Cluster Mechatronik & Automation

News

15.10.2014

Fachbericht

Die richtige Strategie für den smarten Arbeitsplatz in der automatisierten Fertigung

Dr. Friedrich W. Nolting
Aegis Software

Die steigenden Produktionskosten haben bereits seit der „Roboterrevolution“ Ende der 70er Jahre  die Produktionsstandorte in den meisten Hochlohnländern zu hochautomatisierten und spezialisierten Fertigungen gewandelt.

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? Hierauf soll der folgende Artikel einige Antworten und Beispiele liefern.

Bedeutung von Industrie 4.0 für die teilautomatisierte Produktion

Kommunizieren Maschinen untereinander, so bestehen die Herausforderungen darin, Informationen über geeignete Schnittstellen, mit neuester Technologie und standardisierten Protokollen auszutauschen. Maschinen folgen dabei entsprechend ihres Funktionsumfanges vorgefertigten Mustern bei der Ausführung von Prozessen und Arbeitsschritten. Das Industrie 4.0-Konzept verlagert nun zusätzliche Entscheidungskompetenzen in die Prozessabläufe, so dass sich mehr oder weniger selbst optimierende Produktionsabläufe entstehen.

Worin bestehen nun die Schwierigkeiten in teilautomatisierten Produktionen? Hier gilt es, Mitarbeiter in das neue Industrie 4.0-Konzept erfolgreich zu integrieren. Manuelle Prozessschritte sollen bewusst miteinbezogen werden und sollen sich als Bestandteil einer Gesamtlösung verstehen. 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. Eine Diskussion über Hintergrund und Notwendigkeit der manuellen Prozesse in automatischen Anlagen soll an dieser Stelle nicht geführt werden. Es ist vielmehr davon auszugehen, dass insbesondere bei hoch flexiblen und variantenreichen Fertigungen die manuellen Tätigkeiten fester Bestandteil auch der allermodernsten Produktionsbetriebe bleiben werden.

Herausforderungen und Lösungen

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. Der Mitarbeiter sollte also in das Kommunikationsnetzwerk einbezogen werden. Starre und unflexible papiergebundene Arbeitsanweisungen und feste Arbeitspläne sind im Zeitalter von Industrie 4.0 nicht mehr zeitgemäß und entsprechen auch nicht den Anforderungen an die neue Kommunikationstechnologie. Nur kann man den Menschen nicht normieren und keinesfalls über gleichartige „Schnittstellen“ mit dem System verbinden. Schon die Betrachtung der unterschiedlichen kulturellen Aspekte bei der Mensch-Maschine-Kommunikation im internationalen Umfeld zeigt den Umfang der Herausforderung:

  • Sprachvielfalt
    • Zeichensätze, Wortlängen, Leserichtung
  • Zahlen und Werte
    • Interpunktion, Datumsformate, geläufige physikalische Größen
  • Farben und Formen
    • Warnfarben, Symbole, Ästhetik


Wie können die in der Produktion tätigen Mitarbeiter dennoch in ein Industrie 4.0-Konzept integriert werden? Der Ansatz zur Lösung dieser Herausforderung besteht in der einfachen Berücksichtigung der Verschiedenartigkeit der menschlichen Informationsverarbeitung. Das Industrie 4.0-Konzept kann manuelle Produktionsprozesse integrieren, wenn die Tätigkeitsbeschreibungen und Arbeitsaufträge nutzerabhängig flexibel umgesetzt werden können. Den kulturellen und sprachlichen Unterschieden aus obiger Tabelle folgend benötigt ein Mitarbeiter in den USA andere Informationen und Kommunikationsmöglichkeiten als ein Mitarbeiter in Japan. 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 Praxisbeispiel wird hierzu einen möglichen Lösungsansatz im nächsten Kapitel beschreiben.

 

Ein weiteres Merkmal des Industrie 4.0-Ansatzes besteht im dynamischen Prozessablauf. 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 ebenso berücksichtigt wie Freigaben und  Maschinenleistung. 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. Das Mensch-Maschine Interface zeigt dem Mitarbeiter an, welche Aufgaben er durchzuführen hat und berücksichtigt dabei gegebenenfalls erforderliche Qualifikationen des Mitarbeiters.

Anwendungsbeispiel


In einer Case-Studie hat das US-amerikanische Unternehmen Enercon kürzlich seine Erfahrungen mit der Industrie 4.0-Lösung für die teilautomatisierte Fertigung veröffentlicht. Dabei wurde aufgezeigt, wie die Produktionsmitarbeiter und das Management unterstützt werden und welchen Einfluss die Lösung auf Produktqualität und -kosten hatte. Basis für die vorgestellte Studie ist ein Medizintechnikprodukt für Notfall-Augenmessungen.

Die Lösung wird auch für die teilautomatisierten Tests bei der Produktmontage verwendet. Diese neue, komplett Datenmodell basierte und papierlose Lösung hat gegenüber der bisherigen Lösung, die vollständig ersetzt wurde, erhebliche Vorteile. Mit der Ablösung der bisherigen Lösung durch das neue Aegis-System wurden bereits erhebliche Kosten eingespart, da alle Unterlagen aus einem zentralen Dokumentationszentrum im Herzen der Fertigung verwaltet werden, und hier das effektivste Knowhow für die qualitätsrelevante Arbeits- und Testplanung besteht.

Der smarte Arbeitsplatz im Industrie 4.0-Umfeld


Bisher hat sich das Anwendungsbeispiel auf die Informationsbereitstellung von Produktions- und Qualitätsdaten fokussiert. Für Enercon war aber letztlich entscheidend, wie diese Daten erfasst, aufbereitet und bereitgestellt werden. 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 Kommunikation wird bereits ein internationaler Standard eingesetzt, um den Informationsaustausch 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.

 


Zusammenfassung und Ausblick

Das Aegis Manufacturing Operating System leistete erhebliche Verbesserungen für die Produktivität und Qualität durch seine einzigartige Kombination aus dynamischen Datenmodell und papierloser Dokumentation für die smarten Arbeitsplätze bei der Firma Enercon.

 


 
Das Manufacturing Operation System wird durch Aegis laufend verbessert und erweitert. Derzeit laufen erste Anlagen mit einer integrierten Logistikanbindung, um auch den Materialfluss für das Industrie-4.0-Konzept zu ertüchtigen. Auch für diesen neuen Aegis-Bereich gilt, dass bei der Realisierung im Operating System der Anwendernutzen und die Rentabilität im Fokus des Schaffens stehen.

Der Autor des Beitrags
Dr.-Ing. Friedrich W. Nolting, geb 1957, ist geschäftsführender Gesellschafter der Firma diplan GmbH, seit 2012 einem Unternehmen der Aegis Software Gruppe. Vor der Mitbegründung von diplan war er leitender Oberingenieur am Institut für Fertigungstechnik der Universität Erlangen-Nürnberg, wo er auch 1988 promovierte. Branchenübergreifende Anerkennung erwarb sich Dr. Nolting durch zahlreiche Erstentwicklungen im Umfeld der Elektronikfertigung. Heute gehören seine Ideen und Konzepte, wie die Clusteranalyse zur Rüstoptimierung, die einzelgebindebezogene Materialkommissionierung oder das dynamische LED Binning, zum Portfolio vieler namhafter Hersteller. Als Mitglied im Cluster Mechatronik und im ZVEI beteiligt sich Dr. Nolting aktiv an zahlreichen Veranstaltungen und Fachgruppen.


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