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CPS

In der Lernfabrik das ABC der Digitalisierung üben

| Autor/ Redakteur: Prof. Marcus Kurth, Prof. Carsten Schleyer, Daniel Feuser* / Ines Stotz

Die Digitalisierung und Flexibilisierung der Fertigung wird die Arbeitsbedingungen und Prozesse genauso wie Geschäftsmodelle stark verändern. In der Praxis ist gegenwärtig eine wachsende Diskrepanz zwischen Großunternehmen und KMUs erkennbar. Die Lernfabrik an der HTWG Konstanz will genau dies überbrücken.

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Die Lernfabrik bietet Unternehmen eine Plattform zum Probieren, schafft die Möglichkeit zur Ausbildung von Studenten und Mitarbeitern, hält Beratungsangebote bereit und dient zur Umsetzung neuer Geschäftsmodelle.
Die Lernfabrik bietet Unternehmen eine Plattform zum Probieren, schafft die Möglichkeit zur Ausbildung von Studenten und Mitarbeitern, hält Beratungsangebote bereit und dient zur Umsetzung neuer Geschäftsmodelle.
(Bild: © Rawpixel.com/Fotolia.com)

Die Integration von Menschen, Dingen und Maschinen wächst rasant. Digitalisierung und Automatisierung führen zu kürzeren Produktlebenszyklen und einem global zunehmenden Konkurrenzdruck. Der Begriff Cyberphysisches System (CPS) steht für die Digitalisierung und flexiblere Systeme. Die Einführung von CPS in der Produktion ermöglicht die Herstellung von hoch individualisierten – sogenannten customized – Produkten. Hierfür müssen Montagelinien, Maschinen und Produkte bzw. Halbzeuge verlinkt werden. [1] Damit kann der Automatisierungsgrad von Fertigungslinien stark gesteigert werden, was wiederum zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führt. Die CPS interagieren mit Sensoren und Aktoren, verarbeiten Daten weitgehend autonom und dezentral und kommunizieren häufig über kabellose Netzwerke. [2] Eine Zustandsüberwachung ermöglicht die Kontrolle und Analyse der Produktion und gibt Bedien- und Optimierungsempfehlungen. [1, 3]

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16 Prozent kennen den Begriff CPS nicht

Wie Untersuchungen zeigen, verfügt aktuell jedoch nur ein Viertel der Unternehmen überhaupt über eine geeignete Basis zur Einführung von CPS in der Fertigung, das heißt ausreichend vernetzte Maschinen. [4] 16 Prozent kennen den Begriff CPS nicht und nur vier Prozent setzen CPS in der Produktion ein. [5] Speziell die KMUs scheuen die hohen Kick-off- Investitionen und die Ungewissheit der erzielbaren Kosteneffektivität. [6] Es fehlen praxisorientierte Test- und Laboreinrichtungen, mithilfe derer sie sich mit der Technik und den möglichen Geschäftsmodellen vertraut machen können. Idealerweise erfolgt dies in einem unternehmensnahen Umfeld, um den hochkomplexen Transformationsprozess transparent zu machen.

Lernfabrik empfiehlt: ganzheitliches systemisches Vorgehen

Der Ansatz der Lernfabrik an der HTWG Konstanz basiert auf einem standardisierten, selbstoptimierenden und selbstorganisierenden Automatisierungskonzept, bei dem ausgehend von einem durch Lean-Methoden optimierten Prozess der Automatisierungsgrad schrittweise erhöht wird: Folglich steigt damit Effektivität und Produktivität der Produktion in der Lernfabrik. Vorgeschlagen wird ein ganzheitliches systemisches Vorgehen, das sich nicht nur auf die Produktionslinie bezieht, sondern alles vom Produkt über die Organisation und Geschäftsmodelle bis hin zur Ausbildung der Mitarbeiter umfasst.

Basis des Konzepts bildet ein CPS. Aufgrund der Standardisierung und Leistungsfähigkeit lässt sich das verwendete CPS gleichzeitig in den Komponenten der Produktionslinie als auch im dort gefertigten Produkt einsetzen.

Das cyberphysische Produkt in der Lernfabrik

Das CPS-Produkt, das in der Lernfabrik exemplarisch produziert wird, ist ein intelligentes Modellfahrzeug in Modulbauweise – mit hoher Funktionalität und Kommunikationsfähigkeit. Das Automatisierungssystem des CPS bildet eine Kombination aus Arduino, Raspberry PI und Mikroprozessorboards. Die Programmierung der Arduinos erfolgt grafisch mit Labview von National Instruments (NI): Damit lassen sich einfach komplizierte Algorithmen implementieren.

Das Modellfahrzeug kann modular mit Sensoren – wie Abstandssensoren, Kamera, LED-Effekte und Sound – kundenindividuell ausgestattet werden und erlaubt es dem CPS damit, mit der Umwelt zu interagieren. Eine Kamera wird für ein First-Person-Video-Streaming und eine Objekterkennung genutzt. Das Fahrzeug verbindet sich über ein modifiziertes WLAN oder optionales Funksignal mit anderen CPS oder HMI-Geräten und kommuniziert mit diesen. Auf den HMIs (z.B. ein Smartphone zusammen mit einem Webbrowser) wird das Videosignal dargestellt und gleichzeitig das Fahrzeug gesteuert.

Das CPS repräsentiert ein offenes, kommunizierendes Low-Budget-Embedded-System und ermöglicht, sich mit den Aspekten und Funktionalitäten vertraut zu machen, die für moderne Geräte und damit auch für eine moderne Produktion benötigt werden. Für die Lernfabrik bedeutet dies, dass durch den Einsatz von modernen Fertigungsverfahren wie Laser Cutter und 3D-Drucker einzelne Komponenten des Modellfahrzeugs wie Felgen hochindividualisiert nach Kundenwunsch unter Serienbedingung gefertigt werden.

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Über den Autor

Ines Stotz

Ines Stotz

Ist Chefredakteurin print/online bei elektrotechnik., elektrotechnik