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11.04.2018 | Fabrikplanung | Im Fokus | Onlineartikel

Die Fabrik, die sich selbst konfiguriert

Autor:
Dieter Beste

In zunehmend globalisierten Märkten muss die produzierende Industrie 4.0 schnell auf Nachfrageänderungen durch Neukombination der Anlagen reagieren können. Wie das geht, erkunden Forscher mit unterschiedlichen Konzepten.

In den vergangenen Jahren haben sich alle wesentlichen Strategien der Produktion verändert, schreibt Springer-Autor Günther Pawellek in "Ganzheitliche Fabrikplanung". Die neuen Produktionsstrategien zielten auf geringste Kosten, kürzeste Durchlaufzeiten und absolute Beherrschbarkeit der Technologie in Produktionsnetzwerken. Zu den zukunftsorientierten Fabrikkonzepten zählt er insbesondere auch die "wandlungsfähige Fabrik" (Seite 7). Denn, so Pawellek, "die Wettbewerbsfähigkeit einer Fabrik hängt von der Fähigkeit ab, sich Veränderungen anpassen zu können und die hierzu notwendigen Gestaltungsprozesse reaktionsschnell und wirtschaftlich durchzuführen."

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Allerdings ist die Planung oder Umgestaltung eines Fabriklayouts bislang recht aufwendig. Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) arbeiten deshalb daran, Analyse, Planung und Bewertung von Fabriklayouts mittels neuer Digitaltechniken zu optimieren; erste Ergebnisse wollen sie auf der Hannover-Messe vom 23. bis 27. April vorstellen. So haben sie zum Beispiel vorgesehen, bei der Analyse des Ist-Zustands eine Drohne zu nutzen, die eine Fabrikhalle mithilfe einer 3D-Kamera scannt und einen dreidimensionalen Lageplan erstellt. Aktuell müssten Fabrikplaner die einzelnen Elemente noch manuell in den Grundriss der Halle eingeben. Die Drohne schaffe dies, so die IPH-Forscher erheblich schneller und erreiche auch Teile der Fabrik, die ein Mensch nicht erreichen könne, wie zum Beispiel umzäunte Roboter oder Förderanlagen.

Automatische Layout-Erstellung

Ist das Ausgangslayout angelegt, verschieben Fabrikplaner die einzelnen Fabrikelemente in diesem Plan bislang manuell. Einige machen das noch mit kleinen Zetteln auf dem ausgedruckten Hallengrundriss, andere verwenden schon einen digitalen Fabrikplanungstisch, um das dreidimensionale Layout virtuell umzubauen. Der Anwender kann dabei einzelne Elemente der Fabrik ganz einfach verschieben, diverse Varianten ausprobieren und direkt in einer 3D-Darstellung ansehen. Mithilfe eines entsprechenden Computerprogramms und einer VR-Brille können die Planer die umstrukturierte Produktionsstätte auch virtuell durchschreiten. In Zukunft soll eine Software, die am IPH entwickelt wird, sogar in der Lage sein, automatisiert eine Vielzahl von Layouts zu erstellen. Ein Algorithmus soll künftig Maschinen, Lager und Wege in der neuen Halle optimal anordnen. 

Modulares Safety-Konzept

Wie Produktionsanlagen flexibel und sicher zugleich umgebaut werden können, wollen die Forscher und Entwickler der SmartFactoryKL, Kaiserslautern, auf der Hannover-Messe anhand ihres modularen Safety-Konzepts für eine Industrie-4.0-Anlage präsentieren. Das Konzept haben sie nach eigenen Angaben derart erweitert, dass modulare Zertifizierung von der Anlagen- bis zur Komponentenebene möglich und somit Stillstandzeiten beim Anlagenumbau deutlich reduziert werden. 

5G-Kommunikation

Die für die Hannover-Messe vorbereitete SmartFactoryKL-Anlage weise eine zusätzliche Neuerung auf: das erweiterte Safety-Konzept werde ab sofort über den drahtlosen Kommunikationsstandard 5G in Echtzeit in der Cloud gesteuert. Somit sei die für die Zertifizierung notwendige deterministische Kommunikation möglich. In der Cloud ist ein digitales Abbild (Digital Twin) aller Module vorhanden, in dem die verschiedenen Safety-Parameter definiert sind. Wird eine neue Modulkonfiguration zusammengestellt, so erfolgt der Abgleich IT-gestützt mit den hinterlegten Szenarien. Ist die gebildete Konfiguration bereits als sicher bekannt, so wird die Konformität der neuen Konfiguration bestätigt.

"Der Vorteil dieser Lösung ist, dass Stillstandzeiten nach dem Anlagenumbau deutlich reduziert werden, denn die meist aufwendigen und zeitintensiven Entscheidungsprozesse rund um die Sicherzeit der Anlage übernimmt nun eine künstliche Intelligenz. Dieses automatische Zertifizieren in der Cloud führen wir auf unserem Messestand konzeptionell vor", berichtet Detlef Zühlke, Vorstandvorsitzender der SmartFactoryKL. 

Künstliche Intelligenz für die Fabrik

Eine Fabrik, die sich selbst flexibel auf Produktionsänderungen einstellen kann, ist Ziel auch der Forscher und Entwickler bei fortiss, einem Forschungsinstitut des Freistaats Bayern für softwareintensive Systeme und Services mit Sitz in München. Anhand der "fortiss future factory" (siehe Video) entwickeln sie Methoden, die es ermöglichen sollen, dass sich Fabriken künftig selbstständig an geänderte Anforderungen anpassen können. Ein Prototyp dieser "kognitiven" Produktionsanlage besteht aus zehn Stationen, die miteinander vernetzt und beliebig kombinierbar sind. Derzeit kann die Anlage, die sich selbst konfiguriert, zwei Produkte in je drei Varianten zusammenbauen. Das können beispielsweise Aufbewahrungsdosen, Thermometer, Spielfiguren oder Rasierapparate sein. 

"Das Besondere an den Maschinen ist, dass sie sich selbst beschreiben können und ihre Fähigkeiten in virtuelle 'Gelbe Seiten' für registrierte Maschinen hinterlegen", erläutert Forschungsgruppenleiter Alois Zoitl. Die erforderlichen Produktbeschreibungen und Produktionsschritte sind im System gespeichert. Definierte Schnittstellen erlauben den Zugriff auf automatisiert auswertbare Beschreibungen der Fähigkeiten der jeweiligen Fabrikmodule, die dann bei Auftragseingang ad hoc automatisch umgerüstet werden. Eine am fortiss entwickelte Planungssoftware fungiert als virtueller Operator, der Aufträge einplant, vergibt, steuert und den Produktionsprozess "im Blick" behält.

Bessere Algorithmen

"Kern unserer Methode ist eine klare softwareseitige Entkopplung von Produktionsmaschinen und Komponenten voneinander sowie von den herzustellenden Produkten. Dadurch wird es erstmals möglich, Produktionsmaschinen und Komponenten beliebig zu kombinieren", beschreibt Zoitl die Neuentwicklung. Möglich mache dies die höhere Rechenleistung in den Maschinen und eine höhere Vernetzungsbandbreite – und bessere Algorithmen.


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