CPS In der Lernfabrik das ABC der Digitalisierung üben

Autor / Redakteur: Prof. Marcus Kurth, Prof. Carsten Schleyer, Daniel Feuser* / Dipl. -Ing. 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.

So funktioniert die Lernfabrik

In der Lernfabrik wird das CPS unter Demonstration von CPS-Komponenten betrieben. Es handelt sich um eine typische Produktionslinie mit veränderlichem Automatisierungsgrad. Beginnend bei einem niedrigen Automatisierungsgrad, wie es in vielen Unternehmen der derzeitige Stand ist, lässt sich dieser schrittweise durch CPS-Elemente erhöhen und Gesichtspunkte wie Verfolgbarkeit, Energieverbrauch, Produktionsanalysen usw. einbringen. Damit sind manuelle Arbeitsplätze in das Automatisierungssystem integrierbar. Die schrittweise Erhöhung des Automatisierungsgrads während des Workshops erlaubt es, die Ausbildung sowie die angewandten Methoden und Interaktionen von Studenten oder Mitarbeitern zu dokumentieren.

Der Produktionsprozess beginnt mit einer auftragsspezifischen, werkergeführten Kommissionierung, gefolgt von mehreren manuellen Montageplätzen. Diese lassen sich digitalisiert und vernetzt betreiben. Zudem erfolgt eine digitale, individuelle Werkerführung durch die einzelnen Montageprozesse. Die Montageplätze sind nach Ergonomie- und Lean-Kriterien optimiert. Des Weiteren sind diese nach dem oben beschriebenen CPS- bzw. Automatisierungskonzept ausgestattet. Hier allerdings aus Gründen der Robustheit mit den Embedded-Hardwaregeräten my RIO, die National Instruments für Schulungszwecke entwickelt hat. Für weitere Automatisierungsschritte sind zum Beispiel ein fahrerloses Transportsystem bzw. eine klassisch automatisierte Fertigungsstraße vorgesehen.

Die individuellen Teile sind frei durch den Kunden konstruierte Komponenten des Modellfahrzeugs wie Felgen oder Spoiler. Während der Konstruktion wird der Kunde durch eine App geführt. Die Bestellungen werden in Produktionsaufträge überführt. Diese haben aufgrund des Customizings unterschiedliche Fertigungs- und Montagezeiten und müssen entsprechend in den Produktionsablauf eingelastet werden.

Am Ende der Produktionslinie erfolgt eine Qualitätssicherung, bei der die Fahrzeuge eine Teststrecke durchfahren. Nach erfolgreichem Abschluss wird das Fahrzeug an die Verpackungs- und Versandstation übergeben.

Der gesamte Produktionsprozess ist für jedes Produkt dokumentiert, um die Verfolgbarkeit eines Auftrags zu ermöglichen. Daten von Arbeitsplätzen, Maschinen und Montagelinie werden ggf. in Echtzeit in einer Fabrik-Cloud verarbeitet, die auch für die Interauftragskommunikation genutzt wird. Hierzu wird ein modifiziertes Kommunikationsprotokoll verwendet, das aber auch mit nicht modifizierten Komponenten gemischt einsetzbar ist. Die Cloud überwacht die Aufträge und zugehörige spezifische Informationen und kommuniziert mit den unterlagerten CPS. So lässt sich der Materialfluss dezentral durch diese CPS selbst organisieren und die Fertigungsaufträge geben über die Cloud selbst vor, was an den einzelnen Stationen mit ihnen geschehen soll. Die Kommunikation zwischen den Aufträgen wird möglich. Gleichzeitig wird der gesamte Prozess dokumentiert.

Automatisierung und Ontologie

In der Lernfabrik wird Intelligenz durch Dezentralisierung und Vernetzung erreicht. Voraussetzung hierfür ist, dass jede Maschine, jedes Gerät, jeder Sensor und sogar das Produkt selbst offen kommunizieren [7] und mit den anderen CPS interagieren kann. Dafür werden ein spezifisches Kommunikationskonzept und eine Komponentenstandardisierung benötigt.

Das Automatisierungskonzept der Lernfabrik basiert auf hochstandardisierter kleiner und offener Hard- und Software und wird um eine grafische Programmierumgebung ergänzt.

Durch die Vernetzung der CPS wird die klassische Automatisierungspyramide zunächst aufgelöst. Es erfolgt eine Dezentralisierung, denn jedes CPS baut eine eigene dezentrale Automatisierungspyramide für sich selbst auf. Anstelle eines großen zentralen Systems tritt also die Vernetzung von vielen kleinen Automatisierungssystemen. Dies hat den Vorteil, dass viele verschiedene CPS/Gerätschaften miteinander verbunden werden können. Voraussetzung ist allerdings, dass das Kommunikationsprotokoll bekannt ist.

Für die Umsetzung eines gemeinsamen optimalen Produktionsziels im Sinne von Hersteller und Kunde ist darüber hinaus die Ontologie entscheidend, das heißt die Datenorganisation und deren Kommunikation.

Zur Umsetzung der Anforderungen sind eine Vielzahl von Rahmenbedingungen zu beachten wie Echtzeitfähigkeit, Zuverlässigkeit und Redundanzen, Security und vieles mehr. Die übergeordneten Funktionen werden von einem überlagerten Business-Öko-System gesteuert, das übergeordnete Daten sammelt und verwaltet sowie Aufträge plant.

Zusammenfassung: Die Lernfabrik der HTWG Konstanz ermöglicht Studenten ebenso wie (Gewerbe-)Schülern und Mitarbeitern von Firmen, moderne Produktion zu erfahren und zu testen. Hier wird ein intelligentes Modellfahrzeug als CPS gefertigt. Der Kunde hat die Wahl an Ausstattungsvarianten, kann konstruktiv in die Produktentstehung eingreifen und somit das Modellfahrzeug individuell anpassen.

Eingesetzt wird ein hoch standardisiertes Automatisierungskonzept, das auf einem nach Lean-Kriterien optimierten Produktionsprozess aufsetzt. Die gesamte Lernfabrik ist unter den gleichen Gesichtspunkten wie das Modellfahrzeug als CPS automatisiert. Zum Einsatz kommen NI-Komponenten wie my RIO, my DAQ, Compact RIO sowie grafische Programmierung mit Labview – auch in Kombination mit Arduino-Boards. Das Konzept erlaubt zudem die Einbindung klassisch automatisierter Komponenten.

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Literatur:

[1] H. Hesse; A. Kohn, J. Lehmann, H. Farazaneh, D. Ihlenburg: Integration of Semantic Technologies for Business Process Support in the Automation Industry. In: W. Wahlster, H.-J. Grallert, S. Wess, H. Friedrich, Th. Widenka (Hrsg.): Towards the Internet of Services: The THESEUS Research Program. Springer Science + Business Media, 2014

[2] VDI 2014. Industrie 4.0 – CPS-basierte Automation Forschungsbedarf anhand konkreter Fallbeispiele. Statusreport. Düsseldorf

[3] ACATECH 2013. Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0. In: H. Kagermann, W. Wahlster, J. Helbig (eds.): Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0

[4] D. Spath, O. Ganschar, S. Gerlach, M. Hämmerle, T. Krause, S. Schlund: Produktionsarbeit der Zukunft – Industrie 4.0. Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, 2014

[5] TECHCONSULT 2014. Business Performance Index. Expertenbericht Diskrete Fertigung

[6] E. M. Rogers: Diffusion of Innovations, New York. Free Press, 2003

[7] O. UA-COMMUNITY: OPC Unified Architecture – Wegbereiter der vierten industriellen [R]Evolution, Verl. OPC Foundation, 2013

* Prof. Dr.-Ing. Marcus Kurth, Prof. Dr.-Ing. Carsten Schleyer, Daniel Feuser, Institut für Systemdynamik, HTWG Konstanz, Konstanz

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