Digitale Fabrik

Datenmanagement in der Produktionsanlage von morgen

Eines der wichtigsten Themen dieses Jahr beim VDI ist Industrie 4.0. Hier erklären wir die wichtigsten Dinge, vom Nutzen über die Fabrikplanung bis zur Umsetzung.

Bild: Alessia Pierdomenico / Shutterstock.comRichtlinie-VDI-4499-Digitale-Fabrik-T2_702x363

Industrie 4.0 dominiert in den letzten Jahren fast alle Messen für Montage und Fertigung, Steuerungs- und Regelungstechnik, Mess-, Antriebs- und Verbindungstechnik, Automatisierung, Logistik und Instandhaltung. Was hat es damit auf sich, dass so viele unterschiedliche Industriezweige gemeinsam revolutioniert werden? Da fallen Begriffe wie Internet der Dinge, cyber-physische Systeme, Smart Services oder Digitale Transformation. Alle Welt spricht von Vernetzung, Safety & Security und Dezentralisierung. Und natürlich von der Produktivitätssteigerung durch Prozessoptimierung. Wie muss ich mir die „Fabrik der Zukunft“ vorstellen und vor allem, merke ich als Verbraucher etwas davon?

Industrie 4.0 im Alltag
Stellen Sie sich vor, Sie gehen in ein Möbelhaus und wollen dort Ihre neue Küche planen. Ausgestattet mit den exakten Abmessungen und jeder Menge Vorstellungen im Kopf, sitzen Sie dem Profi-Planer gegenüber und entwerfen mit ihm gemeinsam am Computer Ihre Wunschküche. Am Ende nennt er Ihnen den Preis und eine Lieferzeit von etwa zwölf bis 16 Wochen. In der 15ten Woche werden Sie schon etwas nervös und bei einer Nachfrage in der 16ten Woche informiert man Sie über Produktions- und Lieferschwierigkeiten. Ihnen ist es egal, ob nun ein Ausfall der Produktionsanlage daran schuld ist oder die benötigten Materialien dafür nicht rechtzeitig beim Hersteller eintrafen – Sie sind stinksauer.
Und nun stellen Sie sich dieses Szenario vor: Sie gehen in ein Möbelhaus und wollen dort Ihre neue Küche planen. Ausgestattet mit den exakten Abmessungen und jeder Menge Vorstellungen im Kopf, sitzen Sie dem Profi-Planer gegenüber und entwerfen mit ihm gemeinsam am Computer Ihre Wunschküche. Am Ende nennt er Ihnen den Preis und den exakten Liefertermin, der in dem gewünschten Fenster von vier bis sechs Wochen liegt. Auf den Tag genau klingelt es an Ihrer Tür, vor der ein Lkw mit Ihrer Küche steht – Sie sind glücklich. Der Mitarbeiter des Möbelhauses ist kein Hellseher, weiß aber bereits bei der Planung ganz genau, wann die Küchenmöbel in welchem Werk gefertigt werden, zu welchem Zeitpunkt die Materialien in der Fabrik eintreffen und auch wer diese liefert – und hat in diesem Moment schon den Termin mit dem Logistikunternehmen vereinbart. Und das sind – einfach erklärt – Ziel und Nutzen von Industrie 4.0.

Daten fließen überall hin
In der digitalen Fabrik sind alle Anlagen und Systeme miteinander vernetzt. Selbst die Bauteile besitzen Intelligenz und können der Bearbeitungsmaschine „sagen“, was und mit welchem Werkzeug mit ihnen geschehen soll. Schon bevor das Bauteil zu der Maschine kommt, kann sich diese darauf „einstellen“ oder den Bearbeitungsauftrag an eine andere Maschine selbstständig weiterleiten. Dieser Datenaustausch erstreckt sich nicht nur über das gesamte Werk inklusive Lagerhaltung, sondern über Logistik und Zulieferer bis hin zur sogenannten Shopfloor-Ebene – und das Ganze über den Produktlebenszyklus hinaus. Und genau deshalb kann der Küchenplaner aus dem obigen Beispiel das genaue Lieferdatum schon angeben. Mit der Auftragserteilung löst er einen unglaublichen Datenaustausch aus! Da antwortet das Lager bereits, dass manches nicht vorrätig ist und gibt diese Information gleich an das System des Lieferanten A weiter. Dieses weiß wiederum, dass das Material erst in zehn Wochen kommt, bei Lieferant B aber momentan vorrätig ist. Daraufhin verlässt die Ware umgehend das Lager von Lieferant B, wird aber nicht wie gewohnt zu Werk A transportiert, weil dieses bis auf Weiteres ausgelastet ist, wie es selbst mitteilt, sondern gelangt direkt zu Werk B, da dieses noch Kapazitäten frei hat. Allerdings kann dort nicht jeder Prozess abgearbeitet werden, was auch Werk C weiß und sich daraufhin die entsprechenden Komponenten zur Bearbeitung liefern lässt. Und weil die Maschinen und Anlagen in Werk C auch wissen, welche Arbeit auf sie zukommt, geben sie zur Sicherheit vorher noch die Information weiter, dass man sie vor Produktionsstart doch bitte nochmal warten möge, da die voraussichtliche Instandhaltungsphase genau in die Produktionsphase fällt und sich die Fertigung damit verzögern würde. Und so geht der Datenaustausch immer weiter.
Damit wird klar, warum so viele Industriezweige in diesen Wandel involviert sind. Und auch, warum eine Anlage nicht mehr zentral gesteuert werden kann. Überall muss selbstständig und bedarfsgerecht geregelt und natürlich auch gemessen werden. Und daraus ergibt sich unter anderem auch die Energieeffizienz eines Systems. Denn wenn zum Beispiel ein Greifersystem weiß, wie viel Kraft es braucht, um das nächste Bauteil vom Fließband zu heben, kann es die Parameter daraufhin optimieren und verschwendet dafür nicht ein Übermaß an Energie.
Wie aber lässt sich Industrie 4.0 in die Praxis umsetzen? Die Ausstattung der Geräte, Steuerungen, Maschinen und Anlagen mit sämtlichen Datenschnittstellen allein ist nicht die Zauberformel für den herstellerübergreifenden Datenaustausch. Neben Standards – die zum Teil noch definiert werden müssen – braucht es definierte und strukturierte Prozesse, um die Digitale Fabrik in die Realität umzusetzen. Die Grundlagen hierfür beinhaltet Blatt 1 der Richtlinienreihe VDI 4499.

Grundlagen der Digitalen Fabrik
Die Gliederung der Richtlinie orientiert sich dabei an folgender Definition: Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen – unter anderem der Simulation und der dreidimensionalenVisualisierung –, die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden. Ihr Ziel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen. Zu Beginn beschreibt die Richtlinie die Anwendungsgebiete der Digitalen Fabrik, aus denen sich Ziele und Zielgruppen ableiten lassen. Die Digitale Fabrik soll diese Anwendungsgebiete möglichst durchgängig unterstützen, um die Produktionsplanung zu beschleunigen und zu verbessern. Hierfür werden sowohl Lebenszyklusphasen, Planungsphasen, Planungsfälle und Planungs-/Betrachtungsgegenstände sowie die Ziele, zu denen Wirtschaftlichkeit, Qualität, Kommunikation, Standardisierung sowie Wissenserwerb und -erhalt zählen, genau erläutert. Um die dargestellten Zielvorgaben zu erreichen, wird im darauf folgenden Abschnitt die Auswahl von geeigneten Modellen, Methoden sowie deren Bezug zur Werkzeuglandschaft der Digitalen Fabrik erleichtert. Dafür ist es notwendig, das Hauptanwendungsgebiet in Anlehnung an das Leitbild der Digitalen Fabrik genauer zu betrachten, um die betroffenen Produkt- und Produktionsentstehungsprozesse zu strukturieren, zu spezifizieren sowie einzelne Planungsaufgaben einer detaillierten Betrachtung zu unterziehen. Auch dies ist in der Richtlinie enthalten.
Um eine Fabrik effizient mit allen Partnerfirmen digital entwickeln und gestalten zu können, sind die Partner auch in die Nutzung der Planungswerkzeuge zu integrieren. Die Effizienz der Digitalen Fabrik wird maßgeblich durch die Integrationsfähigkeit der Unternehmenspartner geprägt und kann bei mangelnder Ausprägung zur Gefährdung des Lieferantenstatus beim OES führen. Ein eigener Abschnitt in der Richtlinie soll Hilfestellung geben, den Einführungsprozess möglichst effektiv zu gestalten, den Umfang des Werkzeugeinsatzes zu definieren und ferner auch organisatorische Auswirkungen zu beleuchten, um so zu einer Erhöhung der Planungsqualität zu kommen. Dabei wird grundsätzlich in drei verschiedene Einführungsphasen unterschieden: die Vorbereitung, die Konzepterstellung und schließlich die Umsetzung.
Das Kapitel über Systemarchitektur und Datenmanagement ist in der Richtlinie VDI 4499 Blatt 1 zwar sehr umfangreich ausgeführt, dennoch kann damit nur ein grober Überblick gegeben werden. Ein detailliertes Vorgehensmodell zum Software-Engineering-Prozess für die Digitale Fabrik, die Bandbreite der technischen Gestaltungsmöglichkeiten sowie Lösungen zur Skalierung der Digitalen Fabrik werden in einem anderen, in Vorbereitung befindlichen Blatt dieser Richtlinienreihe behandelt. Den Digitalen Fabrikbetrieb in den Lebenszyklusphasen der Fabrik vertieft Blatzt 2. Hier finden Interessierte genauere Informationen zur Montage- und Fertigungsprozessplanung, zur Planung der Fertigungsanlagen, dem Anlaufmanagement, der Serienproduktion und der Rückführung von Informationen aus der Serienproduktion in die Planung. Beispiele, darunter zum digitalen Betrieb von Werkzeugmaschinen, veranschaulichen die jeweiligen Anwendungsgebiete.

Und weil auch der Mensch in der Digitalen Fabrik eine entscheidende Rolle spielt (vergleiche auch unsere Blogbeiträge zum Thema „Welche Qualifikationen brauchen Ingenieure künftig“ und „Industrie 4.0 schafft neue Jobs und Arbeitsprofile“) widmet sich Blatt 4 den Aspekten ergonomischer Analysen, zum Beispiel dem Mensch- oder Arbeitsplatzmodell, der Statik oder den Kollisionen.

Iris_LindnerAutorin: Iris Lindner
Die Diplom-Ingenieurin (FH) ist für uns in Sachen Berichterstattung rund um die VDI-Richtlinien in den sozialen Netzwerken unterwegs.

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