Anwendungsfelder

Anwendungsfelder in der Phase I

Der Aufbau der Pilotfabrik Industrie 4.0 erfolgt in einem Stufenplan, d.h. durch einen schrittweisen Aufbau von Anwendungsfeldern im Sinne von Applikations-Szenarien in der Pilotfabrik, mit denen bestimmte Inhalte (Forschung, Schulung, Know-How-Transfer, Demonstration) abgebildet werden können. Diese Anwendungsfelder bestimmen die Investitionsbedarfe und auch die notwendigen Personal-Ressourcen. Die nachfolgend aufgeführten Anwendungsfelder beschreiben die Inhalte in der Phase I bzw. Initialphase. Diese leiten sich inhaltlich von Gesprächen mit Industriepartnern, die im Vorfeld geführt wurden bzw. den hier adressierten Bedarfen her. Die weitere Entwicklung der Pilotfabrik Industrie 4.0 in nachgelagerten weiteren Phasen kann zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht benannt werden, sondern wird sich anhand erster Kooperationen in der Pilotfabrik Industrie 4.0 ergeben bzw. anhand dieser konzeptioniert werden.

Anwendungsfeld A: Rekonfigurierbares, adaptives Produktionssystem/Fertigungszelle inklusive Werkzeug- und Werkstückhandhabung

Ausgangssituation:

Die produzierenden Unternehmen in Österreich stehen vor einem Wandel. Im globalen Wettbewerb holen Anbieter aus Niedriglohnländern sukzessive auf und bieten zunehmend konkurrenzfähige Produkte an. Sowohl Konsumprodukte als auch Investitionsgüter werden deshalb immer stärker nach Kundenwünschen gestaltet und unterliegen daher unvorhersehbaren Bedarfsschwankungen (High Mix – Low Volume). Das führt dazu, dass Produktions- und Logistikprozesse umfassend dynamisch reagieren müssen.

Mit dem heutigen Status quo in der Fertigung mit zentral gesteuerten Prozessen ist dies kaum möglich. Umsetzbar werden die kommenden Anforderungen nur mit neuartigen Produktionssystemen, sogenannten Cyber-Physical Production Systems (CPPPS), die mittels Cyber-Physischer Systeme (CPS) gesteuert werden. Diese verfügen über unterschiedliche Sensoren zur Wahrnehmung ihrer Umwelt und über Aktoren, mit denen sich Produkte, Maschinen und Anlagen selbst optimieren und an sich ändernde Aufträge und Betriebsbedingungen anpassen.

Zielsetzung:

Mit diesem Anwendungsfeld sollen für die subtraktive (CNC spanend), sowie additive Technologien (Auftragsschweißen und FDM 3D-Druck), aufgezeigt werden, wie die komplette Auftragssteuerung softwaretechnisch über alle Ebenen hinweg implementiert wird. Änderungen im Auftrag führen zu (Re-)Konfiguration / Adaption der Fertigungseinrichtungen. Um diese Vision zu verwirklichen, werden folgende Entwicklungsziele angestrebt:

  • Schaffung von Cyber-Physical Production Systems (CPPS) durch den Einsatz von CPS.
  • Vollständige Virtualisierung der Fertigung
    • Simulation des Fertigungsprozesses
    • Virtuelle Inbetriebnahme
  • Entwicklung von Self-X Funktionalitäten für Fertigungszellen
  • Durchgängige einheitliche Vernetzung von der Sensorebene bis zur MES Ebene
  • Entwicklung einer flexiblen Steuerungsarchitektur zur Orchestrierung von Fertigungszellen
  • Einsatz von „Smart Assets“ in der Fertigung

Umsetzung:

Für die Demonstration der Ziele sollen State-of-the-Art Fertigungszellen aufgebaut werden und schrittweise in Cyber-Physical Production Systems umgebaut werden.

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Mit Hilfe von OPC Unified Architecture soll eine einheitliche Kommunikation und Beschreibung der vorhandenen Entitäten in der Fertigung realisiert werden. OPC UA ist ein Kommunikations- und Datenmodellierung Standard für den Austausch von Informationen in der industriellen Automatisierung über IP-Netzwerke. Durch die so genannten semantischen Schnittstellen auf Basis von in den jeweiligen Komponenten integrierten OPC UA-Servern werden alle notwendigen Informationen und Operationen durch die Komponenten der Fertigungszellen (z.B. Ladetüren, Spannfutter, Werkzeuge, NC-Programme) übergeordneten Systemen zur Verfügung gestellt. Dies wird in einer vereinheitlichen und abstrahierten Art und Weise modellbasiert erreicht, wodurch das neue Interface-Konzept zu einer Änderung des (Re-)Konfiguration Workflows führt, nämlich Parametrierung anstelle der Programmierung.

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Unterstützt wird die (Re-)Konfiguration der Fertigung durch die vollständige virtuelle Abbildung der Fertigung in geeigneten Softwaresystemen. Fertigungsstationen, Werkstücke oder Werkstückträger und Transporteinheiten können alle virtuell repräsentiert werden. Fertigungsstationen besitzen Wissen über die Verarbeitungsvorgänge, Kapazitäten und Auslastung einer lokalen Station und sind in der Lage, diese autonom zu kontrollieren und zu überwachen. Werkstücke und Vorrichtungen („Smart Assets“) besitzen Kenntnisse über notwendige Verarbeitungsschritte für das Werkstück im Rahmen des Herstellungsprozesses und deren mögliche Fertigungssequenzen.

Ergänzend soll eine flexible Steuerungsarchitektur für Entitäten einer Fertigung (Maschinen, Roboter, Werkstückträger, Transportsystem,…) entwickelt werden. Dabei werden unterschiedliche Ansätze (Serviants, Agenten, SOA,…) untersucht, und sollen eine dezentrale Lösung für die Produktionsprozessplanung (Sequenzplanung) und die Steuerung der Ausführung bieten.

Anwendungsfeld B: Cyber-Physische Montagesysteme

Ausgangssituation:

In zukünftigen Arbeitssystemen wird die Gestaltung der Zusammenarbeit zwischen Menschen und Maschinen zunehmende Bedeutung und Komplexität erlangen. Dies resultiert aus der Tatsache, dass Maschinen in zunehmendem Maße mit Intelligenz – also der Fähigkeit ihre Umgebung (auch den Menschen) wahrzunehmen, zu lernen und Entscheidungen zu treffen – ausgestattet sind. Maschinen und ihre verschiedenen Ausprägungen, z.B. Roboter, werden somit aktiver Bestandteil des Arbeitssystems. Die Beziehung zwischen Mensch und Maschine wird von einer unidirektionalen Beziehung, wo der Mensch als „Maschinenbediener und -führer“ agiert, um eine bidirektionale Beziehung ergänzt, wo die Maschine zumindest in Teilbereichen mit dem Menschen kommuniziert, den Menschen führt, und aktiv unterstützt.

Montagesysteme sind im Produktionssystem besonders durch einen hohen Anteil an menschlicher Arbeit geprägt. Die effektive und effiziente Gestaltung Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine ist hier eine besondere Herausforderung und Chance. Die Vernetzung von Mensch, Maschine mit anderen Betriebsmitteln und Systemen ermöglicht die konsequente Nutzung von Daten zur Optimierung des Gesamtsystems Montage in Hinblick auf Flexibilität, Qualität, Sicherheit, Kosten. Die enge Zusammenarbeit zwischen Maschinen und Menschen stellt Herausforderungen an die Planung und Gestaltung derartiger Arbeitssysteme. Insbesondere sind dies folgende Herausforderungen und Problembereiche:

  • Planung, Engineering von kollaborativen Mensch-Maschine Arbeitssystemen im Hinblick auf den optimalen Arbeits-, Material- und Informationsfluss
  • Ergonomische und sichere Gestaltung von kollaborativen Mensch-Maschine Arbeitssystemen
  • Ökonomische Optimierung von kollaborativen Mensch-Maschine Arbeitssystemen
  • IT-Integration des Montagesystems in das Produktionsplanungs- und Steuerungssystem

Zielsetzung:

  • Aufbau und Betrieb einer beispielhaften Cyber-physischen Montagelinie
  • Demonstration von verschieden Szenarien der Mensch-Maschine/Roboter Zusammenarbeit in der Montage
  • Demonstration von verschiedenen Konzepten der visuellen, adaptiven und auf Echtzeitdaten basierenden Werkerführung (Assistenzsysteme) in der Montage
  • Demonstration von Virtual Reality/Augmented Reality Konzepten in der Montageplanung
  • Demonstration der konsequenten echtzeitdatengetriebenen Planung und Steuerung von Montageprozessen

Umsetzung:

Das Montagesystem wird als cyber-physisches System konzipiert. Die Montage des variantenreichen Produkts mit Losgröße 1 erfolgt entlang mehrerer verbundener Montagestationen innerhalb einer Montagelinie. Die Montagestation wird nach ergonomischen und insbesondere nach alters- und alternsgerechten Erfordernissen konzipiert. Dadurch werden leistungsmindernde und gesundheitsschädliche Einflüsse auf den Menschen auf ein Mindestmaß reduziert. Der Monteur wird bei der Bewältigung komplexer Arbeitsinhalte durch visuelle und adaptive Werkerführungs- und -assistenzsysteme (u.a. auch über Virtual/Augmented Reality mittels „Wearable Devices“ – direkt im Blickfeld, „Hands-free“) durchgehend unterstützt. In Hinblick auf die aus der Arbeitsaufgabe hervorgehenden physischen, kognitiven und psychischen Beanspruchungen unterstützt ein kollaborationsfähiger Mensch-Roboter den Menschen. Über dieses sensitive und kollaborative Roboterassistenzsystem erfolgt eine kontextabhängige und situative Unterstützung der Mitarbeiter. Hierdurch wird eine ergonomische, alternsgerechte und produktive Arbeitsausführung gewährleistet.

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Abbildung 1: Montagesystem

Das Werkstück selbst wird auf fahrerlosen Transportsystemen mit intelligenten Werkstückträgern montiert. Die Fahrerlosen Transportsysteme werden über Indoor-Ortungssystem bedarfsorientiert gesteuert. Über diesen Aspekt erhält die Montagezelle konfigurierbar das Werkstück. Intelligente Schraubsysteme können sich basierend auf Echtzeitinformationen auf das benötige Drehmoment autonom einstellen. Rüstvorgänge lassen sich auf diese Weise so gering wie möglich halten.

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Abbildung 2: Montagesystem mit Mensch-Roboter-Kooperation

Anwendungsfeld C: Adaptive Logistiksysteme

Ausgangssituation:

In der Fabrik der Zukunft finden auch weiterhin physische Materialströme zwischen den Fertigungs- und Montagestationen statt. Die Materialströme müssen vor dem Hintergrund einer weitgehend auf den Kundenauftrag ausgerichteten Produktion (Losgröße 1) ständig auf Änderungen im Produktionsprozess angepasst werden. Über den gesamten Materialfluss vom Wareneingang bis zum Warenausgang ergeben sich dabei unterschiedliche Anforderungen an die Transport-, Lager—und Kommissioniersysteme.

Transport- und Lagersysteme müssen in der Lage sein, sich kurzfristig, aufwandsarm und kostengünstig an sich ändernde Rahmenbedingungen anzupassen. Im Hinblick auf sich ändernde Anforderungen an Produktion bzw. Montage durch einen starken Trend in Richtung „Losgröße 1“ ändern sich auch für die Mitarbeiter im Lager bzw. in der Kommissionierung die Voraussetzungen sehr stark.

Zielsetzung:

  • Demonstration von intelligenten Lagersystemen, inkl. intelligenter Lagerbewirtschaftungssysteme durch den Einsatz intelligenter Leitsoftware
  • Demonstration innovativer Kommissioniertechnologien unter Verwendung von Augmented Reality zur Veranschaulichung der Interaktion von Mensch und Maschine sowie der Vorteile gegenüber konventionellen (belegbasierten) Kommissioniermethoden. Dadurch sollen Qualitäts- bzw. Effizienzsteigerungen sowie Erleichterungen für den Mitarbeiter im Arbeitsalltag illustriert werden.
  • Demonstration von intelligenten Transporteinheiten bzw. Materialbehältern, um die Steuerung der Intralogistik von eben diesen ausgehen zu lassen. Dies soll mittels Identifizierungslösungen und Echtzeitrückmeldungen mittels laufender Bestandserfassung (bspw. über optische Verfahren) gezeigt werden. Lösungen zur genauen Positionsbestimmung von Materialbeständen über spezielle Apps sollen dieses Szenario stützen.
  • Demonstration von autonomen und fahrerlosen frei navigierenden Transportsystemen, die sich an geänderte physische Rahmenbedingungen (z.B. Hindernisse) und geänderte Prozesse anpassen

Umsetzung:

Die oben beschriebenen Zielsetzungen werden durch den Aufbau eines adaptiven Logistiksystems realisiert. Um die Schnittstelle der Fertigungs- und Montagebereiche zur Intralogistik zu gewährleisten, ist in Bezug auf die Materialversorgung ein intelligent gesteuertes, spurengebundenes fahrerloses Transportsystem sowie automatisierte Übergabesysteme und Entladungsvorrichtungen vorgesehen. Ein intelligentes Lager-/Behältermanagement kontrolliert in den Produktionsbereichen bzw. im Logistiklager über eingebaute Sensoriken bzw. Kameras in Echtzeit den aktuellen Füllstand von Behältern und leitet mittels permanenter Datenübertragung Nachbestellungen aus. Unnötige Logistiktätigkeiten werden auf diese Weise ausgeschlossen und die kapitalbindenden Bestände niedrig gehalten. Damit Kommissionierfehler reduziert werden und die Mensch-Maschine-Interaktion dem Mitarbeiter eine erhöhte Kommissionierqualität ermöglicht, wird im Lager das innovative Konzept Pick-by-Vision unter Einsatz von Augmented Reality eingesetzt. Die Informationsaufnahme des Mitarbeiters erfolgt hier direkt „hands-free“ situationsangepasst über das Auge, was eine effiziente Informationserfassung erlaubt. Weitere aktuell existierende Lösungen wie Pick-by-Scan, Pick-by-Light bzw. Pick-by-Voice, unterstützten durch ein intelligentes Warehouse Management System, und einhergehende entstehende Effizienzsteigerungen bzw. Qualitätsverbesserungen den Kommissionierprozess.

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Abbildung 3: Schematische Darstellung des Anwendungsfelds in Anlehnung an Fraunhofer Austria, 2014

Anwendungsfeld D: IT Integration und Digitaler Zwilling

Ausgangssituation:

Die Ausgangssituation besteht darin, dass in der Pilotfabrik eine Reihe von Fertigungseinrichtungen, Logistik-Komponenten und  Montagesystemen zur Verfügung stehen, die für sich genommen alleinstehend eine bestimmte Funktionalität im Produktionssystem abdecken bzw. unterstützen. Diese sind zunächst nicht vernetzt bzw. auf der IT- und Automatisierungsebene integriert. Darüber hinaus ist im industriellen Umfeld oft es ein digitales „Gap“ bzw. eine Virtualisierungsslücke zwischen Produktentwicklung, Arbeitsvorbereitung und Produktion vorhanden ist, d.h. die Durchgängigkeit der Datenverarbeitung ist nicht in dem Ausmaß realisiert, wie es als Voraussetzung für Industrie 4.0 gegeben ist. Dies liegt in erster Linie an fehlender Standardisierung bzw. unterschiedlicher Semantik der beteiligten Software Systeme und funktionalen Engpässen insbesondere bei der Verwendung vn Software unterschiedlicher Hersteller. Ebenso ist das „operative Verhalten“ im Betrieb des Produktionssystems oft nicht 1:1 in Form einer digitalen Repräsentation verfügbar. „As-Planned“ und „As-Built Status“ von Produkt und Produktionssystemen sind durch Modelle gut abgedeckt, beide Welten sind jedoch nur mangelhaft integriert, und die Betriebsphase mit den ständigen Änderungen ist nicht abgebildet.

Zielsetzung:

Ziel des Anwendungsfelds D ist zunächst einmal die Erarbeitung und Umsetzung der IT Gesamtarchitektur aus dem Konzept für das Gesamtsystem Pilotfabrik und insbesondere unter Berücksichtigung aller Anwendungsfelder bzw. Demonstrations­szenarien. Zum Einsatz kommen neben CAx Tools für diverse Engineering Aufgaben PLM für das Produktdaten und -lebenszyklusmanagement, ERP insbesondere für Auftragsabwicklung, Materialwirtschaft sowie Produktionsplanung und –steuerung, MES für die Produktionsfeinplanung und Operations inklusive der Datenrückmeldung über BDE/MDE. Daraus ergeben sich sowohl Datenmodellerfordernisse und Schnittstellen­definition zwischen den Anwendungssoftware­systemen CAx-PLM, PLM-ERP, ERP-MES, MES-BDE/MDE inklusive des erforderlichen Customizing der Software-Anwendungen für durchgängige Prozessketten. In der Pilotfabrik soll eine durchgängige Repräsentation des realen Produktionssystems in der virtuellen Welt umgesetzt werden, um Änderungen und Anpassungen testen (Simulation, Optimierung) und Daten in die Produkt- und Systementwicklung zurückführen zu können.

Umsetzung:

Nach Implementierung der einzelnen Software-Systeme erfolgt die schrittweise Integration in folgenden Stufen:

  • Realisierung der durchgehenden Prozesskette von PLM über ERP und MES bis hin zur Maschine für das Beispielprodukt 3D-Drucker
  • Modellierung des Gesamtsystems Pilotfabrik bestehend aus Produkt und Produktionssystemkomponenten als „Digital Twin“
  • Erarbeitung und Umsetzung eines Konzepts zur Informationsversorgung für Assistenzsysteme und Werkerführung
  • Erarbeitung und Umsetzung von Methoden zur Rückführung von Echtzeitdaten aus der Produktion für Produktionsprozessoptimierung und Data Analytics Funktionen

Nachfolgend sind die wesentlichen softwaretechnischen Komponenten dargestellt, um die benötigte Informationsversorgung bzw. softwaretechnische Steuerung der Pilotfabrik  zu gewährleisten.

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