Die Anforderungen an die Gestaltung von Fertigungssystemen verändern sich. Dazu tragen Trends bei, wie eine zunehmende Wettbewerbsintensität infolge einer Internationalisierung von Märkten, sich verkürzende Innovations- und Produktlebenszyklen und eine zunehmende Variantenvielfalt bis hin zu individuell konfigurierbaren Produkten. Hinzu kommt: Einzelne Märkte sind gekennzeichnet durch eine hohe Volatilität der Nachfrage, kurzfristige Lieferterminwünsche und hohe Anforderungen an die Produktqualität.

Aber wie müssen die Fertigungssysteme zukünftig gestaltet sein? Aufgrund der sich verkürzenden Produkt- und Innovationslebenszyklen ist das Fertigungssystem modular zu gestalten. Diese Modularität führt erstens dazu, dass sich einzelne Systemmodule nach Ende eines Produktlebenszyklus in einem neuen Fertigungssystem weiterhin nutzen lassen. Dadurch steigt die Effizienz der Investition in diese Betriebsmittel. Zweitens trägt das Prinzip der Modularität innerhalb eines Produktlebenszyklus dazu bei, ein Fertigungssystem durch Ergänzung, Austausch oder Reduktion von Modulen den aktuellen Anforderungen – beispielsweise im Hinblick auf den wirtschaftlichen Grad der Automation (Bild 1) – mit geringem Aufwand anpassen zu können. Das Prinzip der Modularität ermöglicht daher die wirtschaftliche Rekonfiguration eines Fertigungssystems.

Bild 1. Die Gestaltung des Fertigungssystems in Abhängigkeit vom Produktlebenszyklus.

© Hochschule Ostwestfalen-Lippe

Rekonfiguration bedeutet, ein Fertigungssystem umzurüsten, um die Systemfunktionen an veränderte oder neue Anforderungen strukturell anzupassen. Die Rekonfigurierbarkeit eines Fertigungssystems wird über die Mobilität und Kompatibilität von Betriebsmitteln begünstigt beziehungsweise gewährleistet. Unter Mobilität wird die Bewegbarkeit von einzelnen Modulen verstanden. Kompatibilität bedeutet, dass die Module mechanisch, elektrisch, informations- und energietechnisch über standardisierte Schnittstellen einfach miteinander verbunden werden können. Neben der Modularität, Mobilität und Kompatibilität bilden nach Wiendahl, Reichardt und Nyhuis die Universalität und Skalierbarkeit die weiteren wesentlichen „Wandlungsbefähiger“ in einer Fabrik. Die Universalität trägt dem Trend der gestiegenen Variantenvielfalt und Individualisierung von Produkten Rechnung, indem unterschiedliche Produkte beziehungsweise Produktvarianten bis hin zu individualisierten Produkten – möglichst im „Single-Piece-Flow“ – in einem System gefertigt werden können. Unter technischer Skalierbarkeit soll die Flexibilität verstanden werden, über technische Änderungen das Kapazitätsangebot der Kundennachfrage anpassen zu können und damit den Trend der Volatilität von Märkten zu berücksichtigen. Die Ergonomie ist als weiterer Wandlungsbefähiger zu betrachten, da beispielsweise die Effizienz des Umrüstprozesses in hohem Maße von der Gestaltung der Mensch-Technik-Schnittstelle abhängt.

Wandlungsfähige Automation

Aus Sicht der Automation erfordern die Wandlungsfähigkeit und dabei insbesondere die Rekonfigurierbarkeit und Kompatibilität von Fertigungssystemen eine „Plug-and-Produce-Funktionalität“, die derzeit noch nicht Stand der Technik ist. Im Kern handelt es sich um die Fähigkeit künftiger Subsysteme, sich selbst anpassen und konfigurieren zu können. Nach jeder strukturellen Änderung am Fertigungssystem muss das Automatisierungs- und Leitsystem in der Software nachgeführt werden. Wird beispielsweise ein neues Modul in das bestehende System integriert, gilt es auch, die zusätzliche Automatisierungsfunktion dieses Moduls in den vorhandenen Prozessablauf zu integrieren. Die aktuelle Vorgehensweise stellt sich in diesem Fall wie folgt dar: Der Automatisierungstechniker erhält auf Basis von informellen Spezifikationen Kenntnis über die Funktion und Schnittstellen des neuen Prozessmoduls. Aufgrund seines Wissens über den neuen Prozessablauf der Maschine oder der Anlage konfiguriert und parametriert er das Feldbus-System und die angeschlossenen Feldgeräte – etwa auf Basis von Gerätebeschreibungsdateien – und integriert die Funktionalität des Prozessmoduls gemäß der gegebenen Spezifikation in die Software der Ablaufsteuerung. Weiterhin sind manuelle Anpassungen an OPC-Servern und an den Bediengeräten sowie den Leitsystemen notwendig.

Dieses Vorgehen ist ansatzweise vergleichbar mit dem Anschluss von Peripheriekomponenten (Drucker, Kameras) an einen PC vor mehr als 15 Jahren. Zu dem Zeitpunkt wurden Treiber auf CDs oder Disketten mit dem Peripheriegerät mitgeliefert, die häufig beim Erwerb schon nicht mehr aktuell waren. Der Benutzer musste zudem häufig während der Installation Interrupt-Konflikte auflösen und Parameter an seinem PC einstellen, bevor die Peripheriekomponente funktionsfähig war. Erst mit Einführung der USB-Technik erfolgte eine weitestgehende Autokonfiguration der Peripheriekomponenten. Wird dieses Vorgehen auf die Automatisierungstechnik übertragen, so lassen sich zwei Handlungsfelder identifizieren:

■ die Autokonfiguration der vernetzten Feldgeräte
■ und die möglichst automatische Integration in die Applikation der Anlage.

Bild 2. Für ein Plug-and-Produce sind eine formale Prozessbeschreibung, ein dynamisches Dienstverzeichnis und formales Anlagenwissen in Form einer Ontologie notwendig.

© Hochschule Ostwestfalen-Lippe

Zu ersterem gibt es eine Reihe von Forschungsaktivitäten im Kontext der Industrie 4.0, unter anderem im Rahmen des BMBF-Spitzenclusters „Intelligente technische Systeme OstwestfalenLippe it’s OWL“. Die grundlegende Idee besteht darin, heutige Echtzeit-Ethernet-Systeme auf zweierlei Art zu nutzen: Einmal zur notwendigen Prozesskommunikation, die häufig hohe Zeitanforderungen erfüllen muss, und zum anderen zur IP-Kommunikation der Systeme für den Einsatz von service-orientierten Architekturen (SOA). Hierbei lassen sich Techniken wie „Device Profile for Web Services“ (DPWS) oder aber auch OPC-UA vorteilhaft nutzen. Mit diesen Techniken ist es möglich, eine Ad-hoc-Kommunikation zu realisieren, mit der sich neue Feldgeräte mit ihrer Funktionalität im Netzwerk als Webservice bekannt machen können. Ein im Netzwerk der Anlage vorhandener Konfigurationsmanager erkennt die neuen Feldgeräte und deren Funktionalität und kann auf Basis dieses Wissens eine Netzwerk- und Gerätekonfiguration weitestgehend automatisch durchführen. Damit ist die Qualität des USB-Prinzips erreichbar.

Deutlich mehr Forschungsbedarf besteht noch in der automatischen Integration von Feldgeräte-Funktionen oder ganzen Prozessmodulen in die Applikation, um ein vollständiges Plug-and-Produce zu erzielen. Aus Sicht der Automation sind drei wesentliche Funktionen zu realisieren (Bild 2): Aufbauend auf der oben beschriebenen Autokonfiguration mit Hilfe von Webservices kann ein Verzeichnis von semantischen Diensten realisiert werden. Weiterhin ist formalisiertes Wissen über die Anlage sowie eine rechnerverarbeitbare Prozessbeschreibung notwendig. 

In dem Dienstverzeichnis sind alle Ressourcen des Fertigungssystems anlagenweit verfügbar. Die Aktualisierung erfolgt dynamisch beim Einfügen oder Entfernen von Ressourcen. Die Eigenschaften der Ressourcen werden mit Hilfe einer geeigneten Spezifikationstechnik (zum Beispiel OWL-S) semantisch beschrieben. In einer Ontologie ist für einen Rechner verarbeitbar beispielsweise beschrieben, wie die Anlage strukturell aufgebaut ist und welche Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Elementen bestehen.

Eine formale Prozessbeschreibung erläutert schließlich den funktionalen Ablauf der Anlage. Wird ein neuer Bearbeitungsschritt eingefügt, so ist das zunächst in einer aktualisierten Prozessbeschreibung zu berücksichtigen. Daraufhin wird die Prozessbeschreibung analysiert und nach geeigneten Diensten in dem Dienstverzeichnis gesucht. Zusammen mit dem formalen Wissen über die Anlage lässt sich der passende Dienst auswählen, mit dem neuen Prozessschritt verbinden und in den aktuellen Prozessablauf integrieren. Auf dieser Basis kann dann eine Anpassung der Ablaufsteuerung, eventuell vorhandener OPC-Server sowie dem Leitsystem oder der Visualisierungen durch Code-Generatoren abgeleitet werden.

Ein alternativer Lösungsansatz besteht darin, den Teil für die ablauftechnische Verkettung von Prozessmodulen über die Prozessbeschreibung zu realisieren, die an dem Werkstück angebracht ist. Hierzu eignen sich beispielsweise RF-ID-Technologien. An jedem Prozessmodul wird hierbei die Prozessbeschreibung gelesen und ausgewertet. Ist das Prozessmodul für die Bearbeitung erforderlich und geeignet, so wird das Werkstück bearbeitet, ansonsten direkt weitergeleitet.

Das wandlungsfähige Montagesystem

In Kooperation mit dem Labor für Indus­trial Engineering der Hochschule OWL sind die beschriebenen Konzepte in ein wandlungsfähiges Montagesystem der smartFactoryOWL eingeflossen – eine Forschungsfabrik für die intelligente Automation und Arbeitssystemgestaltung. Die derzeitige Systemkonfiguration besteht im Wesentlichen aus einer Roboterzelle, einer Laserbeschriftungszelle, einem manuellen Montage-Arbeitsplatz mit „Augmented-Reality“-System (AR) sowie einem Werkstück-Transfer-System, welches sich aus über zehn Modulen zusammensetzt.

Die Wandlungsfähigkeit des Systems zeigt sich vor allem durch den modularen Systemaufbau mit weitgehend autonomen und mobilen Montage- und Bearbeitungszellen sowie den dezentralen Motorsteuerungen an den Transfer-Modulen. Abhängig von Produkt und Losgröße lassen sich unterschiedliche Automatisierungsgrade realisieren. Die Kompatibilität der Module untereinander wird zum einen dadurch erreicht, dass alle Module über jeweils einen einheitlichen hybriden Industriesteckverbinder (Druckluft, Strom, Ethernet) verfügen. Diese Steckverbinder sind in einer Bustopologie miteinander verbunden. Darüber hinaus ist die Mechanik des Montagesystems so gestaltet, dass sich die Roboter- und Laserbeschriftungszellen innerhalb weniger Minuten von einem Transfer-Modul an ein anderes ankoppeln lassen, ohne dass ein manuelles Engineering des Automatisierungssystems erforderlich ist. Die Auftragsinformationen werden dezentral über einen »intelligenten« Werkstückträger an die Zellen beziehungsweise das AR-System des Werkers (manueller Montage-Arbeitsplatz) in Form eines digitalen Produktgedächtnisses übertragen, so dass eine Montage im „One Piece Flow“ möglich ist. Durch die AR-Unterstützung des Monteurs lassen sich die Anlernzeiten bei der Montage kundenindividueller Produkte deutlich reduzieren.

Ziel weiterer interdisziplinärer Forschungsaktivitäten ist es, mechanische, elektrische, informations- und energietechnische Standards für die Montagesystemgestaltung zu entwickeln. Sie sollen es Kunden ermöglichen, aus unterschiedlichen weiteren Grundmodulen ein ihren Anforderungen entsprechendes Montagesystem zu konfigurieren, in kürzester Zeit in Betrieb zu nehmen und an die sich verändernden Anforderungen während des Produktlebenszyklus einfach anzupassen. Einer weiteren Frage wird nachgegangen: Wie lässt sich die Universalität von Montagesystemen weiter steigern, so dass sich – so die Vision – beliebige Teile unterschiedlicher Abmessungen und Geometrien einer Größenklasse in einem Montagesystem automatisiert montieren lassen?

Autoren: Prof. Dr. Jürgen Jasperneite leitet das Fraunhofer-Anwen- dungszentrum Industrial Automation und das inIT der Hochschule Ostwestfalen-Lippe in Lemgo; Prof. Dr. Sven Hinrichsen leitet das Labor für Industrial Engineering der Hochschule Ostwestfalen-Lippe in Lemgo.