldet sich ein Mitarbeiter an seinem Arbeitsplatz an und sämtliche Interaktionen erfolgen zum einen zugeschnitten auf sein Kulturprofil und zum anderen auf sein Qualifikationsprofil.

Ein weiteres Merkmal des Industrie 4.0-Ansatzes besteht im dynamischen Prozessablauf (Bild 3). Werkstückträger oder Produkte durchlaufen aktiv den Produktionsbetrieb und steuern selbstoptimierend den nächsten Fertigungs- und Montageschritt an. Dabei fragen die Produkte aktiv bei den Maschinen an und lotsen sich dann selbständig zum nächsten freien Arbeitsplatz. Prozessfähigkeit und Maschinenrüstung werden hierbei berücksichtigt.

Überträgt man diese Anforderung auf die manuellen Prozessschritte so ergeben sich hier ähnliche Herausforderungen an die Mensch-Maschine-Kommunikation. Das Produkt erfragt einen geeigneten manuellen Tätigkeitsschritt. Nur geeignete Arbeitsplätze mit ausreichend qualifiziertem Personal kommen letztlich zur Auswahl. Anschließend gilt es den Mitarbeiter dynamisch über die anstehenden Tätigkeiten zu informieren. Dazu meldet sich das Produkt bei der Arbeitsstation an und aktiviert damit die notwendigen Arbeitstätigkeiten.

Der smarte Arbeitsplatz im Industrie-4.0-Umfeld

Bisher hat sich das Anwendungsbeispiel auf die Informationsbereitstellung von Produktions- und Qualitätsdaten fokussiert. Die Aegis-Lösung erfüllt sowohl mit der IT-Infrastruktur als auch mit dem Software-Konzept die Herausforderungen, die eine Industrie 4.0-Lösung an ein System für den intelligenten Arbeitsplatz der Zukunft stellt. Im Bereich der Maschinen-Kommunikation wird bereits ein internationaler Standard eingesetzt, um den Datenaustausch zwischen Maschinen und Anlagen zu standardisieren und damit zu vereinfachen. Wie wird nun der smarte Arbeitsplatz integriert? Hierfür ist zunächst eine arbeitsplatzunabhängige Prozessbeschreibung erforderlich, die dynamisch auf Ablaufänderungen reagieren kann.

Meldet sich ein Werkstück an einem Arbeitsplatz an, wird durch das Aegis-System geprüft, ob der Arbeitsplatz zulässig ist und wenn ja, welche Tätigkeiten noch ausgeführt werden müssen oder welche Prüfschritte ggf. noch fehlen. Das zugrundeliegende Workflow-Konzept bleibt dabei so wenig stringent wie möglich, um einen möglichst freizügigen Ablauf durch die Produktion zu ermöglichen. Damit muss allerdings auch der Arbeitsplan ständig aktualisiert werden und folgt keiner festen Vorgabe aus dem ERP.

Gesteuert wird das System über zentrale Serverinstanzen, die auf der Basis moderner Skalierungsmethoden auch mit großen Datenmengen umgehen können. Dieses Datenmodell und sämtliche Arbeits- und Prüfgänge werden immer direkt mit dem technischen CAD-Modell des Produktes verknüpft. Daneben gibt es zu dem Produkt das Prozessmodell, welches die Prozess- und Prüfparameter enthält. Erst durch die intelligente Zusammenführung von beiden Informationen ergibt sich ein vollständiges und nutzbares Abbild des Produktfortschritts sowie der Produktqualität (Bild 4). So werden den Produktionsmitarbeitern und dem Management immer die erforderlichen Daten zur Verfügung gestellt, wo sie und wann sie gerade benötigt werden.

Die Arbeitsplätze selbst werden mit Touchscreens ausgestattet, an denen sich jeder Mitarbeiter anmeldet. Anschließend erscheinen alle verfügbaren Arbeitsaufträge am Bildschirm. Welchen Arbeitsgang der Mitarbeiter ausführen muss, entscheidet das Produkt, das an seinen Arbeitsplatz gelangt. Auf dem Bildschirm werden sofort alle wichtigen Änderungsmitteilungen und Engineering-Anweisungen aufgeblendet, die bearbeitet, beachtet und rückgemeldet werden müssen. Hiermit wird sichergestellt, dass die in der Zeit zwischen Auftragsbeginn und Bearbeitung anfallenden Änderungen dynamisch im laufenden Arbeitsprozess Eingang finden. Eine herkömmliche Fertigungs- und Arbeitsplanung würde hier komplett scheitern.

Überwacht werden auch sämtliche Materialien mit ihren Eigenschaften, die in den Produktionsablauf einfließen. Im Hintergrund der Materialkontrolle werden die Approved Manufacturer Lists (AML) herangezogen, um den aktuellen Freigabe- und Qualitätsstatus jedes Bauteils zu prüfen. Veränderte Materialeigenschaften und / oder Prozesseigenschaften werden sofort erkannt und es kann direkt darauf reagiert werden.

Produktionsverbesserung am smarten Arbeitsplatz

Das Aegis Manufacturing Operating System leistete Verbesserungen für die Produktivität und Qualität durch seine einzigartige Kombination aus dynamischen Datenmodell und papierloser Dokumentation für die smarten Arbeitsplätze auch im Industrie 4.0-Umfeld. Zusätzlich kann das integrierte Qualitätsdatenerfassungssystem das Fehlermanagement radikal verbessern. Das System wird durch Aegis laufend verbessert und erweitert. Derzeit laufen Projekte mit einer integrierten Logistikanbindung, um auch den Materialfluss für das Industrie 4.0-Konzept zu ertüchtigen.

Dieser Beitrag erschien zunächst auf unserem Partnerportal ELEKTRONIKPRAXIS

* Dr. Friedrich W. Nolting ist geschäftsführender Gesellschafter von Aegis Software in Erlangen.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:44255488)