Industrie 4.0-Technologien im Fokus: Produktion und Logistik zusammendenken

Hinter dem Begriff „Industrie 4.0“ verstecken sich diverse neue Technologien wie Augmented/ 
Virtual Reality, EdgeComputing oder künstliche Intelligenz. Studien und Whitepaper überschlagen sich mit Versprechen über Gewinne an Effizienz und Flexibilität für Fabriken. Doch welche Anwendungen sind heute möglich? Und wie verändern sich Fertigungsprozesse durch die Technologien?

Um den Mehrwert verschiedener Industrie 4.0-Technologien anschaulich zu machen, entstand 2017 das Digital Capability Center (DCC) Aachen. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Modellfabrik, in der verschiedene neue technische Ansätze anhand von konkreten Use Cases demonstriert werden. Oder anders gesagt: Das DCC ist eine Projektform, bei der digitale Applikationen in einer realitätsgetreuen Textilfabrik beispielhaft Anwendung finden. Es wird als Kooperation zwischen zwei Gründungspartnern betrieben – dem Entwicklungsdienstleister ITA Academy GmbH und der Unternehmensberatung McKinsey & Company Inc.

Da viele Unternehmen den Anforderungen einer digitalen Produktion noch nicht gerecht werden können, so der Gedanke der Initiatoren, will das DCC eine Lernumgebung bieten, in der die Teilnehmenden beim Kompetenzaufbau zum Thema digitale Transformation Unterstützung finden. Dies geschieht im Rahmen von praxisnahen Workshops, die nicht nur Vertreter aus der Textilindustrie, sondern auch Unternehmen anderer Branchen erreichen.

Neben anderen ist das Münchener Start-up Actyx an einer Umsetzung einer Anwendung beteiligt. „Wir wollen Fabriken durch die Orchestrierung von Maschinen, Robotern und Menschen flexibler und effizienter machen“, sagt Maximilian Fischer, Founder und Chief Commercial Officer von Actyx. „Dazu bieten wir eine LowCodeSoftware-Plattform an, die auf einer dezentralen Edge-Computing-Architektur basiert.“

Im DCC Aachen wird die Plattform exemplarisch zur Vernetzung von Produktion und Intralogistik eingesetzt. Dazu werden fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) mit einzelnen Produktions-, Montage-, Qualitätsarbeitsplätzen sowie einem automatischen Lager vernetzt und automatisch orchestriert. Anwendungen auf der Plattform von Actyx steuern, wann welche Teilnehmer welche Tätigkeiten auf dem Shopfloor ausführen.

Der UseCase adressiert eine klassische Herausforderung im Fertigungsumfeld: die Abstimmung von Produktion und Intralogistik. Produkte werden in der Regel an verschiedenen, räumlich getrennten Arbeitsstationen bearbeitet. Der Transport des Materials zwischen sowie die Anlieferung von notwendigen Komponenten an die Arbeitsstationen ist Aufgabe der Intralogistik. Das Abholen des Materials muss dabei auf den Fortschritt der Tätigkeiten an den Arbeitsstationen abgestimmt sein. Zusätzlich muss die nächste Arbeitsstation frei sein, um das Produkt weiterzuverarbeiten.

Stammdaten müssen stimmen

Wenn es am Übergang von der Produktion zur Intralogistik im Fabrikalltag mitunter hapert, können verschiedene Gründe eine Rolle spielen: Zum einen sind die Stammdaten, die der Planung zugrunde liegen, häufig nicht akkurat. Sie basieren nicht auf tatsächlicher Datenerfassung, sondern oft auf abgeschätzten Erfahrungswerten. So sind etwa Rüstzeiten häufig nur pauschal veranschlagt, statt akkurat pro Artikel/Werkzeug oder Maschine definiert zu sein. „Die Stammdaten sind Grundlage für die Planung“, schildert Fischer das Problem. „Wenn diese Daten falsch sind, dann kann der Produktionsplan nicht stimmen.“

Zum anderen ist eine Fabrik ein hochdynamisches Umfeld. Ständig kommt es zu Veränderungen oder Verzögerungen. Viele Faktoren beeinflussen die Prozesse: die Umgebungstemperatur, der Verschleiß der Maschinen, die Beschaffenheit des Eingangsmaterials, die Erfahrung des Werkers und vieles andere. Aufgrund der hohen Komplexität und der Vielzahl von Einflussfaktoren ist es schwierig, einen Plan akkurat zu prognostizieren. „Vielmehr braucht es ein flexibles System, das mit dieser Dynamik umgehen kann und alle Maschinen, Menschen und Material ständig von Neuem aufeinander abstimmt“, so Fischer. „Software kann helfen, diese Flexibilität zu generieren.“

Im DCC sollen diese Zusammenhänge anhand einer Produktion von Armbändern aufgezeigt werden. Eine Anwendung auf der Actyx-Plattform erfasst, wann die aktuelle Charge an der Maschine fertig produziert ist. Durch das Verarbeiten der Echtzeitdaten lässt sich so ein sekundengenauer Fertigstellungstermin ermitteln, der an das FTF übermittelt wird. Dies ermöglicht es, den Prozess exakt zu timen. Das Produkt wird zur richtigen Zeit in das Zwischenlager, das „AutoStore“-System, gebracht.

Das FTF fährt die ersten Musterprodukte bei Beginn eines neuen Auftrags an eine Qualitätssicherungsstation. Dort werden die Musterprodukte geprüft und die Ergebnisse digital erfasst. Sollten die Muster nicht der geforderten Qualität entsprechen, geht automatisch eine Information an AutoStore und die Produkte werden automatisch ausgeworfen. Zudem werden FTF und die Produktionsmaschine informiert, um ihre Tätigkeit anzupassen. Bei erfolgreicher Qualitätsprüfung erhält das FTF die Information, dass die Produkte, also hier die Armbänder, zur Montagestation gebracht werden können, um fertiggestellt zu werden. Das FTF koordiniert dann automatisch einen Transport in Abhängigkeit der Verfügbarkeit des Montagearbeitsplatzes.

„Durch die Actyx -Plattform ist das System auch grundsätzlich in der Lage, stufenlos um zusätzliche Arbeitsplätze oder FTFs erweitert zu werden“, beschreibt Actyx-CCO Fischer. „Möglich macht dies ein neuer Programmieransatz: Wir bieten ein Low-Code-Prozess-Framework an, mit dem Prozesse über sogenannte LocalTwins intuitiv modelliert werden können.“ LocalTwins sind dabei digitale Abbilder physischer Dinge wie etwa Maschinen oder Konzepte – zum Beispiel ein Auftrag.

Keine Zentralrechner nötig

Durch diesen Ansatz lassen sich die Abhängigkeiten und das Verhalten zwischen den einzelnen Arbeitsstationen und den FTF relativ leicht digital definieren. Die digitalen Prozesse werden dann einfach auf Edge-Geräten wie Tablets oder Gateways installiert, wo sie lokal ausgeführt werden. Die Actyx-Plattform kümmert sich darum, dass alle Geräte an den Arbeitsstationen und den FTF automatisch synchronisiert werden. Die gesamte Kommunikation erfolgt dezentral, Peer-to-Peer, zwischen den Geräten. Zentrale Server oder Datenbanken, ob on-Premise oder in der Cloud, sind in einem dezentralen Ansatz nicht mehr notwendig. Daten liegen lokal auf den Edge-Geräten und die digitalen Prozesse laufen komplett ohne Abhängigkeit zu einem Server auf den Edge-Geräten.

Mateusz Warda, Entwicklungsleiter am DCC Aachen bei McKinsey & Company, über die Lösung: „Wir finden den Actyx Use Case am DCC sehr spannend, da er das abstrakte Konzept einer vollvernetzten Produktion wirklich in greifbare Nähe bringt. Besonders Maschinen- und Anlagenbauer waren bisher an der Lösung stark interessiert.“ tm