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15.04.2019

Road to digital production

Digitale „Enabler“ ermöglichen Effizienz und Wachstum in der Produktion

Abbildung 1: Roboter-Ballett im Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K. des Fraunhofer IIS in Nürnberg. ©Kinexon Industries GmbH/Julian Graf

Abbildung 2: Simulationsumgebung zur Validierung der Fertigungsprozesse. © Siemens AG / Timothy Kamleiter

Die Zukunft und Digitalisierung der Produktion erfordert neue Wege, um digitale Technologien und Methoden wertschöpfend einzusetzen. Das Gemeinschaftsprojekt R2D („Road to Digital Production“) brachte die Entwicklung eines Cyber-Physischen Produktionssystems (CPPS) unter Lean-Gesichtspunkten für die Massenproduktion bei Losgröße 1 mit Schwerpunkt auf einer zellenbasierten Fertigung hervor und setzt damit neue Maßstäbe für die Industrie 4.0.

Seit September 2016 arbeitet ein interdisziplinäres Expertenteam daran, die Prozesslandschaft der industriellen Massenproduktion digital abzubilden und bis auf die Werkstattebene zu integrieren. Das Förderprojekt im Rahmen der Initiative Bayern Digital des Bayerischen Wirtschaftsministeriums haben Fraunhofer IIS, Siemens, KINEXON Industries und Simplifier AG vorangetrieben. Digitale Transformation zum Anfassen – die Anwender konnten konkret erleben, wie die Herstellung komplexer Produkte revolutioniert wird.

Das Projekt

Durch ein intelligentes Produkt, in Form eines Smart Production Tag (SPT), mit Kommunikations- und Ortungsfunktionalität sollen die zu fertigenden Artikel durch den gesamten Produktionsprozess begleitet werden. Die mitgeführten Standort- und Kontextdaten befähigen den am Motorgehäuse angebrachten SPT eigenständig Prozessschritte zu erfassen, zu protokollieren und zu steuern. Dies ermöglicht es, heute starr verkettete Prozessschritte der Montage in modulare Fertigungszellen mit parallel ablaufenden Fertigungsaufträgen aufzulösen.

Zum Einsatz kommt das CPPS, welches sich durch die Mensch-Maschine-Interaktion in Echtzeit, unter Verwendung von Sensoren und Smart Devices, hervorhebt. Das CPPS organisiert sich selbst, setzt sich aus einer zentralen und einer dezentralen Entscheidungsebene zusammen und ist modular erweiterbar. Zentral wird mittels einer Simulation die bestmögliche Auftragsreihenfolge unter Berücksichtigung des aktuellen Fertigungs- und Auftragsstatus ermittelt. Die Aufträge werden unter dieser Vorgabe in der Fertigung freigegeben. Ab diesem Zeitpunkt übernimmt die dezentrale Entscheidungsinstanz in Form des SPT die Auftragssteuerung im Produktionsfluss. Hierfür wird der produktneutrale SPT zunächst mit allen relevanten Informationen, wie beispielsweise Stücklisten und Arbeitsplänen gemäß der vorgegebenen Reihenfolge, initialisiert und am Produkt angebracht.

Jegliche Kommunikation zwischen den beteiligten Systemen findet mittels MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) auf einem zentralen Broker statt. Das ermöglicht es, dass die erzeugten Informationen allen Beteiligten gleichzeitig zur Verfügung stehen. Das Echtzeitortungssystem schafft ein digitales Abbild der Fabrik, indem alle Objekte digital erfasst und in Statusinformationen überführt werden. Diese Informationen werden mittels MQTT dem STP sowie dem Line-Monitoring zur Verfügung gestellt und dienen als Grundlage für die dezentrale Entscheidungsfindung auf dem SPT.

Der Transport der Produkte sowie deren Anbauteile erfolgt anhand frei navigierender FTF (Fahrerlose Transportfahrzeuge), die gemäß der Entscheidungen des SPT vom Leitsystem gesteuert werden. Somit wird ein dynamischer und an die Situation der modularen Produktion angepasster Materialfluss realisiert.

Die Projektpartner

Die Siemens AG entwickelte im Projekt ein in die Praxis überführbares CPPS für die Fertigung kundenspezifischer Aufträge. Die Siemens AG produziert in ihren Large Drives Motoren- und Umrichterwerken Produkte mit einer Losgröße 1. Die wirtschaftliche Beherrschung der Massenfertigung in diesem wettbewerblichen Umfeld bei Einhaltung höchster Qualitätsmaßstäbe und Liefertreue steht dabei im Vordergrund. Dieses Industrie 4.0 Anwendungsszenario lag dem Vorhaben zugrunde. Eine effiziente und modulare, zellenbasierte Fertigung in einem CPPS wird durch die Integration und Vernetzung neuer digitaler Technologien und Automatisierung praxisnah erprobt.

Das Fraunhofer IIS verantwortete die Definition und Realisierung des Smart Production Tags. Ebenso arbeitete Fraunhofer IIS am Konzept der technischen Gesamtlösung mit und erstellte Softwarekomponenten zur Statuserfassung, Regelung und Interaktion mit der Produktionsumgebung. Die Fraunhofer SCS wiederum steuert die Prozessaufnahme- und Bewertungsmethodik bei und entwickelt die Softwarekomponenten zur Initialisierung des Smart Production Tags am Beginn der Fertigung.

KINEXON brachte seine Echtzeitlösung zur präzisen Lokalisierung von Objekten sowie Expertise in der Datenanalyse in das Forschungsprojekt ein. Das KINEXON Echtzeit-Ortungssystem auf Basis von UWB (Ultrabreitband-Funktechnologie) samt der Softwareplattform KINEXON RIoT (Real-Time Internet of Things) stellen das Rückgrat für den Informationsfluss und die Automatisierung im cyberphysischen Produktionssystem bei R2D dar. Das KINEXON Brain ist der Schlüsselfaktor für die freie Navigation der FTF im Projekt. Das KINEXON Brain ermöglicht den Betrieb einer herstellerübergreifenden Fahrzeugflotte, die durch ein gemeinsames Leitsystem koordiniert wird. Durch die Fusion der unterschiedlichen Senorikdaten (Laser, Kamera, Odometrie und UWB-Ortung) kann eine robuste und autonome Navigation auch in schwieriger und sich verändernder Umgebung gewährleistet werden.

Die Simplifier AG hat durch den Einsatz der „Low-Code-Plattform“ eine Vielzahl integrierter Anwendungen realisierbar gemacht. Eine der Applikationen integriert Daten aus der IoT-Plattform Siemens Mindsphere, um Zustandsmeldungen zu erfassen und so in den Gesamtprozess zu integrieren, dass Störungen im Ablauf sofort erkannt und gemeldet werden können. Eine Augmented Reality Applikation sorgt durch die virtuelle Darstellung eines digitalen Zwillings in die Live Umgebung dafür, dass Verkabelung und Montage von Bauteilen am Elektromotor fehlerfrei vollzogen werden kann. Eine bereits produktiv eingesetzte Störungsmanagement Applikation hilft, bei der Qualitätsprüfung auftretende Störfälle effizient abzuwickeln und die Daten im integrierten SAP System zur Auswertung bereitzustellen.

Ausblick des Projektes

Ziel des Forschungsprojektes war es, Technologien, Schnittstellen und Infrastrukturen als grundlegende Voraussetzung für die Realisierung einer digitalen Produktion zu schaffen. Der real-nachempfundene Montageablauf zeigt, dass die Digitalisierung von mehreren parallelen Aufträgen einer Motorenmontage es ermöglicht, die Produktivität zu steigern und die Termintreue der Lieferung zu verbessern. Mit Hilfe des daraus resultierenden CPPS bietet dies eine Vielzahl innovativer und wertschöpfender Analyse- und Automatisierungsansätze, die den Kunden helfen, permanent die Prozesse zu optimieren. Siemens prüft inzwischen, das CPPS für eine Montagelinie von Elektromotoren mit der Losgröse 1 in der Produktivumgebung zu pilotieren. Derzeit wird noch evaluiert, wo der beste Einsatzort zum Rollout des Systems ist.

 

Autoren

Yannick Stadtelmeyer und Sabrina Gröschel in Zusammenarbeit mit Fraunhofer IIS, Siemens AG und Simplifier AG

 

 


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