Modulare Produktionslinie 1-3
Flexibles Transportsystem (FTS)
Versorgungsinfrastruktur
Der Mensch im Industrie 4.0-Umfeld
– IT Systeme
Clouds
Modulare Produktionslinie 1-3
1a. Lager
Das LAGER-MODUL von Pilz dient als intelligenter automatisierter Speicher für die Werkstückträger: Meldet der Zentralserver dem Modul einen neuen Auftrag und damit den Bedarf eines zusätzlichen Trägers, so bringt das Modul einen leeren Werkstückträger aus dem Speicher in Umlauf. Leere Werkstückträger oder halbfertige Produkte können im Speicher eingelagert werden.
1b. Bodengravur
Das Modul BODENGRAVUR von Festo initialisiert per RFID das digitale Produktgedächtnis mit einem Fertigungsauftrag. Der Fertigungsauftrag wird per http-Protokoll vom Web-Server des übergeordneten Enterprise Resource Planning-Systems (ERP) mittels eines eigens entwickelten Web-Clients geladen. Entsprechend dem Produktgedächtnis wird der Boden über eine CNC-Graviersteuerung individuell graviert.
1c. Feder-Montage
Im Produktionsschritt, den das FERTIGUNGS-MODUL der Firma Bosch Rexroth vollzieht, wird eine Halterungsfeder auf den Plastikboden aufgebracht.
1d. Deckelverprägung
Im Modul DECKELVERPRÄGUNG von Harting findet die zentrale Montage der zwei Gehäuseteile statt. Die Grundplatte mit montierter Halteklammer wird mit dem Deckel verpresst, nach Kundenwunsch in einer von zwei Farben. Das Harting-Modul setzt den Deckel per Roboter auf die Grundplatte auf und verprägt beide miteinander.
1e. Deckelgravur
Das Modul DECKELGRAVUR der Firma Phoenix Contact bringt per Laserbeschriftungssystem eine individuelle Gravur auf der Oberseite des Visitenkartenhalters an. Die Gravur zeigt die digitale Visitenkarte als QR-Code. Individuell können diese Daten auf Kundenwunsch noch bis zum Prozessschritt flexibel geändert werden.
1f. Wiegen
Das WÄGE-MODUL, das von der Firma Mettler Toledo bereitgestellt wird, ermittelt mittels einer Präzisionswaage das Gewicht jedes Produktes. Über einen Abgleich mit dem aktuellen Fertigungsstatus auf dem Produktgedächtnis erfolgt damit eine messtechnische Qualitätskontrolle über das Gewicht.
1g. Qualitätskontrolle
Das Modul QUALITÄTSKONTROLLE von Lapp Kabel übernimmt zwei Aufgaben: die Endkontrolle des Produktes mittels einer hochauflösenden Kamera sowie die Ausgabe des fertigen Visitenkartenhalters.
Flexibles Transportsystem (FTS)
Die ROBOTERPLATTFORM von Festo ist ein selbstnavigierendes Transportsystem, das den flexiblen Materialtransport zwischen den unterschiedlichen Produktionslinien und der manuellen Montagestation übernimmt. Zusätzlich wurde das Flexible Transportsystem (FTS) mit einer optischen Qualitätskontrolle von Huawei ausgestattet. Dank des Einsatzes von 5G-Mobilfunktechnologie können die Qualitätsdaten schnell, sicher und ortsunabhängig an die angeschlossene
Service Provider Cloud weitergesendet werden.
Versorgungsinfrastruktur
Damit herstellerübergreifende Produktionsmodule universell und mit minimalem Konfigurationsaufwand zu einem Produktionsprozess kombiniert werden können, ist eine leistungsfähige, flexible INFRASTRUKTUR notwendig.
Die Infrastruktur der Industrie 4.0-Produktionsanlage erhielt dieses Jahr ein neues sternförmiges Installationskonzept, das somit skalierbar ist. Die Infrastrukturknoten versorgen dabei unabhängige Produktionsinseln, die aus mehreren Modulen bestehen. In den Knoten steht nun Rechenleistung über Edge Computing für Industrial-Intel-ligence-Anwendungen zur Verfügung. Diese Lösung zeigt den nächsten Schritt in Richtung einer praktischen Einführung einer standardisierten Modulschnittstelle. So kann eine Produktionsanlage schnell und flexibel rekonfiguriert werden. Zusätzlich ermöglicht ein Tablet auf den Knoten eine prozessnahe Visualisierung der anfallenden Daten. Ein weiteres wesentliches Merkmal der neuen Infrastrukturknoten ist die Datenübertragung mittels der Echtzeit-Netzwerktechnologie TSN (Time-Sensitive Networking). Mit Hilfe von TSN werden Daten priorisiert. Durch dieses Prioritätsverfahren kann flexibel entschieden werden, welche Daten sofort verfügbar sein müssen und bei welchen eine Verzögerung akzeptabel ist. Durch TSN wird beispielsweise garantiert, dass sicherheitskritische Daten mit höchster Priorität versendet werden und selbst dann ankommen, wenn das Netzwerk stark belastet ist. So wird in einem überlasteten Netzwerk gewährleistet, dass ein Modul prozesssicher ist, also verbindlich weiterarbeitet.
Die Entwicklung der neuen Infrastrukturknoten erfolgte in Zusammenarbeit mit den Partnern B&R, Huawei, Phoenix Contact, Bosch Rexroth und Weidmüller.
Der Mensch im Industrie 4.0-Umfeld
Über die Roboterplattform ist gleichzeitig eine MANUELLE MONTAGESTATION an den Prozess angebunden, die von der Firma MiniTec realisiert wurde.
Der ergonomisch perfekt angepasste Arbeitsplatz bietet die Möglichkeit, den Werker bei Montagetätigkeiten mittels Internet und Kommunikationstechnologien zu unterstützen. Augmented Reality-Technologien, entwickelt von der SmartFactoryKL, werden bereitgestellt, um einzelne Prozessschritte oder den gesamten Produktionsprozess manuell durchzuführen. Augmented Reality – also die Überlagerung von Echtzeitbildern mit Handlungsempfehlungen – bietet zahlreiche Vorteile, u.a. bei Schulungsprozessen und manuellen Montageaufgaben. Über ein eingebautes RFID-Schreib-/Lesegerät kann der Werker den aktuellen Produktionsfortschritt des Produktes sowie die kundenindividuellen Informationen auslesen. Augmented Reality-Technologien helfen ihm bei der Durchführung variabler Aufgaben.
KÜNSTLICHE INTELLIGENZ (KI) ist ein wichtiger Partner des Menschen in der Produktion der Zukunft. Sie hilft dabei, zunehmend größere Datenmengen, wie sie in modernen Produktionsanlagen anfallen, schnell und zuverlässigauszuwerten und dem Beschäftigten die Ergebnisse kontextgebunden und gefiltert anzubieten.
In der SmartFactoryKL -Produktionsanlage wird der Einsatz von KI im Industrie 4.0-Umfeld in mehreren Anwendungsszenarien gezeigt:
An einem Modul der Industrie 4.0-Produktionsanlage der SmartFactoryKL wird im laufenden Betrieb zu Demonstrationszwecken eine Fehlfunktion in Form einer ungewöhnlichen Vibration erzeugt. Ein Edge Device erfasst die Vibration und übermittelt die Werte an die Cloud. Dort werden die Signale mit Hilfe von KI-Algorithmen ausgewertet und somit die Anomalie erkannt. Eine weitere Fehlfunktion wird durch ein Schleifgeräusch simuliert. Die Geräuschumgebung innerhalb der Produktionsmodule wird permanent akustisch aufgezeichnet und durch KI-Algorithmen analysiert. Die KI ist in der Lage, das Geräusch als ungewöhnlich einzustufen und somit die Anomalie zu erkennen.
Eine dritte Anwendung basiert auf den Kameras, die in den Modulen angebracht sind, um den Produktionsfluss zu filmen. Auch hier fallen große Datenmengen an, die nur durch KI sinnvoll auszuwerten sind. Diese Aufgabe übernimmt ein intelligenter Computer Vision-Service, der die Werkstücke inklusive ihres Bearbeitungszustandes erkennt und analysiert. Mit Hilfe dieser Daten stellt der KI-Algorithmus der Computer Vision fest, ob die Bearbeitungsprozesse fehlerfrei durchgeführt wurden. Um den Lernprozess der KI zu verdeutlichen, kommen unterschiedlich gut trainierte Modelle des Algorithmus zur Anwendung. Ein zentrales Werkzeug zur Umsetzung der mittels KI gewonnen Erkenntnisse ist AUGMENTED REALITY (AR,erweiterte Realität).
Integrierte IT-Systeme der Industrie 4.0-Produktionsanlage
5. Enterprise Ressource Planning System (ERP)
Das integrierte ERP-SYSTEM der Firma proALPHA steuert die Prozesse im Industrie 4.0-Demonstrator und hält sie transparent. Die Software ist in der Lage, eine Integration zwischen den Ebenen der klassischen Automatisierungspyramide zu schaffen und eine Oberfläche für den Kunden bereit zu stellen. Der Produktkonfigurator ermöglicht in Verbindung mit einem Webservice die intuitive und ortsunabhängige Bestellung im Browser durch den Kunden bei der Anlage bis zu Losgröße 1. Rückmeldungen von der Anlage sind in Echtzeit im Produktionsauftrag sichtbar und der Kunde erhält einen aktuellen Status über den Produktionsfortschritt. Darüber hinaus ist das ERP-System in der Lage, automatisiert Serviceaufträge zu erzeugen, die durch eine KI-basierte Anomalieerkennung (AnomalyDetection) ausgelöst werden. Serviceauftrag und weiterführende Informationen zur Wartung werden dann beispielsweise über ein Tablet an einen Werker weitergegeben. Auch entsprechende Rückmeldungen des Werkers werden im System erfasst und hinterlegt.
6. Engineering
EPLAN Software & Service übernimmt im Industrie 4.0-Demonstrator das Engineering. Die Automatisierungstechnik der einzelnen Fertigungsmodule muss interdisziplinär behandelt werden, da dies für Aufbau, Effizienz und Betriebssicherheit Cyber-Physischer Systeme (CPS) zwingend notwendig ist. Die dokumentierte Steuerungstechnik wird in der gesamten Supply Chain und über den kompletten Produktlebenszyklus hinweg als durchgängige, konsistente Datenbasis genutzt. Ziel ist es, Erkenntnisse aus der gesamten Supply Chain bereits in der Engineering-Phase bzw. im PLM-Prozess (Product-Lifecycle-Management) zu berücksichtigen. Die generierte Dokumentation eignet sich beispielsweise für professionalisierte Maintenance-Szenarien oder die Optimierung der Energiebilanz.
7. Data Analytics
Data Analytics von KIST sammelt die Daten der Anlage, die vom Integration Layer zur Verfügung gestellt werden. Daraus entstehen historische Datenmodelle, aus denen sich analytische Erkenntnisse ableiten lassen, beispielsweise über das Verhalten eines Moduls vor wiederkehrenden Wartungsfällen. Durch den Abgleich der historischen Prozess- oder Sensordaten mit Live-Daten aus der Anlage lassen sich Engpässe, Ausschuss, Nacharbeit und Ausfallzeiten frühzeitig vermeiden. Die im Laufe der Zeit zunehmende Menge an Daten und Erkenntnissen lässt die Aussagen immer präziser werden, wodurch der Prozessablauf stetig optimiert werden kann.
8. Modulare Zertifizierung / Safety
Das Zertifizierungskonzept von TÜV Süd widmet sich der Problemstellung der Zertifizierung einer modularen und sich daher ständig ändernden Fertigungslinie. Exemplarisch wird die Zertifizierung am flexiblen Transportsystem gezeigt: Sobald sich das Transportsystem an eine der Produktionslinien andockt, wird es dieser Maschinengruppe zugeordnet. Ein Nothalt an einem Teil der Fertigungsmodule löst nur dann auch einen Nothalt am Transportsystem aus, wenn es sich in diesem Verbund befindet. Neben dem geringen Aufwand bei der Anbindung neuer Module ist durch dieses Safety-Konzept auch gewährleistet, dass nur relevante Anlagenabschnitte bei sicherheitsbedingten Stillständen gestoppt werden. Somit können nicht betroffene Fertigungslinien weiter produzieren, ohne dass dabei die Betriebssicherheit gefährdet wird.
9. Integration Layer
Der INTEGRATION LAYER der SmartFactoryKL ist mit Hilfe von IBMs Watson IoT-Plattform aufgebaut. Die Plattform bildet die zentrale Schnittstelle zwischen OT (Operationstechnologie) und IT (Informationstechnologie) und fungiert als übergreifende Instanz zur Anbindung der Hersteller-Clouds. Im Sinne der vertikalen Integration aller Produktionsprozesse nimmt der Integration Layer die Aufgaben eines Übersetzers ein; gleichzeitig übt er die Datenhoheit im Shopfloor aus: Er erfasst Inhalte, Protokolle und Datenformate aus der Anlage, beispielsweise Zustandsdaten aus den Modulen und Edge Devices, und leitet diese kontrolliert an die zugehörige Cloud weiter. Darüber hinaus werden diverse analytische, kognitive und DevOps-Services aus der Watson IoT-Plattform verwendet. Aspekte wie operationale Exzellenz, vorausschauende Instandhaltung und Qualitätssicherung in einem Multi-Cloud-Szenario können dadurch im Sinne der horizontalen Integration abgebildet werden. Es wird somit möglich, das Produkt, alle Module und sogar Entscheidungen aus den IT-Systemen für den Werker in Echtzeit abzubilden (Digital Twin).
Clouds
In der SmartFactoryKL-Produktionsanlage kommen verschiedene Cloudlösungen zum Einsatz:
Die HERSTELLER-CLOUDS von Phoenix Contact und METTLER TOLEDO sind an die zugehörigen Edge Devices angebunden. In der Cloud-Lösung von IBM erfolgt das Training der KI-Systeme. Die SmartFactory KL -CLOUD führt als übergeordnete Cloud-Plattform die Daten dieser Hersteller-Clouds zusammen, prüft sie und verteilt sie zielgerichtet weiter – beispielsweise an eine smarte Datenbrille.
Die SERVICE PROVIDER CLOUD ist per 5G-Technologie direkt an das flexible Transportsystem angebunden. Sie führt mit den Daten aus der optischen Erfassung des Werkstücks eine Qualitätskontrolle durch. Ein möglicherweise fehlerhaftes Produkt kann so bereits frühzeitig erkannt und aus der Produktion entnommen werden.