• „Betriebssystem“ für wandlungsfähige Fertigungsanlagen

    BaSys 4.0 – Basissystem Industrie 4.0

Wie schon oft erkannt, steht die Wirtschaft an der Schwelle zur vierten industriellen Revolution. Vor dem Hintergrund der ökonomischen Herausforderungen insbesondere in Deutschland zielt die Digitalisierung im verarbeitenden Gewerbe darauf ab, dass sich produzierende Unternehmen erfolgreich auf eine immer größere Unbeständigkeit der Märkte, neue globale Konkurrenz, steigende Variantenzahlen und zunehmend kundenindividuelle Produkte bis hin zur Losgröße 1 einstellen können.

Die für die vierte industrielle Revolution notwendige Wandlungsfähigkeit ist das zentrale Alleinstellungsmerkmal dieser Technologie. Wandlungsfähigkeit darf jedoch nicht mit der bereits heute realisierten Flexibilität in der Produktion verwechselt werden. Mit einer flexiblen Produktionsanlage bezeichnet man Fertigungsstraßen, die in einem definierten Flexibilitätsbereich umgestellt werden können, darüber hinaus jedoch keine Flexibilität effizient realisieren können. Wandlungsfähige Anlagen lassen sich im Gegensatz dazu mit sehr geringen Kosten auf gänzlich neue Produkte umstellen, auch wenn diese bei der Planung der Anlage nicht mitberücksichtigt wurden. Die Realisierung dieser Wandlungsfähigkeit erfordert neue Methoden und Technologien die eine Dynamisierung der Produktion ermöglichen.

Parallelisierung der Produkt- und Anlagenentwicklung

Zentrale wissenschaftliche und technische Ansätze von BaSys 4.0
Zentrale wissenschaftliche und technische Ansätze von BaSys 4.0

Ein weiterer Aspekt ist die Parallelisierung der Produkt- und Anlagenentwicklung. Dies ist zwar teilweise auch heute schon Stand der Technik in der Massenproduktion oder auch der Automobilindustrie;  muss aber auf ein deutlich höheres Niveau gehoben werden. Es muss möglich sein, die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit „by Design“ wechselseitig zu berücksichtigen.

Mit der schrittweisen Umsetzung der Konzepte Industrie 4.0 wird sich die Durchdringung der Produktion mit IT-Technologien erhöhen. Immer mehr Menschen müssen mit Softwaresystemen interagieren. Die Effizienz der Auftragsabwicklung wird durch mobile Lösungen im Fertigungsumfeld weiter gesteigert (werden müssen).

Optimale Interoperabilität durch standardisierte Kommunikation

Die automatisierten Kommunikationsfähigkeiten der Maschinen und Anlagen aber auch der Geschäftspartner sind ein kritischer Erfolgsfaktor für die Umsetzung der Konzepte der Smart Factory. Diese Kommunikation muss auf Standards sowohl hinsichtlich der Inhalte als auch der Protokolle („All-IP“) basieren. Nur so kann eine hinreichende Interoperabilität erreicht werden.

Nicht zuletzt auch durch die Aktivitäten im Umfeld Industrie 4.0 sind vielfältige Initiativen abgeleitet worden. Beispielhaft genannt sei hier ERP 2020 als eine Aktivität des VDMA.

Im Vordergrund stehen elementare Anforderungen an ERP-Systeme und MES-Anwendungen wie Konnektivität, gesteigerte Usability, Unterstützung mobiler Prozesse oder auch massiv verbesserte Agilität der Systeme und der Geschäftsbeziehungen.

Benutzerfreundliches Interface

Letztlich benötigt Industrie 4.0 integrierte Softwarelösungen im Umfeld von Produktion und Logistik, die alle existierenden Daten und gewonnenen Informationen in einem benutzerfreundlichen Interface verfügbar machen. Die entstandenen Daten werden visualisiert und für kontinuierliche Optimierungen der Fertigung wie Reihenfolgen, Driftkompensation, etc. und zur Produktverbesserung genutzt. Naheliegende Handlungsfelder bzw. Ziele sind u. a. die Erhöhung der Verfügbarkeit der Produktionssysteme und Reduktion der Kosten für Wartung und Reparatur, stabile Produktionsprozesse und kontinuierlich hohe Qualität der Erzeugnisse und Verminderung der Fehlerkosten sowie Termin- und mengengerechte Lieferungen.

Selbstlernende Systeme und Digitale Zwillinge

Diese Ziele können durch Maßnahmen im Umfeld von Predictive Maintenance, Maschinendatenerfassung und kontinuierlicher Überwachung der Produktions- und Qualitätsdaten erreicht werden. Völlig neue Ansätze wie Visual Computing erleichtern das Erkennen von Zusammenhängen in der Datenbasis und erlauben die Einführung selbstlernender Systeme zur Entscheidungsunterstützung oder sogar automatisierten Initiierung notwendiger Aktivitäten.

Die PSI Automotive & Industry hat dabei die Aufgabe, diese Dynamisierung der Produktion in den höherwertigen Schichten der Produktionsplanung und -regelung abzubilden.

Digitale Zwillinge als Abbild der aktuellen Anlagenkonfiguration und der aktuellen und zukünftigen Auftragssituation – im Zeitverlauf mit allen auftrags-, anlagen- oder auch produktbezogenen Informationen – dienen Simulationen und der Reihenfolgebildung. Das Engineering der Produkte wird sich nicht mehr nur auf geometrische und andere Produkteigenschaften beschränken sondern gleichzeitig auch die notwendigen Konfigurationsinformationen für die Einstellung der Anlage liefern. Dieses simultane Produkt- und Produktions-Engineering erfordert Erweiterungen in der Funktionalität heutiger MES oder PLM-Systeme.

Übergreifende Vernetzung von Lieferanten und Produzenten

Aus den Ansprüchen an die Vernetzung der Geschäftspartner in Wertschöpfungsnetzwerken können Anforderung zur übergreifenden Vernetzung von Lieferanten und Produzenten (connected world) abgeleitet werden.

Es geht nicht mehr nur um den Austausch von auftrags-typischen Informationen, sondern auch um die Verfügbarkeit bestimmter Fähigkeiten einer Anlage oder eines gesamten Produktionssystems. Nur so ist ein Technologieabgleich zwischen benötigten und verfügbaren Fähigkeiten automatisiert möglich. Die Datenmodelle im Information-Layer werden sich demzufolge zwangsläufig system- und anbieterübergreifend angleichen müssen. Die Vielzahl existierender Standards beispielsweise zur Produkt- und Ressourcenbeschreibung müssen konsequent angewendet werden.

Ereignis-getriebene Fertigungssteuerung

Die zu erwartende Zunahme der Flexibilität und Autonomie zukünftiger Produktionssysteme wird es zunehmend schwerer machen, vorgegebene Prozesse einzuhalten bzw. diese Prozesse in ihrer Vielfältigkeit überhaupt zu beschreiben. Die klassische Prozessbetrachtung und darauf aufbauende Modellierung wird von einer Ereignis-getriebenen Fertigungssteuerung im Kurz- und Mittelfristbereich abgelöst.

Hierbei kommt es weniger auf umfassend beschriebene Prozesse sondern auf Regeln, mögliche Ereignisse und Alternativen an. Das Umschalten von Konfigurationen oder die Veränderung eines Produktmixes sind dann vielleicht die Regel und nicht die Ausnahme. Heutige Systeme zur Auftragsabwicklung müssen dem Rechnung tragen können. Letztendlich geht es um die Abkehr von der deterministischen, mehrstufigen Planung und Organisation von Arbeitsinhalten hin zu adaptiven und anpassbaren Algorithmen. Die Wandelbarkeit von Produktionssystemen erfordert zunehmend simulationsbasierte Planungs- und Organisationssysteme.

Individualisierte Erzeugnisse mit einer eigenen Identität und Kommunikationsfähigkeit müssen in den Auftragsabwicklungssystemen, sei es auf die Produktion oder den After-Sales-Service bezogen, abgebildet werden. Diese IT-Systeme im Feld oder innerhalb der Anlage selbst müssen je nach Anwendungsfall überwacht oder sogar gesteuert werden können.

Anwender und Anbieter zusammenbringen

Es ist zu erwarten, dass mit der fortschreitenden Umsetzung der Konzepte Industrie 4.0 kontinuierlich neue Anforderungen an Softwarelösungen im industriellen Umfeld entstehen. Es wird darauf ankommen, Anwender und Anbieter der Lösungen zusammenzubringen und gemeinsam auf der Basis von Use Cases richtungsweisende Lösungen zu entwickeln und die „alte“ Produktionssteuerungswelt mit ihren Restiktionen, fixen Constraints und Excel-Tabellen Vergangenheit werden zu lassen. Dazu wird es notwendig sein, alte Paradigmen und heutige Systemgrenzen oder –begriffe hinter sich zu lassen und eine agile Umgebung aus Hardware, Software und Menschen in der digitalen Fabrik zu schaffen.

Kontakt

PSI Automotive & Industry GmbH
Karl Tröger
Business Development Manager

www.psipenta.de

Das Verbundprojekt BaSys 4.0

Aus diesen Herausforderungen ergibt sich eine Vielzahl von strukturellen, funktionalen und nicht-funktionalen Anforderungen. Analog zu den Basisplattformen, die in anderen Domänen genutzt werden um die Entwicklung komplexer Systeme zu vereinfachen und zu vereinheitlichen, ist eine Basisplattform als Referenz notwendig, um die praktische Realisierung der vierten industriellen Revolution voranzutreiben und zu unterstützen.

Dieses „AUTOSAR für die Industrie 4.0“ definiert basierend auf bestehenden Technologien notwendige Standards, Austauschformate, Basisdienste und Schnittstellen, die eine effiziente Vernetzung und Wandlung von Fertigungsanlagen unterstützen. Realisiert werden soll eine Dienst-basierte Referenz-Architektur, welche die Grenzen einer Industrie 4.0 Anlage definiert, aber dennoch flexibel genug ist, um die Anforderungen unterschiedlicher Industriezweige in sich zu vereinigen.

Integration einer Industrie-4.0-Komponente

Darüber hinaus sind weitere tiefgreifende Veränderungen an den Auftragsabwicklungssystemen (ERP & MES) zu erwarten. Es geht um die Integration eines weiteren bisher kaum oder nicht betrachteten IT-Systems in diese Softwaresysteme: die Industrie-4.0-Komponente. Dieses „Smart Product“ verfügt   über Kommunikationsfähigkeiten und Möglichkeiten zur Datenverarbeitung. Es kann sich um ein Produkt in Nutzung (im Feld) oder eine stationäre Anlage in der Produktion handeln. Es werden  kontinuierlich Daten geliefert die durch die Auftragsabwicklungssysteme in einem unterschiedlichen Kontext zu betrachten sind bzw. erst in einen Kontext gebracht werden (Semantik, Ontologie).

Diese Sichtweisen beziehen sich auf Anlagen, Aufträge und Produkte. Demzufolge entstehen Auftragsdaten und Nutzungsdaten. Die Kommunikationsfähigkeiten der Smart Products haben allerdings keinen Wert, wenn die Assets nicht eindeutig identifizierbar sind. Demzufolge müssen alle Arten von Assets in allen möglichen Erscheinungsformen in den Auftragsabwicklungssystemen widergespiegelt werden.

Basissystem Industrie 4.0

Am 1. Juli 2016 fiel der Startschuss für das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt „Basissystem Industrie 4.0“ (BaSys 4.0).

Mit 15 Partnern, aus Industrie und Forschung wird das Projekt, unter der Koordination des Fraunhofer IESE, mit 12 Mio. Euro gefördert und läuft über drei Jahre.

www.basys40.de

PSI: Standardisierte Kopplung vom Sensor bis in das ERP

Die gewonnen Erkenntnisse werden durch verschiedene Demonstratoren validiert. Die PSI Automotive & Industry hat dabei die Aufgabe, diese Dynamisierung der Produktion in den höherwertigen Schichten der Produktionsplanung und -regelung abzubilden. Ein wesentliches Element ist dabei die Kopplung mit der Automatisierungstechnik und dem entstehenden Basissystem über einen standardisierten Gateway und die Nutzung digitaler Zwillinge im ERP- und MES-Umfeld. Notwendige Erweiterungen werden im Wesentlichen mit Hilfe der PSI-Lösungsarchitektur implementiert.

Fotos (von oben): Thinkstock/microolga, PSI Automotive & Industry (2), Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE