Die Revolution hat begonnen

Future/Industrie 4.0

Die Industrie steht vor großen Veränderungen: ›Industrie 4.0‹ hält Einzug in die Produktionshallen. Zukunftsorientierte Unternehmen warten nicht mehr ab, sondern gestalten die intelligente Fabrik aktiv mit. Doch wie setzt man neue Strategien für die Planung und Steuerung der Produktion in einer heute existierenden Umgebung praktisch um?

18. März 2015

Das Versprechen von Industrie 4.0 ist eine enorme Steigerung der Produktivität durch intelligente Fertigungsstrukturen. In der ›Smart Factory‹ arbeiten die Elemente Produkt, Werkzeug, Material und Maschine mit vereinter Intelligenz zusammen, optimieren sich selbst und den Prozess, an dem sie beteiligt sind. Das Ziel ist eine verlust- und störungsfreie Fertigung mit möglichst kurzen Durchlaufzeiten, maximaler Qualität und minimalen Kosten. Möglich macht dies die konsequente Nutzung von Informationen, die heute zwar bereits vorhanden, jedoch nicht in einem Informationsnetz zur Verfügung stehen.

»Wir liefern die Bits zu den Atomen«, verspricht Bernhard Rohe, Geschäftsführer von Viewsystems, einem innovativen MES-Softwarehaus aus dem Sauerland, »und ermöglichen den Unternehmen bereits heute die Umsetzung von Industrie 4.0.«

Bits und Atome verbinden sich zu intelligenten Elementen

Die Software Industryview SF – ›SF‹ steht für Smart Factory – bildet das Optimum der Fertigungsabläufe in einem vernetzten Computersystem ab und vergleicht die Ergebnisse permanent mit der realen Produktion. »Damit das funktioniert, arbeiten wir direkt mit Maschinenbauunternehmen wie Bihler, Bruder, Kaiser und vielen weiteren zusammen«, berichtet Bernhard Rohe.

Ein Beispiel für das Ergebnis dieser Kooperation ist eine Kommunikationskomponente, die Bihler und Viewsystems gemeinsam entwickeln, mit der die VC 1 – die aktuelle Steuerung von Bihler – innerhalb Minuten in das Unternehmensnetz integriert wird. Ohne zusätzliche Hardware und komplizierte Konfigurationsarbeit überträgt die Maschine Prozessdaten wie Gut- und Ausschussmengen, Ursachen für Unterbrechungen und Warnhinweise online und in Echtzeit aus der realen Produktionswelt an die Bits der an der Produktion beteiligten Elemente wie Produkt, Material, Werkzeug, Lager und Maschine. So erkennt das intelligente Fertigungssystem automatisch, wenn der Produktionsprozess die Ideallinie verlässt, und steuert automatisch nach.

Das Optimum erreichen

»Das intelligente Steuerungssystem nutzt die volle Dynamik einer Produktion, um automatisch den optimalen Weg zur Herstellung von Produkten durch die Fertigung zu finden«, so Bernhard Rohe.

An die Stelle heutiger, starrer Arbeitspläne aus dem ERP tritt ein Prozessdesign, das alle Optionen und Regeln der Produktion für ein zu fertigendes Produkt aufzeigt. Im Gegensatz zu starren Arbeitsplänen definiert das Prozessdesign die Abhängigkeiten von Produkt, Material, Werkzeug und Maschine. So kann die Software Rüst- und Fertigungszeiten automatisch neu bestimmen, sobald ein Werkzeug ersetzt oder eine Alternativmaschine eingesetzt wird, so dass Termine und Kennzahlen auf korrekten Daten basieren.

Das Prozessdesign ist stets online mit den Maschinen und Prozessen verbunden, damit die intelligente Fertigung sofort auf Veränderungen in der Produktion reagieren kann. Das Steuerungssystem nutzt Prozessdesigns in etwa so wie das Navigationssystem eine Landkarte bei der Fahrt mit dem Auto. Bei einem Stau ermittelt das System automatisch eine Ausweichroute mit einer kürzeren Fahrzeit.

Regelbasierende Prozessdesigns

Regelbasierende Prozessdesigns lassen verschiedene Varianten in den Produktionsabläufen zu, so dass Alternativwerkzeuge und -maschinen ausgewählt werden, sollte ein Prozess nicht mit der erwarteten Effizienz arbeiten. Fällt eine Maschine aus, wird automatisch eine Ersatzkapazität für das Produkt ermittelt. Dabei berücksichtigt die intelligente Fabrik die Termine und Anforderungen aller anderen Fertigungsaufträge, so dass im Idealfall kein einziger Liefertermin platzt.

CPS und das ›Netz der Dinge‹

Cyber-physikalische Systeme (CPS) – ein neuer Begriff aus der Sprache, die sich um Industrie 4.0 gebildet hat – trifft sehr genau das, was Viewsytems unter ›Vereinigung der Bits und Atome‹ versteht. Ziel ist die Vernetzung und Kommunikation aller an einem Prozess beteiligten Komponenten. Eine wichtige Voraussetzung ist, dass Produkte, Werkzeuge, Materialien und Maschinen über die eigene Intelligenz verfügen, sich selbst und den Prozess, an dem sie beteiligt sind, zu optimieren.

»Genau hier liegt die Problematik, die wir heute lösen müssen«, ist Bernhard Rohe überzeugt: »Selbst moderne Produktionsmaschinen kommunizieren zwar in sich, jedoch kaum mit dem Werkzeug oder dem Produkt. Wobei sich Werkzeug, Produkt und Maschine untereinander auch gar nicht verstehen würden.«

Diese Lücke schließt Viewsystems, indem die Software für jedes Element in der Produktionshalle ein intelligentes Live-Modell im Rechner anlegt, das die in der realen Welt im Prozessverbund arbeitenden Produkte, Werkzeuge und Materialien in die Lage versetzt, sich selbst zu überwachen, zu optimieren und mit den Menschen in der Fertigungshalle zu kommunizieren. Jedes an einem Prozess beteiligte Element ist über das Netz online mit dem realen Geschehen in der Fertigung gekoppelt, und es holt relevante Prozessdaten in Echtzeit von der Maschinensteuerung ab. So entsteht das Netz der Dinge.

»Das Werkzeug erkennt, dass es bereits einige tausend Hübe geleistet hat und in Kürze nachgeschärft werden muss«, erklärt Bernhard Rohe. Das Werkzeug kann einen Auftrag selbsttätig für den Werkzeugbau erzeugen und im grafischen Leitsystem plazieren, so dass der Planer erkennt, dass ein Werkzeug in Kürze eintreffen wird und welche Verschleißteile er bereitlegen muss. »Das ist wie bei einem Boxenstopp«, meint Bernhard Rohe, »die Stillstandzeiten der Maschine werden wesentlich verkürzt, weil jedem an der Produktion beteiligten Menschen die Informationen zur Verfügung stehen, die er für einen optimalen Ablauf braucht.« So vermeidet das Steuerungssystem der intelligenten Fabrik vermeidbare Stillstandszeiten durch konsequente Vernetzung und Nutzung bereits heute vorhandener Informationen.

Maschinen planen die Wartung selbst ein

Ähnlich überwacht das Netz der Dinge die Wartungsintervalle von Maschinen und Aggregaten, prüft die Verfügbarkeit der Verschleißteile und passt die Wartungspläne sogar dynamisch der tatsächlichen Maschinenbelastung an. Möglich ist auch dies durch die Onlinekopplung der virtuellen Welt mit der realen Maschine.

Jürgen Leicht, Geschäftsführer der Leicht Stanzautomation in Bretten, ist begeistert: »Wir stellen die Wartungspläne, Verschleißteillisten und Dokumentationen unserer Anlagen und Aggregate in digitaler Form zur Verfügung, damit die Systeme von Viewsystems sie automatisch mit den Betriebsstundenzählern und der Einsatzdauer abgleichen können.« Damit trägt das Automatisierungsunternehmen aktiv dazu bei, dass Industrie 4.0 bei seinen Kunden schneller umgesetzt werden kann. Es ist ein großer Vorteil, wenn umfangreiche Daten vom Anwender nicht neu erfasst werden müssen, sondern über das Netz abrufbar sind.

Prozesse, die mit Menschen kommunizieren

Neben der Hauptaufgabe der Herstellung von Produkten und der Bereitstellung und Sicherung der Verfügbarkeit von Maschinen, Werkzeugen und Ressourcen unterstützt die intelligente Fabrik den Menschen in der Produktionshalle dabei, die Ursachen für Produktivitätsverluste sofort zu erkennen und zu beseitigen. Ereignisse, die online aus der Maschinensteuerung übernommen werden, lösen gezielte Szenarien, bestehend aus Bildern und Texten, aus, um Einrichter und Maschinenbediener bei der Arbeit aktiv zu unterstützen. So kann das Netz der Dinge dem Maschinenbediener zum Beispiel mitteilen, dass der Ölstand der Bandschmierung zu gering ist, und welches Öl für den Prozess verwendet werden muss.

Aus der Vergangenheit lernen

Bereits vor über zwei Jahren hat die Heidelberger ABB Stotz-Kontakt ihre Stanz-, Biege-, Montage- und Kunststoffspritzmaschinen mit der Software von Viewsystems vernetzt und analysiert die Ursachen für Produktivitätsverluste in KVP-Workshops. Industryview SF zeichnet die Mengen, Geschwindigkeiten der Prozesse, Messwerte, Fehlermeldungen und Warnhinweise der Maschine online und in Echtzeit auf, berechnet Kennzahlen, visualisiert und protokolliert die Ergebnisse, so dass jede Störung sofort im Detail nachvollzogen werden kann.

Intelligente Nutzung von Energie und Ressourcen

»Effiziente Prozesse mindern den Energieverbrauch«, stellt Felix Franke, Chef der Saxonia-Franke, fest. Das in Göppingen ansässige Unternehmen setzt ebenfalls auf die Software von Viewsystems und nutzt die Informationen aus den Maschinen, die Industryview SF wie ein Flugschreiber protokolliert und grafisch aufbereitet, zur Optimierung der Produktion. Hocheffiziente Prozesse vermeiden Ausschuss und nutzen die Energie und Ressourcen gezielt zur Herstellung hochwertiger Produkte.

Industrie 4.0 auch mit älteren Maschinen

»Moderne Produktionsmaschinen nutzen zwar intelligente Steuerungen, sind jedoch nicht vernetzt und vergessen die für Industrie 4.0 wertvollen Informationen gleich wieder«, sagt Bernhard Rohe. »Erst mit der Integration ins Unternehmensnetz wird die Maschine zu einem produzierenden Informationssystem.« In der Regel sind Anpassungen der bestehenden Maschinensoftware unnötig, um sie in ein Netz der Dinge zu integrieren. Die meisten modernen Steuerungen lassen sich bereits heute über OPC, Adapter und verfügbare Softwaresysteme – wie bei der VC 1 von Bihler – mit dem Unternehmensnetz, PC- und Serversystemen koppeln.

Selbst ältere Maschinen rüstet Viewsystems mit sofort verfügbaren Systemen nach und holt Informationen sogar aus solchen Steuerungen, die auf Relaistechnik basieren. »Moderne Maschinen stellen uns sehr detaillierte Informationen zur Verfügung, die exakte Rückschlüsse auf Produktivitätsverluste ermöglichen. Bei älteren Maschinen erfahren wir nicht jedes einzelne Ereignis. Dennoch besteht kein Grund, noch länger auf die Vorteile von Industrie 4.0 und dem Netz der Dinge zu warten. Die wichtigsten Informationen für die Optimierung der Prozesse liefern alle Maschinen, die wir heute in den Fertigungshallen antreffen«, ist die Überzeugung von Bernhard Rohe. »Es hat auch keinen Sinn, auf neue Kommunikationsstandards zu warten, den selbst Maschinen aktuellen Baujahres in Zukunft nicht erfüllen werden, zumindest nicht zu vertretbaren Kosten.«

Lean – es geht noch schlanker

Dass heute die Vernetzung der Fertigung fehlt, spüren besonders die Disponenten und Fertigungsplaner. Trotz ausgefeilter Planungstechniken und grafischer Leitstände der ERP-Systeme bleibt die Ein- und Umplanung von Fertigungsaufträgen eine täglich wiederkehrende Herausforderung, die trotz stundenlanger, intensiver Denkarbeit oft zu Lieferverzug und Sonderfahrten führt. Zurückzuführen ist dies darauf, dass ERP-Systeme oft an der Realität vorbeiplanen. Grund dafür wiederum ist, dass der exakte Informationsrückfluss aus der Fertigung fehlt.

In der Regel sind Maschinen nicht direkt mit den Planungssystemen gekoppelt. Selbst bei Einsatz herkömmlicher Betriebs- und Maschinendatenerfassung kommt hinzu, dass die in ERP gespeicherten Arbeitspläne und Stücklisten nicht alle Möglichkeiten und Produktionsvarianten zur Herstellung eines Produktes berücksichtigen und somit eine dynamische Anpassung der Produktion nicht möglich ist. Der Planer erhält kaum Unterstützung durch den Fertigungsleitstand, wenn die Produktion nicht exakt nach Plan verläuft und trotz aller Erfahrung und Einsatz von gesundem Menschenverstand verliert er bei der Vielzahl der Aufträge schnell den Überblick.

In einer auf Industrie 4.0 basierenden Produktion ist die starre ERP-Planung eher hinderlich. Die Planung und Steuerung der Fertigungsaufträge übernimmt im Netz der Dinge die MES-Software. »Das ERP teilt uns besser nur das herzustellende Produkt, die Menge und den Termin mit«, so Bernhard Rohe. »Die Realisierung übernimmt die Steuerung der intelligenten Fertigung im Netz der Dinge und nutzt dazu alle sich bietenden Möglichkeiten zur effektiven und effizienten Produktion.

Dennoch bleibt die führende Rolle der ERP-Systeme für die Lenkung der Finanzflüsse und Logistik erhalten. Hierzu bieten moderne ERP-Systeme schon heute Integrationsbausteine auf der Basis von WEB-Services, die gar nicht mehr als Schnittstelle bezeichnet werden können, sondern die Funktionen des ERP innerhalb der MES-Software bereitstellen. Diese Art der Integration bietet hohe Sicherheit in der bidirektionalen Kommunikation der Produktionsdaten.«

Industrie 4.0 verändert die Arbeitswelt

Mit den neuen Möglichkeiten der Planung und Steuerung verändert sich die Arbeitswelt in der Fertigungsorganisation. An die Stelle der Routinetätigkeit und Eingabe starrer Arbeitspläne tritt die Gestaltung von Prozessdesigns um dem Netz der Dinge die Möglichkeiten und Regeln zur Herstellung von Produkten aufzuzeigen, so dass es sich dynamisch der realen Welt der Fertigung angleichen und das Optimum der Produktivität erreichen kann.

Zukunftsorientierte Unternehmen starten Industrie 4.0

Die Weichen sind gestellt. An den technischen Möglichkeiten mangelt es nicht. Kommunikationskomponenten für aktuelle und ältere Maschinen sind vorhanden, Software für das Netz der Dinge steht zur Verfügung. Das Abbilden des Optimums von Fertigungsabläufen in einem Computersystem ist ebenso verfügbar, wie der permanente Abgleich mit der realen Produktion. Software kann bereits heute Maschinen, Werkzeugen, Material, Produkten, Lager- und Transportsystemen die erforderliche Intelligenz verleihen, sich selbst und den gesamten Fertigungsprozess zu optimieren. Sie schafft so die wichtigste Voraussetzung für neue, intelligente Steuerungsstrategien zur Nutzung der bereits in den Fertigungshallen vorhandenen Dynamik.

Jetzt sind die Unternehmen gefordert, Industrie 4.0 aktiv zu gestalten und Bits und Atome zusammenzuführen.

Erschienen in Ausgabe: 02/2015