14.0 - Flexible Produktion durch Entflechtung

@ TOP-THEMA

Barbara Mayer, Andreas Leitner

14.0 - Flexible Produktion durch Entflechtung

Simple ist das neue Agile

1. Einleitung

Produzierende Umernch men sind zu- nehmend mit stark schwankenden und sich anderndcn Kundenanforderungen sowie hohem Wettbewerbsei ruck kon- Fronrie1 l . Dies zwingt sie LU agileren Produktionspro1essen möglichst ohne Kostenerhöhung (Ganschar et al. 2013).

Die Auto1natisierung kann hier we- sentlichen Anteil leisten. Herkömm- liche Konzepte sind jedoch Zll starr und erfordern l:ingriffe auf Program- mierebene. sobald Prozessiinclerungen erwc1nschL sind. Ein neuer Ansatz wr L mAechtung von Prozess- und Auro- n1atisierungsaufgaben ern1öglichr eine Aexible Produktion ohne 1 ngineering- Aufwand.

2. Herausforderungen der Ae- x1blen Produktion

Produncrende Unternehmen sind heute mit einer Vielzahl ,·on Herau,- forderu ngen kon fronnerr. Größere

\lirktc sowie sich rasch ,111clerncks Nut1enerh.1lten führen 1u volatilen l\.undLnhc-dürfn1-...,L'll und Nachfrage- dl\\ u1kung1 P Prndukre mll',"Jen cLlher u1 '".lll1 111d r,1 Lh 111p<h..,har oder ... og,lr

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indiviclualisierbar sein, um einerseits den Kundenanforderungen gerecht zu werden und andererseits gegenüber i mern,uionakr Konkurrenz bestehen zu können. Stetige lnnOlation der Pro- dukte ist daher eine zentrale Aufgabe des i\tanagements. Daram folgt un- weigerlich auch eine Adaptierung der damit verbundenen Produktionspro- zesse, die es im Sinne eines eAl1ienten und kostenrninimalen Betriebs ?LI opti- P1iercn gilt. Denn nur wer Flexibel und kostenoptimal proclu1ierr, wird auch zukunftig erfolgreich bleiben.

Fur die Aut0n1Jtisierung der Pro- duktion führt dies zu erheblichen He- rau~forderungcn. zumJI 1un~ich">t bei baulicher Veränderung des Produkti- onsbetriebs ofr noch nicht klar ist. \\ie die PrOLesse sp.1ter tJts:ichlich ahl,wfen 1ollen. DarC1ber hinaus 1ollen Aurorn.1- ti"licrung~kon1l'pte einen Beitrat. lei- 'ten, Ae,ible Proze»ab,111derungen 1u ermöglichen. Auf einer Anl~1gc werden poren1icll 1e1rgleich unterschiedliche Produkt- und folglich l'rndukuonwJ- rianren reall"i1cn. '>0 d.1,.., iedpro;e..,,e clyn.1mi„ch eingebunden 'iinc.I oder wegfallen. D.1hn i,t ein hoher l ln1bi- li"i1erung~grad der \uron1.1t1">ILTUng ... -

lösung Für eine agile Produktion ent- scheiclcncl.

3. Anforderungen an die Automa- tisierung

Die VDI/VDE Gesellschaft sieht in ihrem Katalog für Handlungsfelder die Kernkompetenz der Automation gerade in der Umsetzung von viel- schichtigen Kundenanforderungen in kosteneAl1iente. sichere. infurmations- vcr~1rbeirende \Owie vernetzte Systeme zur Pro1e"führung und -sicherung IVDI VDL 2013).

Was kann nun aus diesem Anforde- rungskatalog fl_ir die Automatisierung abgeleitet werden?

Neben einem sta rkcn Anstieg an Sensoren, Daten und Kommunikdti- on„parrnt:rn bedeutet der gewünschte hohe rlexibili\lerungsgr.1d zusarzliche Anforderungen an die Auromarisie- rung. Die Produkcion<:i">teuerung musr,, erwciterb.H und dahingehend Ae,ibel

;ein, reilpro1e1sc schn:ll und einf<lch intl'griLTen 1u können - und d,1\ ohnl' fngincering Auf\\,111d 1ur l.cwf1.eir.

D~11u mu\' die Steu~rung~ebent' \O vor- bc:n.:itet 'ein. d~1'"' hci Ve ... rJnderung de' Prnduktio11'„prnze't<.il'.., \H'der Juf Jic!lt:r

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ABB. 1: KLASSISCHE AUTOMATISIERUNG~PYRAMIDE (VDI/VDE 2013}

Ebene eingegriffen noch die laufen- de Produktion unterbrochen werden muss.

In den letzten Jahren wird darüber hinaus über die zukünftige Gültigkeit der klassischen Automatisierungspy- ramide (siehe Abbildung 1) diskutiert.

Die Frage wird sein. ob in hierar- ch ielose Kommun i kationsstru ktu ren Produkte als cyberphysi,ches System selbst ihren Fertigungsweg suchen und finden. Dann würden die aktuellen Steuerungskonzepte wohl zu Aexiblen.

dezentral organisierten Unternch- menssreuerungsnerzwerken mutieren (Kleinemeier 2017).

Werden Prozess- und Automatisie- rungsaufgaben jedoch von unterschied- lichen Softwarelösungen bearbeitet.

erfordert dies eine Kommunikations- und Schnittstellenvereinbarung zwi- schen den (zumindest unmittelbar) im Austausch stehenden Sofrwarebau- sreinen. Klar erscheint hier. dass diese l'vledienbrüche heure in der Produktion hinderlich für einen effizienten Ablauf sind (Schlick er al. 2017). Integration

mehrerer Ebenen in einem IT-System ist aktuell zumeist noch nicht Stand der Technik. erfordert zahlreiche Schnitt- stellen und führt zu Fehlerquellen in der Kommunikation.

Bezüglich der Systemarchitektur sind dezentrale Systemarchitekturen bereits ein erster Schritt zur Aexibleren Automatisierung. Dennoch fu n ktio- n ieren diese Steuerungssysteme in der Regel derart, dass die Produktions- steuerung individuell für vorgegebene Produktionsprozesse ausgerichtet wird, indem Prozessleitsystem, SPS und Ak- toren bzw. Sensoren eng miteinander verAochten sind. Kommt es jedoch zu einer Änderung der Prozesse, so müs- sen die Programme auf der Steuerungs- ebene modifiziert und die Prozessab- bildungen auf Prozessleitebene (siehe Abbildung 1) adaptiert werden, was einen Eingriff von SpeLialisten mit ho- hem Tech n i k-Know-how erfordert.

4. Ansatz zur EnrAechtung von Produktions-und Automarisie- ru ngsau fgaben

Aufgaben Solutionserver ERP Server

(IT /Produktionsleitung) Reine Visualisierung Datenhaltung/-anb1ndung Produktverfolgung Alarmhandlmg Benutzerverwaltung

Aufgaben Stationsebene (Automatisierer/Produktionsleltung)

Basisautomatisierung Produktionsprozesssteuerung Ausgepragte kompleKe Querkommunikation Vor Ort Visualisierung Schnelle Datenaufzeichnung Reine Datenanbindung an Leitrechner

Steuerung Station 1 Station 2

leitrechner/SCADA

Steuerung Stat1on3 Sta11on 4

Steuerung S1at1onn·l Stat1onn

Oatenpunktorientlerte Schnittstelle

Datenpunkte lesend und schreibend eventuell obiektorientiert

ABB. 2: Vc1!Q!!1CKUNG voN P1wouKTIONWl!OZESS UND BASISAU rOMATISIFRUNG

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TOP-THEMA@

Als Stand der Technik gilt bis dato der verfolgte Ansatz, sowohl die Basis- automatisierung der Anlage als auch den Produktionsprozess auf der Steue- rungs-bzw. der Prozessleitebene zu im- plementieren. Die Kommunikation zur Produktionsleitebene erfolgt bidirekti·

onal datenpunktorientiert und konzen- triert sich auf fix definierte Parameter sowie Soll-Werte und Rückmeldungen vorn ShopAoor (siehe Abbildung 2) .

Der resultierende topologische Auf:

bau (siehe Abbildung 3) beinhaltet ein starres Softwarekonzept, da für jeden Anlagenteil (Station) getrennt SPS-Pro- gramme gemäß dem spezifischen funk- tionellen Produktionsablauf und den implementierten Automatisierungs- komponenten im Feld entwickelt wer- den. Diese dezentralen Einheiten sind demnach mit leistungsstarken Steue- rungseinheiten auszustatten, da sie so- wohl für die Prozesssteuerung als auch die Haltung der Daten aus dem Feld verantwortlich sind. Um den gesam- ten Prozess abzudecken. ist eine klar definierte ~erkommunikation zu den vorhergehenden bzw. nKhfolgenden Stationen relevant, d. h. die auszutau- schenden Datenlisten zwischen den Steuerungseinheiten sind einmalig fi- xiert.

Ist nun eine Änderung des Produkti·

onsprozesses gewünscht, so werden die Nachteile dieser Architektur offensicht- lich: Sämtliche Steuerungsprogramme der ein1,clnen Stationen mc1ssen auf:

grund der mangelnden Modularität und Wiederverwendbarkeit u nwe1- gerlich adaptiert, alle datenbasierten Kommunikationen aufgrund ihrer Fehleranfälligkeit neu getestet werden.

Auch die ausgepr;igte ~erkommuni­

kation aufStationsebene stellt bei jeder Anpassung eine immense Fehlerquelle dar, da ~erbeeinAussungen zwischen den Stationen nicht ausschließbar sind.

Am Ende stellt das modifizierte System wiederum eine geschlossene ProLess- steuerung dar. die Kunden kaum Mög- lichkeiten einwgreifen bietet.

Um die diese Nachteile zu umgehen, ist eine EntAechtung (Unbundling) der Basi,automarisicrung und Lks Produk- rionsprO?esses norwendig.

Dieser Unbundling-Ansat1 ,ieht auf der Steuerungs-b1w. Prozessebene nur mehr die Implementierung von ,1nla- genspcLifischen h111ktionen <1uf ßa,is der im Proze5' bcrucksichtigtcn Sen- sorik- und Aktorikkomponenten 1·01·,

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@ TOP-THEMA

ERP (SAP)

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Sonst"-Sgrega1e Station n

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch diese EntAechtung eine kla- re Trennung zwischen der zeitzyklisch orientierten Anlagensteuerung i 111 Fo- kus der Automatisierungstechniker und der prozessorientierten Produ k- tionsprozessdcfi n ition im Fokus der Produktions- bzw. Verfahrenstechniker erfolgt, womit sich jeder seine eigent- lichen Stärken zuwenden kann. Für den Kunden resultiert der Ansatz in ei- ner effektiveren und auch effizienteren Automatisierungslösung. welcher ge- ringere Anschaffungskosten, vor allem aber einen ökonornischeren Betrieb versichert.

ABB. 3: TOPOLOGIE MIT DEZENTRALEN, Q!!ERKOMMUNIZIERENDEN STEUERUNGS- EINHEITEN

Darüber hinaus wird erst mit dieser EntAechtung eine individuelle autorna- tisierte Produktionsabfolge von Pro- dukten mit kleiner Losgröße möglich.

Aus dem reinen Prozessleitsystem ent- steht ein voll integriertes Produktions- leitsystem völlig ohne 1\ledienbrüche, das alle betrieblichen Abläufe zukünf:

tig vielleicht sogar nach Anmeldung des Produktes in Echtzeit steuern.

C1bcrwachen und führen kann - wich- tige Schritte hin zu einer Fertigung nach eiern lndustrie-4.0-ldeal.

d. h. proclukt-bzw. produktionspro- zessrelevante Teile werden auf cliöer Ebene eliminiert. Der übergeordneten Produktionsleitebene stellt das System eine standardisierte. serviceorienticrte Phasenschnittstelle zur Verfügung.

welche irn Wesentlichen Jus Befehlen mit Pararnetern und Rückmeldungen über den AnlJgenstatus bestehen.

Der Produktiomproze's kann da- mit Juf höherer Ebene <ibstrakt gegen die vom ShopAoor über die Ph<1sen- schn1ttstelle zur Verfügung gestellten lunktionen definiert werden. ohne die Details der Anlagenautomatisierung zu berL1cksichtigen. So kann bci>piel>wei- se in einer Getriebernontagel in ie die Ölfullmtion sirnpel den Befehl ,.Ölfül- len'" 111 it den Parametern Menge und Öl>pe1ifikation zur Verfügung 'teilen - wie dies auf Anlagenebene bewerk- stelligt wird. obliegt natürlich dem Anlagenbauer bL\\. dem Autonutisie- ru ng~~pezia 1 i sten.

D<1 in diesem AmatL lediglich die fu n ktionel lc Basis,w t0n10ti,ieru ng auf Steuerungsebene abgebildet wird. be- 'teht die rc,ul[lercnde Architektur

siehe Abbildung 4) am ;d1L1nkeren.

ko„tcngun'tt1gen„·n Srcuerung1.icin- heitcn. die eine Ae,ible Topologie cr- moglichen.

/cntr,dc proze"<1bhangigc Befehle kommen <1ll"chliel'1ich 1·0111 ubc1·ge- ordlll.:ten \1anufaLturing l :'l.:L'Cut1on )y- qem \IL '-i. io d~l'.'i"i l'.\ keiner ~erkon1- mun1k,1t1on ' ' ' 11.id1t:n dl'n de1cntrJkn 'ircuc:1u lg"iL11lhl'1t n bed.Hf.. '-,rancL1r-

!J..,1L-rtt. P¹1.1,t:1 eh 11rtqi..:llc11 er1111)gli-

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chen dem Anlagenbauer, Funktionen und Befehle der Anlage unablüngig vom Produkt bLw. Produktiomprozes>

zu entwickeln und testen.

Besteht nun die Notwendigkeit einer Prozessänderung, so wird diese gänz- lich ohne Veränderung funktioneller SPS-Programrne in der Produktionslei- tebene einfach urngesetzt.

Die zentralen Produktionsleitebe- ne. die für die Befehlsübergabe an die Steuerungsebene mit der Prozc>sleite- bene verschmilzt. bildet die gesamte Anbge für den Anlagenbetreiber ab (siehe Abbildung 5). Dies erlaubt sogar oftmals eine Weiterentwicklung durch den Kunden selbst.

Darüber hinaus steigen die Modula- ritiit de' Ansattes die Wiederverwend- barkeit von Steuerung:::.bausreinen und fordert Standardisierungen. die ll'ieck- rum zu einer erheblichen Q,ialitatsstci- gcrung führen.

5. Realisierung

Die Firma evon konnte diesen Un- bu nd l i ng Ansatz bereits industriell erfolgreich im Auftrag der Firma vo- estalpine Special Wire realisieren. Für den Drahthersteller wurde innerhalb von sechs Monaten ein von Ebene 1-3 integriertes und variables System auf:

gesetzt. Derzeit wird bereits an einer Erweiterung zur Kopplung ^<111 SAP gearbeitet: Damit >ollen künftig Auf- tragsdaten <u11 SAP in die Steuerung

Aufgaben Solutionserver ERP Server

(IT /Produktionsleitung) Produktionsprozesssteuerung Datenhaltung/·anbindung Produktverfolgung Visualisierung Alarmhandling Benutzerverwaltung Aufgaben Stationsebene (Automatlslerer)

Basisautomatisierung einzelner Schritte

Vor Ort Visualisierung Schnetle Datenaufzeichnung Exekution der Befehle vom Solution Server Ri.Jckmeldung derSt,mon und Daten an Solution Server Keine Querkommunikation

Steuerung Station l

Solution Server

Steuerung Station l

Steuerung Station 3

Steuerung Stat1onn

Standardisierte Phasenschnittstelle

Befehle mit Parametern Auckmeldungen Meldungen/Station ObJektonent1ert

Ann„ 4: l:.N1rLLUllUNG VON PnonuK110NSPno11 ~~UND ßA'>l"Au10MA11~11 H.UNG 1\111 UNBU"IDI INL

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ERP (SAP)

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Solution Server Bedienstationen Wartung

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ABB.

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und Informationen aus der Produktion in SAP eingespeist werden können.

Die integrierte XAMControl-Lösung bietet darüber hinaus allch ein modu- lares BenutzeroberAächenkonzept. das die Darstellungen und die abrufbaren Daten je nach Nutzer individualisiert:

So benötigt der Verfahrenstechniker etwa mehr Informationen zu den Ab- läufen als der Chemiker, der eher Mate- rialwerte abruft.

Referenzen:

Ganschar, 0 .. et al.

(2013) in D. Spath (Hrsg.). Produktions·

arbeit der Zukunft- lndusrrie 4.0. Sturt- gart: Fraunhofer Verlag.

Kleinemeier, M.

(2017). Von der

Automatisie- rungspyramide LU

Unterneh menssteu-

TOP-THEMA@

aus Sicht der Automation. http://www.vdi.

de/u ploads/med ia/Stel lu ngna h me_ Cyber- Physical_Systems.pd f Zugegriffen am

10.02.2017

Autoren:

Dipl.-Ing. Barbara Mayer ist lehrende am Wirtschaftsingenieur-Institut 1 ndus- trial Management an der FH JOANNE- UM in Kapfenberg. Ihre Lehr- und Forschungsschwerpunkte beinhalten Automatisierung, prädikrive Regelung, Optimierung und Industrie 4.0.

Dipl.-Ing. Andreas Leirner ist Ge- schäftsführer der evon GmbH in Gleis- dorf. Seine Aufgabenschwerpunkte:

Vertrieb, Marketing, Finanzen, Stra- tegische Unternehmensentwicklung, Human Resources.

Dipl.-Ing.

Barbara Mayer lehrende am Wirt- schaftsingenieur-lnsti- tut lndustrial Manage- ment, FH JOANNEUM, Kapfenberg

Dieses Produktionsleitsystem wird auch im lndustrie-4.0-Labor des Insti- tuts für lndustriewimchaft (IWI) in Kapfenberg realisiert. Das modulare Produktionssystem (MPS) von Fesro wird voll vertikal integriert. So können Studierende bereits in naher Zukunft einerseits die Aufgaben und Facetten eines integrierten Produktionsleitsy- stems von der E/A bis wr Produktions- leitebene direkt an einer Mikrofabrik erleben, andererseits auch die Aus- wirkungen etwaiger Programmände- rungen in AutomatisierungsC1bungen analysieren, erkennen und optimieren - ein weiterer Schritt zur Bereicherung der Lehraktivitäten am Institut um lndustrie-4.0-lnhalte bereits im Bache- lorstudium.

eru ngsnerzwerken . . - - - - . . ...

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WINGbusiness l/2017

Handbuch Industrie 4.0 ßd. 1. Springer Berlin Heidelberg.

S.219-226.

Schlick. J.. et al.

(2017) Industrie 4.0 in de1 praktischen Anwendung. Hand- buch Industrie 4.0 ßd. 2. Springer Berlin Heidel berg.S. 3-29.

VDI/VDE-Gesell- schaft Me>1- und

Automatisierungstechnik (2013) Cyber- Physical Systems: Chancen und Nutzen

Dipl.-Ing.

Andreas Leitner Geschäftsführer der evon GmbH, Gleisdorf

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