Produzierende Unternehmen agieren heute in einem turbulenten und dynamischen Umfeld. Megatrends wie Globalisierung und Dynamisierung der Produktlebenszyklen verändern nachhaltig die Rahmenbedingungen für die industrielle Produktion. Die Verschiebung vom Verkäufer- zum Käufermarkt führt zu steigender Produktvarianz und erhöht die Komplexität der Fertigungs- und Montageprozesse. Zur Beherrschung dieser Komplexität investieren Unternehmen in moderne Software zur innerbetrieblichen Produktionsplanung und -steuerung wie beispielsweise MES (Manufacturing Execution System). Im Rahmen einer aktuellen Studie des Fraunhofer Institutes IPA bestätigt etwa ein Drittel der befragten Industriebetriebe den Einsatz eines solchen Systems.

MES ist ein Software-basiertes Informationssystem, welches die Mitarbeiter in Fertigung und Montage durch verschiedene Assistenzfunktionen unterstützt. Dazu gehören Fertigungs­leitstand, Betriebs- beziehungsweise  Maschinendatenerfassung und eine transparente Dokumentation aller Produktionsabläufe. Denn eine erfolgreiche Auftragsabwicklung hängt maßgeblich von situativen Entscheidungen unter Berücksichtigung aktueller, den Produktionsfortschritt betreffenden Informationen ab. Die Studie besagt außerdem, dass sich produzierende Unternehmen einen großen Zusatznutzen durch die Integration von RFID-Techniken (Radio Frequency Identification) in die genannten MES versprechen. Die Integration solcher smarten Informations- und Kommunikationstechniken (IuK) ermöglicht vor allem eine zielgerichtete und echtzeitnahe Bereitstellung von relevanten Daten, um das Informationsmanagement zu verbessern.

Ein hoher finanzieller und organisatorischer Aufwand für notwendige Anpassungsprogrammierungen be­reiten jedoch vor allem kleinen und ­mittelständischen Unternehmen Schwierigkeiten. Deren Bereitschaft, in moderne Software und IuK-Technologien zu investieren, ist dadurch gehemmt.

Deshalb haben sich Salt Solutions, advanced Panmobil systems und die Projektgruppe Ressourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen (RMV) des Fraunhofer IWU zusammengetan, um in einem gemeinsamen Forschungsprojekt folgendes Hauptziel zu verfolgen: Verfahren und Techniken entwickeln, welche den Einsatz von RFID-gestützten MES-Informationssystemen speziell für kleinere mittelständische Unternehmen effizienter, leichter integrierbar und damit kostengünstiger machen.

Das Ziel: hybride ­Produktionsassistenz

Um möglichst viele der in der Fertigungsindustrie vorkommenden Szenarien abzudecken, werden hochautomatisierte Fertigungseinrichtungen ebenso berücksichtigt wie rein manuelle Produktionsvorgänge durch die Werker. Die dezentralen RFID-Systeme sollen dabei Fertigungsdaten in Transpondern an Produkten oder Produktionsmaschinen sowohl auslesen wie auch beschreiben können. Ziel ist ein System, bei dem ein zentrales MES mit dezentralen „intelligenten“ RFID-Systemen in der Fertigung und Montage so interagiert, dass eine maximale Flexibilität erreicht wird.

Die Grafik verdeutlicht die Vernetzung der smarten RFID-Systeme hin zum MES-System

© Panmobil

Ein Praxisbeispiel könnte wie folgt aussehen: Die Werker werden mit individuellen RFID-Geräten ausgerüstet, die über WLAN mit dem zentralen MES verbunden sind. Die Mitarbeiter können so abhängig vom aktuellen Stand des Produktionsgeschehens zum benötigten Einsatzort berufen werden, um die erforderlichen Aufgaben schnellstmöglich zu erledigen. Im MES sind zusätzlich ihre fachlichen Qualifikationen hinterlegt. An der Produktionsmaschine liest der Werker mit seinem RFID-Gerät den an der Maschine befindlichen RFID-Tag aus, die Daten werden dem MES übermittelt und die Produktionsmaschine gibt entsprechend der im System hinterlegten Qualifikation die erforderlichen Berechtigungen oder Funktionen frei.  Fehlbedienungen werden verhindert, da nur Mitarbeiter die Maschine reparieren oder bedienen können, die die benötigten Voraussetzungen erfüllen.

Ein solcher Anwendungsfall nutzt die zielgerichtete Übertragung von Steuerungs- und Koordinationsinformationen auf dezentrale RFID-Systeme und sorgt für eine Entlastung des zentralen MES. Die intelligente Verknüpfung von RFID und MES ermöglicht zudem die echtzeitnahe Erfassung von geplanten und unvorhergesehenen Ereignissen in der Fertigung und Montage. Die Nutzer des Assistenzsystems können auf dieser Basis wichtige Steuerungsentscheidungen treffen, wodurch eine hohe Effizienz in der Produktion gewährleistet ist.

MES-Framework

Um die hybride Produktionsassistenz mit smarten RFID-Systemen zu realisieren, wird ein standardisiertes MES-Framework entwickelt. Zukünftige Implementierungen von MES-Systemen in Systemlandschaften sind so verhältnismäßig aufwandsarm. 

Verschiedene Datenerfassungs­geräte für die hybride Produktionsassistenz.

© Panmobil

Als Vorbereitung für eine Software-technische Umsetzung des MES-Frameworks werden die üblicherweise in der Industrie verwendeten MES-Lösungen im Hinblick auf hybride Produktionsassistenzsysteme analysiert. Der Fokus liegt hierbei auf den Fachmodellen zur Abbildung von Fertigungs- und Montageaufträgen. Außerdem im Fokus: die fertigungsbezogene Planung, Durchführung und Protokollierung von Aktivitäten im Zuge der Auftragsabwicklung. Berücksichtigung finden dabei manuelle Fertigungsprozesse ebenso wie teil- und vollautomatisierte Prozessschritte. Erforderliche Entwicklungen werden auf Basis marktgängiger SW-Technologien wie beispielsweise Java Enterprise vorgenommen und in ein bestehendes MES, hier SAP ME (SAP Manufacturing Execution), integriert. Die erreichten Entwicklungsergebnisse werden insbesondere auf Transparenz und langfristige Wartbarkeit hin überprüft, um eine spätere Anwendung im industriellen Maßstab zu erlauben.

Smarte RFID-Techniken

Wesentliches Ziel ist die technische Realisierung der intelligenten RFID-Produkte als dezentrale Steuerungselemente. Hierfür sollen smarte RFID-Systeme entwickelt werden, die den Anforderungen im produktiven Umfeld insbesondere hinsichtlich einer robusten Lese- und Schreib-Performance genügen. Um den Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit gerecht zu werden, wird auf RFID-Technik im UHF-Bereich gesetzt (Ultra High Frequency). UHF-Transponder, wie die genormten EPC GEN 2, haben den Vorteil, dass diese schon standardmäßig in vielen logistischen Arbeitsprozessen in der Industrie eingesetzt werden.

Unternehmen können mit der angestrebten hybriden Lösung an bestehende Techniken „andocken“. Abhängig vom Anwendungsfall ist auch eine Wiederverwendung der RFID-Tags möglich, wenn diese ablösbar sind, zum Beispiel auf magnetischen Folien. Beschaffungskosten für UHF-Transponder fallen somit nur einmalig an. Als Nebeneffekt können derartige Folien auch die Lesbarkeit der RFID-Tags auf metallischen Objekten verbessern. Ein weiterer wichtiger Grund für die Verwendung von UHF-Technik: Die kritischen Taktzeiten bei den Produktionsprozessen lassen sich besser einhalten, da UHF-Frequenzbänder die Daten bis zu 50 Mal schneller als beispielsweise über HF (High Frequency) übertragen.

Um alle Produktionsdaten dezentral und unabhängig vom MES auf den Tags zur Verfügung zu haben, kommen die neuesten UHF-Transponder mit einer Speichergröße von bis zu 8 KByte zum Einsatz. Die benötigte Datenbank mit allen wichtigen Informationen für die Produktion befindet sich damit direkt auf den Transpondern und entlastet das zentrale MES. Um eine Verwendung der Tags noch weiter auszubauen, soll zusätzlich die Ausleserate in metallischer Umgebung erweitert werden. Oft sind Transponder zu ihrem Schutz in das Metall eines Produktionsteiles eingeschraubt.

Eine exakte Auslesung ist dann durch die metallische Abschirmung nicht mehr möglich. Um den Einsatz in diesen anspruchsvollen Arbeitsumgebungen sicherzustellen, wird durch die Optimierung der geräteinternen Antennentechnik die Lese- und Schreibrate wieder hergestellt; beispielsweise durch die Verwendung spezieller RFID-Leseköpfe, die wie ein Schnabel in das innere von Bauteilen und zum Transponder gelangen können.

Plug & Produce

Eine intelligente Vernetzung des zentralen MES-Systems und des RFID-Systems auf Hard- und Softwareebene soll eine erfolgreiche Produktionsoptimierung garantieren. Im Fokus steht hierbei die Realisierung einer automatischen Konfiguration und somit einer aufwandsarmen Kopplung der verschiedenen Systeme. Das vorrangige Ziel: Kleineren mittelständischen Unternehmen den wirtschaftlichen Einsatz von smarten RFID- und MES-Lösungen ermöglichen.

Hierfür soll vor allem die bis heute notwendige und besonders kostenintensive Middleware für das Management der RFID-Geräte ersetzt werden. Eine einfache Integration in Systemlandschaften nach dem „Plug & Play“-Prinzip wird hierfür durch die Connectivity-Funktionen auf den Panmobil-Geräten realisiert. Diese stellen automatisch eine Verbindung zwischen dem zentralen MES und den mobilen oder stationären RFID-Systemen her. Typische, in der Produktion vorkommende Szenarien werden so abgedeckt. Dies sind einerseits Anwendungsfälle, in denen das RFID-Gerät in einer teil- oder vollautomatisierten Fertigungseinrichtung eingesetzt ist. In diesem Fall bedient ein Werker die Anlage üblicherweise über die Bedienoberfläche des MES auf einem Leitrechner oder Industrie-PC.

Das RFID-Gerät führt dann die verschiedenen Schreib- und Leseoperationen abhängig vom Produktionsfortschritt aus, der vom MES gesteuert wird. Ein anderer typischer Anwendungsfall sind Arbeitsplätze mit geringer oder ohne Automatisierungstechnik. Dabei kommen Geräte zum Einsatz, die neben dem RFID-Transponder auch mit Display und Eingabetasten ausgerüstet sind. Diese ermöglichen es dem Werker, Anweisungen vom MES entgegenzunehmen und Eingaben bzw. Quittierungen vorzunehmen.

Die Verbindung zum MES kann dabei einerseits permanent über WLAN erfolgen, sodass alle Aktionen sofort protokolliert werden. Oder aber eine Reihe aufeinanderfolgender Aktionen werden zunächst auf dem RFID-Gerät gesammelt und an das MES übertragen, wenn das Gerät zum Beispiel in eine Ladestation gesteckt wird. In jedem Fall sollen Unternehmen die Art der Kommunikation und die zu übertragenden Daten selbst über das MES konfigurieren können, ohne dabei Kosten und Zeit für eine aufwendige Schnittstellen-Programmierung investieren zu müssen.

Wirtschaftlichkeits-Prüfung in zahlreichen Tests

Die wirtschaftliche Validierung der hybriden Produktionsassistenz erfolgt anhand einer mehrtägigen Fertigung und Montage von mindestens 80 Beispielprodukten, um hierfür eine valide Datenbasis zu erhalten. Die Ergebnisse dieses Tests werden zeigen, ob das Ziel einer hybriden Produktionsassistenz auf RFID-Basis für kleinere und mittelständische Unternehmen gewinnbringend umgesetzt werden kann. Neben der Entwicklung von Assistenzfunktionalitäten für stationäre Arbeitsplätze (zum Beispiel Montagearbeitsplatz, Werkzeugmaschine) sollen zudem Anwendungen für den mobilen Einsatz entworfen und in Betrieb genommen werden.

Zur Zielerreichung wird auf eine Demonstrationsplattform zurückgegriffen, die am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaft (iwb) der Technischen Universität München im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) von Anfang 2010 bis Ende 2012 geförderten Forschungsprojektes RAN (RFID-based Automotive Network) aufgebaut wurde. Die SALT Solutions GmbH hat als Unterstützer des RAN-Forschungsprojektes aktiv an dem Aufbau dieser Plattform mitgewirkt und bereits grundlegende Arbeiten für die Einführung einer MES-Lösung vorgenommen.

Autor: Peter Schmidt ist Geschäftsführer von advanced PANMOBIL systems