Schaltzentrale für komplexe Fertigungslandschaften

Trendinterview: Michael Corban, Chefredakteur elektro AUTOMATION

elektro AUTOMATION: Lässt sich die Industrie-4.0-Forderung nach einer variantenreichen Fertigung – Stichwort Losgröße 1 – mit derzeit verfügbaren MES-Lösungen bereits ausreichend genau abbilden und steuern? An welchen Stellen müssen die Systeme gegebenenfalls erweitert werden und auf welche Punkte muss der Anwender achten?

Kirsch (Guardus): Die Thematik der Losgröße 1 setzt zur Produktionssteuerung eine Einzelteilidentifikation voraus. Mit dem Ziel der Einzelteilverfolgung und Überwachung des Qualitätszustands wird diese schon seit Jahren in MES-Lösungen umgesetzt. Dabei stehen Techniken wie RFID, Transponder mit Daten oder aber auch Barcodes von Beginn an Pate. Die primären Ziele der digitalen Verfolgung von Einzelteilen durch die Produktion waren zunächst, die Rückverfolgbarkeit und Transparenz in allen Fertigungsstufen zu schaffen und bei sogenannten Quality Gates zu gewährleisten, dass ein Einzelteil mit Produktfehlern verriegelt wird. Insofern sind die Anforderungen im Rahmen von Industrie 4.0 eher Erweiterungen als große Veränderungen. Dank der einfacheren und kostengünstigeren Möglichkeiten, Einzelteile zu digitalisieren, können weitere Funktionen die Agilität und Wirtschaftlichkeit in der Fertigung zusätzlich erhöhen. Dazu gehört zum Beispiel die interaktive Kommunikation zwischen Produkten und deren Transport im Bereich Produktionslogistik. Ein weiterer Aspekt, der aber auch schon häufig umgesetzt ist, besteht darin, mittels Identifikation des Einzelteils Herstellanweisungen sofort anzuzeigen oder Steuerungsprogramme einer Maschine zuzuführen, um das Teil dann zu bearbeiten.

Schleipen/Sauer (Fraunhofer IOSB): Aus unserer Sicht und der Erfahrung aus Projekten lässt sich eine variantenreiche Fertigung mit den heute verfügbaren MES-Systemen abbilden. Wie immer in der Fertigung kommt es bei der Auswahl von MES-Komponenten auf den spezifischen Anwendungsfall an: hier muss jeder Anwender genau für sich und seine Fertigung spezifizieren, welche MES-Funktionalität er benötigt. Der konkrete Anwendungsfall legt auch fest, wie weit die sogenannte dezentrale Intelligenz geht, das heißt ob eine zentrale Steuerungsinstanz benötigt wird oder ob die Werkstücke tatsächlich teilweise Selbststeuerung übernehmen können.

Schwarz (Schneider Electric): Ein MES bietet die optimale Grundlage für schnelle Produktwechsel und kleine Losgrößen. Es enthält Daten und Regeln, um eine hochqualitative Produktion und Dokumentation zu gewährleisten. Allerdings ist die Umsetzung in einer variantenreichen Fertigung sehr komplex. So muss die Materiallogistik die Rohstoffe entsprechend den Produktspezifikationen zum richtigen Zeitpunkt bereitstellen. Ebenso kann ein Produktwechsel eine Reinigung oder erneute Maschineneinrichtung nach sich ziehen. Kleinere Losgrößen benötigen eventuell eine engmaschigere Qualitätssicherung. Die Vernetzung von Systemen und Prozessen im Unternehmen spielt eine Schlüsselrolle, um mit kleineren Losgrößen auch Geld zu verdienen.

Tröger (PSI Automotive & Industry): Heutige Systeme sind bereits recht gut auf variantenreiche Fertigungsprozesse eingestellt. Die zunehmende Individualität der Erzeugnisse ist seit Langem ein Trend nicht nur im Umfeld von Konsumgütern. Effiziente Produktionsprozesse mit dem Hintergrund sinkender Auftragsmengen und steigender Anzahl von Aufträgen stellen dennoch eine Herausforderung dar. Es kommt auf entsprechend flexible Steuerungssysteme an. Hier ist zu erwarten, dass zum einen die Maschinenebene noch viel stärker integriert werden muss – Predictive Maintenance zur Absicherung der Verfügbarkeit – und insbesondere im Kurzfristbereich modernste Methoden zur Bildung wirtschaftlicher Reihenfolgen zum Einsatz kommen müssen.

elektro AUTOMATION: Welche Rolle spielt im Zusammenhang mit Industrie-4.0-Szenarien das Thema Prozessmodellierung, um den Anwender einerseits optimal bei der Abbildung seiner speziellen Anforderungen zu unterstützen, ihm andererseits aber auch mögliche Alternativszenarien anzubieten? Kann der Anwender bei Bedarf im laufenden Betrieb ‚umschalten‘?

Kirsch (Guardus): Prozessmodellierung für Produktionsabläufe wird auch nicht erst seit gestern gemacht, aber auch hier wird der Integrationsaspekt die Agilität erhöhen. Sprich: Man wird in die Lage versetzt, Prozesse schneller neu aufzusetzen oder umzugestalten. Im täglichen Ablaufgeschehen eines MES ist es aber meistens so, dass die ERP-getriebenen Planungsvorgänge ‚topdown‘ vorgegeben werden, während das MES die Feinplanung mit den aktuellen Geschehnissen an den Anlagen in Echtzeit abgleicht. Damit wird nicht nur der zeitnahe Planungshorizont immer intelligenter, sondern es fließen auch aktuelle Rückmeldungen aus dem Produktionsgeschehen noch agiler in die Planung ein, so dass Plan- und Istwerte nicht zu stark voneinander abweichen. Auch in diesem Bereich werden Erweiterungen möglich sein, um etwa die Planungsdaten durch Regelwerke an die realen Gegebenheiten automatisch anzupassen und so gegebenenfalls fehlerhafte Stammdaten selbstlernend zu korrigieren.

Schleipen/Sauer (Fraunhofer IOSB): Die modellbasierte Simulation – beispielsweise zur Überprüfung von Alternativen – wird für das Thema Industrie 4.0 unumgänglich werden. In der Industrie 4.0 erhält jede Industrie-4.0-Komponente eine virtuelle Repräsentation. Diese kann auch ein Prozessmodell über das Verhalten der Komponente im Zusammenhang mit anderen (äußere Sicht) und einen Ablauf der Komponente (innere Sicht) beinhalten und wird auch im Rahmen der Referenzarchitektur Industrie 4.0 (RAMI 4.0) und der Industrie-4.0-Komponente sicherlich noch im Detail diskutiert und definiert.

Schwarz (Schneider Electric): Diese Anforderungen sind nicht Industrie-4.0-spezifisch. Sie entsprechen den digitalen Umsetzungsanforderungen, die eine flexible Produktfeinplanung oder Beeinflussung während der laufenden Produktion voraussetzen. Das wird durch Regelwerke mit Entscheidungshilfen und Prozessen für schnelle Änderungen der aktuellen Ressourcennutzung erreicht. Traditionell wurde hierdurch der Einfluss von unvorhergesehenen Störungen wie etwa Maschinenausfall oder Materialmangel minimiert. Die gleichen Mechanismen werden heute verfeinert und erweitert genutzt, um die Verluste von Umschaltszenarien zu reduzieren und kleinere Losgrößen profitabel zu produzieren.

Tröger (PSI Automotive & Industry): Die zu erwartende Zunahme der Flexibilität und Autonomie zukünftiger Produktionssysteme wird es zunehmend schwerer machen, vorgegebene Prozesse einzuhalten oder diese Prozesse in ihrer Vielfältigkeit überhaupt zu beschreiben. Die klassische Prozessbetrachtung und die darauf aufbauende Modellierung wird möglicherweise 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.

elektro AUTOMATION: Welche Tools bieten sich bezüglich der Prozessmodellierung an und inwieweit lassen sich hier bereits Daten aus den Entwicklungsabteilungen der Maschinen- und Anlagenbauer – Stichwort ‚durchgängige Digitalisierung‘ – nutzen? Was müssen gegebenenfalls die MES-Anbieter noch leisten und was PLM-Hersteller?

Kirsch (Guardus): Wichtige Daten aus dem PLM sind nach wie vor Arbeitspläne und Materialstücklisten. Wenn neue Produkte entwickelt werden, müssen auch diese Informationen angelegt werden. Hier werden neben der bestehenden PLM-Guardus-MES-Integration für geometrische Daten, Zeichnungen, qualitätsrelevante Prüfmerkmale oder Maschinenprogramme sicherlich weitere Informationen hinzukommen. Ziel ist: MES-Lösungen sollen die Produktion noch intelligenter unterstützen und die Digitalisierung noch durchgängiger abbilden – angefangen von der Planung eines Produkts bis zu dessen Überwachung und Durchlauf in der Herstellung.

Schleipen/Sauer (Fraunhofer IOSB): In den aktuellen Projekten zeigt sich, dass das Thema der Modellierung von Anlagen im Sinne einer Selbstbeschreibung im Zuge des Engineering-Prozesses von Maschinen und Anlagen immer wichtiger wird. Manche Anlagenbetreiber fordern bereits von ihren Lieferanten Modelle, aus denen dann beispielsweise OPC-UA-Informationsmodelle erzeugt werden können. Dieser Trend wird sich in den kommenden Jahren verstärken. Darum ist es zwingend, dass Toolanbieter in der Engineering-Kette – etwa für CAD, PLM, E-Planung etc. – Exportschnittstellen für Standard-Datenformate bereitstellen, wie beispielsweise AutomationML. Nur so kann die Kette von der Planung bis zum MES geschlossen werden.

Schwarz (Schneider Electric): In einem MES finden sich Überlappungen aus verschiedensten Bereichen, denn an dieser Stelle wird die operative Umsetzung der Wertschöpfung gesteuert und dokumentiert. Sollen die Vorteile einer durchgängigen Digitalisierung konsequent genutzten werden, steht die Integration mit offenen Standards im Vordergrund. In größeren Unternehmen fällt dem MES eine besondere Rolle zu, denn viele Produktionsstandorte verfügen oft über unterschiedliche Automatisierungssysteme oder -grade. Wiederverwertbare Informationsmodelle sowie die Standardisierung von Prozessen über mehrere Standorte hinweg sind große Herausforderungen der durchgängigen Digitalisierung.

Tröger (PSI Automotive & Industry): Eine der zukünftigen Herausforderungen der Fertigungssteuerung wird die Abbildung des ‚digitalen Zwillings‘ sein. Dieser enthält ein Abbild des Produktionssystems im Zeitverlauf mit allen auftrags-, anlagen- oder auch produktbezogenen Informationen. 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. Erste Ansätze sind bereits vorhanden, müssen aber weiter entwickelt werden.

elektro AUTOMATION: Derzeit wird viel diskutiert über das Thema TSN (Time-Sensitive Networking), mit dem die Datenübertragung per OPC UA echtzeitfähig werden könnte. Insbesondere hinsichtlich von Aspekten wie etwa der Steuerung ganzer Fertigungslinien bietet das die Chance, künftig oberhalb der Maschinenebene – die weiterhin aufgrund höherer Echtzeitanforderungen spezielle Bussysteme benötigt – mit einem einzigen Protokoll die gesamte Kommunikation abzuwickeln. Wie schätzen Sie an dieser Stelle das Potenzial der Kombination OPC UA mit TSN ein?

Kirsch (Guardus): Das TSN ist sicherlich eine interessante Diskussion, die aber einen hohen internationalen Grad an Standardisierung voraussetzt. Dabei stellt sich schon die erste Frage, ob sich OPC UA – das vor allem im Industrie-4.0-Kontext in Deutschland diskutiert wird – wirklich so stark durchsetzen wird. Gleichzeitig müsste dann das TSN von allen Kommunikationsteilnehmern (nicht nur MES-Anbietern) als anerkannter internationaler Standard marktrelevant akzeptiert werden. Dies ist eine Herausforderung, die sehr stark den Automatisierungsbereich betrifft. Als MES-Anbieter begrüßt man natürlicherweise jede Art der Standardisierung zur bisherigen heterogenen Maschinenebene, da dies die Integration vereinfacht, die Dateninhalte erweitert und kostengünstiger sowie wirtschaftlicher gestaltet. Hier bleibt es aber abzuwarten, ob die Automatisierungsindustrie wirklich in der Lage sein wird, einen internationalen Standard zu etablieren.

Schleipen/Sauer (Fraunhofer IOSB): TSN schließt eine der letzten Lücken oder Showstopper von OPC UA: die Echtzeitfähigkeit beziehungsweise Deterministik. So können auch Branchen wie die Robotik OPC UA nutzen. TSN ist also ein Baustein im großen OPC-UA-Puzzle und eröffnet weitere Möglichkeiten zu dessen Anwendung.

Schwarz (Schneider Electric): Jegliche Standardisierung ist begrüßenswert, da damit die Aufwände und Kosten für die Integration von Produktionsprozessen gesenkt werden. Für eine schnelle und automatisierte Produktion von Konsumgütern ist die Datenverarbeitung in Echtzeit eine wichtige Grundlage. Die sofortige Datenerfassung und -auswertung sorgt für Flexibilität bei gleichzeitig akkurater und engmaschiger Dokumentation. In Zukunft wird ein vollständiger Qualitätsnachweis vermehrt darüber entscheiden, ob ein Produkt oder eine Verpackungseinheit an den Endkunden verkauft werden kann. Dies erfordert die Vernetzung von physikalischer Produktionsausrüstung im Sinne des Zusammenspiels aller im Unternehmen beteiligten digitalen Systeme.

Tröger (PSI Automotive & Industry): Erst einmal sind die Anforderungen an Echtzeit sehr differenziert zu betrachten. Es gibt starke Unterschiede im Zeitverhalten von Maschinen und Anlagen. Nicht immer und überall kommt es auf ‚harte‘ Echtzeit an. TSN oder auch Innovationsthemen wie das taktile Internet betrachten die Übertragung von Daten generell. Da geht es um Medizin genauso wie autonomes Fahren oder Bild- und Videoübertragungen. Sicher hat OPC UA in der Kombination mit TSN Chancen als ein Kommunikationsstandard, allerdings profitieren leichtgewichtigere Protokolle wie MQTT oder DDS mindestens genauso. Ob sich am Ende ein einziges Protokoll durchsetzen kann, bleibt zu bezweifeln.

http://software.schneider-electric.com/wonderware

RAMI 4.0 – Referenzarchitektur für Industrie 4.0: Das Modell erlaubt die schrittweise Migration aus der heutigen Welt in die Industrie-4.0-Welt. Die Industrie-4.0-Komponente beschreibt die Verbindung von realem Objekt und seinem digitalen Abbild. Beides zusammen, Referenzarchitektur und Industrie-4.0-Komponente, dienen den Unternehmen als Basis zur Entwicklung zukünftiger Produkte und Geschäftsmodelle. Die Praxistauglichkeit der Industrie 4.0-Komponente wird anhand von konkreten Anwendungsfällen (Use Cases) aus der Automotive-Branche, dem Maschinenbau und der Prozessindustrie erprobt.

(Quelle: ZVEI)

Taktiles Internet:Die fortschreitende Entwicklung der IT-Anwendungen bedingt nicht nur immer schnellere, sondern auch robuste und sichere Kommunikationsnetze – bis hin zur Einbeziehung des Mobilfunks. Neben höheren Geschwindigkeiten soll vor allem die Kapazität der Mobilfunknetze hinsichtlich der Anzahl der miteinander verbundenen Geräte steigen, um grundlegende Konzepte wie die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M), das Internet der Dinge oder auch Sensornetzwerke großflächig zu realisieren und die Zuverlässigkeit dieser Netze sicherzustellen. Trotz dieser eher technischen Aspekte soll der Mensch und dessen Wahrnehmung im Vordergrund stehen, was sich im Schlagwort ‚taktiles Internet‘ wiederfindet. In diesem Zusammenhang bedeutet dies eine sehr kurze und idealerweise für den Menschen nicht wahrnehmbare Reaktionszeit der Anwendung im Bereich einer Millisekunde.

(Quelle: Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE – DKE)