Case Study Fahrerloser Transport in der Zukunftsfabrik

Autor / Redakteur: Joachim Hackmann / Jürgen Schreier

Bei Grenzebach wird konsequent digitalisiert. Jetzt hat der Anlagenbauer aus Bayern zusammen mit Softwarepartner Reply ein fahrerloses Transportfahrzeug entwickelt, dass sich nahtlos in seine Vision von der vernetzten „Factory of the Future“ eingliedert.

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Das fahrerlose Transportfahrzeug L1200S nutzt wichtige Enabling-Technologien der Digitalisierung wie Sensorik, Big Data Analytics, Portale und Cloud Computing.
Das fahrerlose Transportfahrzeug L1200S nutzt wichtige Enabling-Technologien der Digitalisierung wie Sensorik, Big Data Analytics, Portale und Cloud Computing.
(Bild: Grenzebach)

Der Automatisierungsspezialist Grenzebach setzt auf neue Digitalisierungstechniken, um seine Vision von der „Factory of the Future“ zu realisieren. Das Unternehmen ist seit Jahrzehnten mit der Fertigung großer Anlagen – vor allem für die Glasherstellung nach dem Floatglas-Prinzip – zu einem globalen Mittelständler aufgestiegen. Grenzebach verfolgt dabei einen ganzheitlichen Ansatz, bei dem sich Digitalisierung und Automatisierung bis in die Lagerhaltung und den Transport von Gütern (auch schweren Gütern wie Glas) erstrecken.

In dieses Vorhaben fügt sich das im Rahmen dieser Case Study beschriebene fahrerlose Transportfahrzeug L1200S ein. Es nutzt wichtige Enabling-Technologien der Digitalisierung wie Sensorik, Big Data Analytics, Portale und Cloud Computing.

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Eine bedeutende Rolle spielt die tiefe Integration mit zentralen Management-Applikationen, zum Beispiel das CRM-System und die Flottensteuerung. Reply, IT-Partner von Grenzebach, hat dazu eine Lösung entwickelt, die eine transparente Einsatzplanung sowie eine vorausschauende Wartung einschließlich manueller oder automatisierter Serviceplanung möglich macht. In weiteren Ausbaustufen soll ein Grenzebach App Store für industrielle Anwendungen auf Basis der Reply Brick Industrie 4.0 Plattform entstehen. Damit gilt das Projekt als interessantes Anschauungsmaterial dafür, wie sich Industrie 4.0 in der Intralogistik realisieren lässt, und wie die langfristige Vision von „Factory of the Future“ kontinuierlich Gestalt annimmt.

Grenzebach - Anlagenbauer und Automatisierer unter einem Dach

Das Unternehmen Grenzebach ist am schnellsten mit einem Blick aus dem Fenster erklärt: Es ist gut möglich, dass die Fensterscheiben auf einer Maschine von Grenzebach gefertigt wurden. Bereits seit den 1970er Jahren produziert das Unternehmen komplexe Anlagen zur Floatglas-Produktion, in denen Rohstoffe wie Quarzsand, Soda und Kalk geschmolzen und auf ein flüssiges Bett von geschmolzenem Zinn geleitet werden. Dort breitet sich das flüssige Glas zu einem planparallelen endlosen Glasband aus, das langsam erkaltet und am Ende der Produktionsanlage klassifiziert, sortiert und geschnitten wird.

Seit der Einführung der ersten Anlage hat Grenzebach weltweit mehr als 300 dieser fabrikhallengroßen Floatglas-Linien in Betrieb genommen. Grenzebach ist weltweit aufgestellt und unterhält Fertigungsstätten in Deutschland, China und den USA.

Der Floatglas-Maschinenbau ist ein wichtiger, aber nicht der einzige Geschäftszweig für Grenzebach. Ausgehend von der Kernkompetenz rund um den Anlagenbau zur Herstellung flacher Güter wie Glas, Gipskartonplatten, Holzfurnier und Dämmstoff hat sich Grenzebach immer intensiver mit der Effizienz der angrenzenden Abläufe gewidmet. Dazu wurden innovative Automatisierungslösungen mit speziellen Kundenanforderungen installiert - beispielsweise für die optische Qualitätssicherung, die Lagerhaltung und den Transport besonderer Güter. Insgesamt hat das Unternehmen mehr als 3000 Anlagen in 55 Ländern installiert.

Dazu einige Beispiele: Die Kompetenz in Bereichen wie Schichtdickenmessung, Oberflächeninspektion und Fehlererkennung im Material bringt Grenzebach auch in Anlagen zur Wafer-Produktion ein. Die automatisierte Fügetechnik wird in der Automobilproduktion genutzt, um Karosserieteile robotergestützt zu montieren. Und das erworbene Prozess-Know-how befähigt Grenzebach, in Kooperation mit den Kunden komplexe Prozesstechnologien zu entwickeln.

Fahrerloser Transport sorgt für Effizienzschub im Warehouse

Vor einem vergleichbaren Hintergrund hat Grenzebach das autonome Transportsystem L1200S für die Intralogistik entwickelt. „Das fahrerlose Transportfahrzeug ist aus dem Bedarf unserer Kunden entstanden. Es ist eine logische Weiterentwicklung der Automatisierung in der Lagerhaltung und schafft einen neuen Effizienz-Level im Warehouse“, erläutert Christian Herfert, Director, Business Development, Research and Development bei der Grenzebach Maschinenbau GmbH. Es kann schwere Lasten bis zu 1,2 Tonnen heben und selbsttätig an ihren Bestimmungsort fahren. Das Fahrzeug hebt damit die Abläufe im Warehousing auf ein höheres Produktivitätsniveau. Aufgrund des wendigen Fahrverhaltens des autonomen Transportsystems L1200S verspricht Grenzebach Platzeinsparungen bei der Lagerhaltung von bis zu 30 Prozent.

Ein typisches Einsatzszenario findet sich etwa in der Kommissionierung, wo sich das traditionelle Grundprinzip mit Hilfe der Transportsysteme komplett umkehren lässt: Nicht der Kommissionierer geht wie früher zum Regal, um die Produkte einer Sendung zusammenzustellen, sondern das selbsttätig fahrende Fahrzeug bringt die Ware (bzw. das komplette Regal mit der Ware) zum Kommissionierer, der an einem festen Arbeitsplatz die Sendungen packt.

Von der Automatisierung zur Digitalisierung der Produktion

Als Mittelständler, der sich dem weltweiten Wettbewerb in der Automatisierungstechnik stellen muss, hat sich Grenzebach bereits sehr früh das Potenzial der Digitalisierung für die Fertigung zunutze gemacht. Automatisierungslösungen mit anlagenübergreifender Steuerung und eine Vernetzung der Produktionsstätten schaffen die Voraussetzung für die „Factory of the Future“.

In das zugrunde liegende ganzheitliche Digitalisierungskonzept fügt sich auch das fahrerlose Transportfahrzeug L1200S ein. Für die Realisierung bedient sich Grenzebach typischer Basistechnologien aus dem Bereich der Digitalisierung: Cloud Computing, Big Data Analytics, Portale, Mobility, Security und Sensorik und Antriebstechnik. Einige Komponenten – in der Regel zur Datengenerierung – sind dezentral in den Fahrzeugen verbaut. Zentrale Implementierungen dienen vor allem der Datenaufbereitung und -analyse sowie der Visualisierung.

Über Grenzebach

Die Grenzebach Maschinenbau GmbH wurde 1960 von Rudolf Grenzebach im bayerischen Hamlar gegründet. Anfangs baute das Unternehmen Transport- und Handling-Systeme für Molkereien. Seit 1974 produziert Grenzebach Floatglas-Anlagen. Das Geschäft wurde technologisch und geografisch stetig ausgebaut. Heute stellt Grenzebach komplexe und oft kundenindividuelle Fertigungs- und Automatisierungsanlagen her. Grenzebach beschäftigt weltweit mehr als 1500 Mitarbeiter an Fertigungsstandorten in Europa, den USA und Asien.

Sensorik, Cloud und Analytics als Wegbereiter

Die wichtigste Basistechnologie ist zunächst die Sensorik. Für die Orientierung in der Lagerumgebung sorgen zwei zertifizierte Laserscanner. Mit Hilfe der integrierten Personensicherheits-Sensorik kann das Transportsystem L1200S in allen innerbetrieblichen Umgebungen eingesetzt werden. Bei den Fahrten orientiert sich das Fahrzeug entweder an den am Boden aufgebrachten Markierungen oder mit Hilfe der sogenannten freien Konturnavigation. Letztere ist eine Technik, bei der die Fahrzeuge ihre Position bestimmen, indem sie Daten aus dem Laserscanner mit dem Grundriss beziehungsweise Umgebungskonturen der Lagerhalle abgleichen.

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Das Verfahren bedarf einer initialen Lernphase, in der das fahrerlose Gerät durch die Halle geführt wird und die Konturen einstudiert. Die lokal erfassten Daten werden in einem zweiten Schritt mit dem digitalen Grundriss der Halle abgeglichen, um im Betrieb eine zuverlässige Routenfindung und Positionsbestimmung zu gewährleisten.

Das Flotten-Management ist für den Betrieb der L1200S-Fahrzeuge die zentrale Applikation, denn es implementiert wichtige digitale Services. Es schafft Transparenz darüber, welche Fahrzeuge wo mit welchen Aufträgen unterwegs sind und informiert über Auslastung, Batteriestand sowie den Verschleiß sind. Auch die Auftragslisten lassen sich einsehen und automatisch oder manuell bearbeiten. Im Grunde laufen im Flotten-Management sämtliche Fäden zur Steuerung und zum Management der gesamten Warenflüsse im Warehouse zusammen.

Grenzebach setzt auf Microsoft Azure, bietet aber weitere Optionen

Die Portal-Anwendung wurde technisch auf dem Application Server von Grenzebach implementiert und läuft in der Cloud und „on Premise“. In der Cloud setzt Grenzebach auf Microsoft Azure. Optional stehen den Kunden auch Anbindungsmöglichkeiten an Siemens MindSphere oder die SAP Cloud Platform zur Verfügung.

Die Cloud stellt weitere wichtige Funktionen etwa für die Sicherheit und für Big Data Analytics bereit. Dabei ist stets gewährleistet, dass die Grenzebach-Kunden die Hoheit über ihre Daten behalten. „Wir nutzen die öffentliche Cloud Microsoft Azure als Basis. Da uns die Servicemöglichkeiten aber nicht ausreichen, haben wir darauf eine geschützte, sichere Cloud-Umgebung aufgesetzt, die spezielle Grenzebach-Anforderungen erfüllt. Damit können wir unseren Kunden die vertrauten Sicherheitsstandards bieten“, betont Herfert.

Die Integration in den Grenzebach Application Server ist ein weiteres wesentliches Element für eine ganzheitliche Implementierung der Factory of the Future. Der Application Server gewährleistet das nahtlose Zusammenspiel des Flotten-Managements mit anderen Applikationen von Grenzebach, etwa für das Energie-Management oder die Routenplanung, sowie mit der MES-Lösung (Manufacturing Execution System). Über Schnittstellen sind sämtliche Shop-Floor-Elemente wie etwa Robotics, Transportsysteme und mobile Fahrzeuge (z.B. das L1200S) in die "Factory of the Future" integrierbar.

Tiefe Integration in das Backend

Die tiefe Backend-Integration führt die Vision von innovativen Kundenservices rund um den optimierten Produktiveinsatz des L1200S fort. In Kooperation mit dem IT-Dienstleister Reply hat Grenzebach eine Lösung entwickelt, die den Rohdaten ihren Mehrwert entlockt. Dazu werden die von L1200S-Fahrzeugen in die Cloud gelieferten Zustandsdaten aufbereitet, strukturiert, analysiert und mit an¬deren Daten (etwa historischen Daten und Umgebungsinformationen) korreliert.

Ziel ist es zum einen, den Kunden ein permanentes und aktuelles Monitoring der Transportfahrzeuge anzubieten, die in den Lagerhallen unterwegs sind. Zum anderen schafft die Analyse der Daten Klarheit darüber, wann die nächste Wartung beziehungsweise Reparatur ansteht, bevor Defekte an wichtigen Verschleißteilen die Transportfahrzeuge stilllegen.

Zur Umsetzung verwendeten die Implementierungspartner Grenzebach und Reply wesentliche Kapazitäten von Microsofts Big Data Analytics Tool für „Power BI“. Reply steuerte eigene Standarderweiterungen für Power BI bei, sodass sich das Analytics-Projekt samt Grenzebach-spezifischer Anpassungen in wenigen Tagen umsetzen ließ.

CRM-Anbindung erforderte Integrationsarbeiten zur Datenübergabe an SAP

Eine weitere bedeutende Integrationsaufgabe betrifft die Anbindung an die CRM-Applikation von SAP. Sie ist wichtig, um die Einsatzplanung der Wartungsarbeiten zuverlässig durchzuführen. Die Umsetzung der Einsatzplanung sieht heute zwei Optionen vor: eine manuelle und eine automatische. Werden bestimmte Rahmenbedingungen erfüllt, die die Wartung eines L1200S erforderlich machen, lässt sich zum einen ein Signal in das CRM-System absetzen, so dass die Servicetechniker die Einsatzplanung händisch vornehmen können. Zum anderen kann eine bevorstehende Wartung automatisch in die Serviceplanung eintragen werden.

Für die CRM-Anbindung waren Integrationsarbeiten zur Datenübergabe an das SAP-System sowie Anpassungen am User Interface nach Grenzebach-Vorgaben erforderlich. Da Reply auch in diesem Bereich vorgefertigte und passende Lösungen bereitstellen konnte, ließ sich die Aufgabe innerhalb weniger Wochen abschließen.

Über Reply

Reply ist auf die Entwicklung und Einführung von Lösungen auf Basis neuer Kommunikationskanäle und digitaler Medien spezialisiert. Mit seinem Netzwerk aus hochspezialisierten Unternehmen unterstützt Reply die europäischen Branchenführer aus Telekommunikation und Medien, Industrie und Dienstleistung, Banken und Versicherungen sowie öffentliche Verwaltung effektiv bei Geschäftsmodellen, die auf den neuen Paradigmen, wie Big Data, Cloud-Computing, Digitalen Medien und dem Internet der Dinge basieren. Zu den von Reply angebotenen Services gehören: Beratung, Systemintegration und Digital Services. .

Der Kundennutzen: ein hybrides Wertschöpfungsmodell

Das Zusammenspiel der technischen Komponenten schafft die Voraussetzungen für eine vorausschauende Wartung des fahrerlosen Fuhrparks und damit weniger geplante und ungeplante Ausfallzeiten. Unter herkömmlichen Bedingungen werden die Fahrzeuge in festen Zyklen für Wartungsarbeiten aus dem Verkehr gezogen. Im neuen, digitalen Umfeld können Wartungsarbeiten je nach Verbrauch und Verschleiß zu fest definierten Zeiten eingeplant werden, ohne dass der produktive Betrieb beeinträchtigt wird.

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Dazu werden die zentral gespeicherten Informationen über zurückgelegte Wegstrecken und transportierte Gewichte mit Analyseverfahren ausgewertet. Nähert sich ein Fahrzeug dem kalkulierten Wartungszyklus, lässt sich seine Nutzung anpassen, um den Wartungstermin hinauszuzögern und mit anderen Fahrzeugen zu synchronisieren. Der Mitarbeiter am Flotten-Management-Portal kann zum Beispiel die maximal zulässige Last des Fahrzeugs reduzieren und damit den Verschleiß beeinflussen. Das Fahrzeug wird ab sofort nur noch mit solchen Transporten beauftragt, die die Gewichtsangabe unterschreiten. Das Prognosemodell für den nächsten Wartungszyklus wird permanent und selbsttätig angepasst.

„Wir schaffen für unsere Kunden ein hybrides Wertschöpfungsmodell aus einer Kombination von Mechatronik und digitaler Technik. Wir vernetzen unsere Anlagen und Automatisierungslösungen und erschließen diese vernetzte Welt mit modernen Anwenderschnittstellen wie Portalen und mobilen Apps“, resümiert Grenzebach-Manager Christian Herfert.

Migration des Application Server auf webbasierte Architektur

Die Ergebnisse des L1200S-Projekts zeigen im Kleinen, was Grenzebach mit der Vision der "Factory of the Future" im Großen anstrebt. Sensorik, Mobility, Cloud Computing und Analytics erweitern heute komplexe Anlagen und Transportsysteme von Grenzebach. Darauf aufsetzend lassen sich künftig weitere neue Services einrichten, etwa für Continuous Monitoring oder Predictive Maintenance. Grenzebach-Kunden bereiten diese Lösungen den Weg in die digitale Transformation ihrer Produktionsumgebungen.

Doch dazu muss sich auch Grenzebach ständig weiterentwickeln. Mit Hochdruck arbeitet das Unternehmen unter anderem in Kooperation mit dem IT-Partner Reply beispielsweise daran, den Application Server auf eine webbasierte Architektur zu migrieren und um neue Funktionen anzureichern. Dazu steuert Reply unter anderem seine Lösung „Brick Reply Industry-4.0-Plattform“ samt der enthaltenen MES-Funktionalität sowie das Lagerverwaltungssystem „Click Reply“ bei. Letztlich strebt Grenzebach eine integrierte, flexible und zukunftssichere digitale Produktionsumgebung an.

In den zentralen Funktionen der "Factory of the Future", vor allem im Flotten-Management, basieren sämtliche Weiterentwicklungen auf dem internen Know-how, das Grenzebach-Ingenieure im Rahmen umfangreicher Kundenprojekte erworben haben.

PAC zieht Fazit

Das Beispiel belegt anschaulich den Nutzen digitaler Technologien im industriellen Einsatz. Ganz wesentlich ist, dass der Kundennutzen zum Tragen kommt. Im Falle des fahrerlosen Transportfahrzeugs ist das der von Grenzebach versprochene flexible, geplante und punktgenaue Wartungs-Service. Kunden erzielen damit Effizienzgewinne in der Lagerhaltung und in der Produktion.

Grenzebach erreicht das in mehrfacher Hinsicht: Zum einen lassen sich unerwartete Ausfälle bei den Fahrzeugen minimieren, weil die Verarbeitung aktueller Nutzungsdaten durch automatisierte Analyse-Routinen ständig über den voranschreitenden Verschleiß empfindlicher Bauteile informiert. Zum anderen lassen sich anstehende Wartungstermine koordinieren und in produktionsfreie Zeitfenster verlegen, indem die Auslastung der Fahrzeuge und damit die Abnutzung beeinflusst wird. Last, but not least ist die vorausschauende Wartung der Transportfahrzeuge ein wichtiger Baustein bei der Optimierung der Lagerhaltung.

Das alles entfaltet erst richtig seine Wirkung dadurch, dass die Partner Grenzebach und Reply eine tiefe Integration in zentrale Management-Systeme etwa für die Flottensteuerung und die Serviceplanung umgesetzt haben. Die Kombination aus dezentraler Sensorik und Datenerzeugung mit zentralen Elementen wie Backend-Integration, Cloud-Option, Analytics-Funktionalität und Portaltechnik spielt dabei eine besondere Rolle. Mit ihr haben Grenzebach und Reply eine zukunftsfähige Umgebung geschaffen, in der weitere digitale Angebote und Services schnell und flexibel eingeführt werden können.

Über PAC

Pierre Audoin Consultants (PAC) wurde 1976 gegründet und gehört seit Juni 2014 zur CXP Group, einem unabhängigen europäischen Marktanalyse- und Beratungsunternehmen für die Software- und IT-Dienstleistungsindustrie sowie für Themen rund um die digitale Transformation. Die CXP Group bietet umfassende Support-Services in der Bewertung, Auswahl und Optimierung von Softwarelösungen sowie bei der Bewertung und Auswahl von IT-Dienstleistern und begleitet seine Kunden bei der Optimierung ihrer Sourcing- und Investitionsstrategien. Schließlich steht die CXP Group Software- und IT-Dienstleistungsanbietern mit quantitativen und qualitativen Analysen sowie strategischer und operativer Beratung bei der Optimierung ihres Go-to-Market-Ansatzes zur Seite.

Joachim Hackmann ist Principal Consultant bei PAC Germany and Mitglied des Digital & IoT Cluster der CXP Group.

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