Flexible Produktionssysteme in der Praxis

Ulrich Berger, Thomas Creutznacher, Raffaello Lepratti und Steffen Lamparter,

Deutschland hat bekanntermaßen einen sehr leistungsstarken Industriesektor, dessen Produkte weltweit nachgefragt werden. Diese Stärke lässt sich aus der guten Kooperation zwischen international agierenden Konzernen und einem breiten Spektrum mittelständischer Unternehmen herleiten. Dabei nimmt das produzierende Gewerbe rund 50 % der deutschen Exporte ein. Die wesentlichen Erfolgsfaktoren sind dabei die hohen Qualifikationen der Arbeitskräfte, die weltweit bekannte hochgradige Qualität der Produkte, das dynamische Innovationssystem und die hohe Produktivität der Unternehmen. Allerdings stehen diese Unternehmen vor einer Vielzahl von Herausforderungen. Dazu zählt neben dem steigenden internationalen Wettbewerbsdruck die Notwendigkeit von kontinuierlichen Innovationen, um den Wettbewerbsvorsprung zu verteidigen. Zudem werden die Wertschöpfungsnetze immer komplexer und die Märkte volatiler [1]. Vor dem Hintergrund dieser Entwicklungen spielen flexible Produktionssysteme eine immer größere Rolle. Um Flexibilität in einem globalen Wertschöpfungsnetzwerk zu ermöglichen, sind Lösungen notwendig, wie sie auch in der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie formulierten Vision „Industrie 4.0“ adressiert werden. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse einer kooperativen Industriebefragung über flexible Produktionssysteme beschrieben, welche im Kontext des europäischen Forschungsprojekts cPAS durchgeführt wurde. Auf dieser Basis werden Anforderungen und Potenziale einer zunehmenden horizontalen Integration zwischen Unternehmen sowie zwischen Produktionsplanungs- und Laufzeitsystemen diskutiert.

Die sich immer schneller und stärker ändernden Bedürfnisse des Markts in Menge, Ablauf, Qualität und Kosten lassen eine tayloristische Arbeitsteilung nicht mehr zu [2]. Aus Unternehmenssicht gewinnt durch die zunehmende Unvorhersehbarkeit des Zeitpunkts und der Intensität der Veränderung eine effiziente und effektive Anpassung des eigenen Produktionssystems an Bedeutung. Hintergrund dieser wachsenden Anforderungen sind komplexe und dynamische Einflussfaktoren, die sowohl den Anpassungsdruck auf Unternehmen als auch auf Individuen erhöhen. Diese können in interne und externe Änderungstreiber gegliedert werden [3, 4]. Unter internen Änderungstreibern werden Impulse aus dem Unternehmen bzw. der Lieferkette selbst verstanden, wie zum Beispiel neue Produkteinführungen. Die vom Unternehmen nicht selbst induzierten Anforderungen werden als externe Änderungstreiber bezeichnet, wobei marktbezogene Treiber die häufigste Ursache von Veränderungen sind [5].


Bild 1: Flexibles Produktionssystem am Lehrstuhl
Automatisierungstechnik. © Multimediazentrum / BTU-CS.


Was sind flexible Produktionssysteme?

Um die Produktion häufiger und schneller auf sowohl vorher- als auch unvorhergesehene Ereignisse mit minimalem Aufwand anzupassen, werden also Produktionssysteme benötigt, die flexibel, anforderungsgerecht und dezentral arbeiten können (Bild 1) [2]. Der Begriff Flexibilität wird im Folgenden umgangssprachlich verwendet und bezeichnet den wissenschaftlich exakteren Oberbegriff der Veränderungsfähigkeit von Produktionssystemen. Global agierende Unternehmen, die in Zeiten der zunehmenden Digitalisierung konkurrenzfähig bleiben wollen, müssen konsequent auf die Bedarfe ihrer Kunden eingehen. Für eine Organisation heißt das, innovativ und leistungsfähig zu sein. Produkte müssen perfekt auf den Kunden zugeschnitten sein und dessen Anforderungen schnell, treffend und mit hoher Qualität erfüllen. Daraus resultierend muss die Fertigung auf hohe Produktvielfalt und variierende Stückzahlen schon in der Produktionsplanung vorbereitet werden. Hier kommen sogenannte Wandlungsbefähiger, wie Modularität oder Skalierbarkeit eines flexiblen Produktionssystems, zum Einsatz. Die verschiedenen Produktionsvarianten können dann vorab in Simulationsexperimenten getestet werden, um die beste Alternative zu finden und zu realisieren.
 

Wie wird Flexibilität in der Zukunft aussehen?

Um mehr Flexibilität in der Fertigung zu erreichen, hat sich der Lösungsansatz „Industrie 4.0“ als Synonym für die vierte industrielle Revolution in der europäischen Industrie schon weit verbreitet. Er wird inzwischen häufig für die Beschreibung des neuen Zukunftstrends mit Blick auf die Entwicklung der zukünftigen Industrie genutzt. Themen wie Cyber-Physische Systeme (CPS), Internet der Dinge und Dienste, Cloud Computing und Big Data sind in aller Munde. Doch was beinhaltet „Industrie 4.0“ wirklich? Am einfachsten ausgedrückt fusionieren Internet und industrielle Fertigung miteinander. Es werden Verbindungen zwischen Telekommunikation, Elektronik und Informationstechnologie mit den industriellen Produktionsprozessen und ihren Produkten geschaffen. Aus dieser abstrakten Definition resultieren hunderte flexible Einsatzmöglichkeiten. Zum einen haben die mit Kommunikationsmodulen ausgestatteten Maschinen und Produkte die Möglichkeit, über das Internet ständig in Verbindung zu treten und miteinander zu kommunizieren. Der Datenaustausch in Echtzeit kann beispielsweise für Entscheidungen bezüglich Wartungsarbeiten, Serviceleistungen oder Änderungen im Produktionsprozess hilfreich sein. Die Kommunikation läuft über das Internet, welches somit zum Internet der Dinge und Dienste übergeht. An oberster Stelle steht dabei die Sicherheit. Eine andere Art, Industrie 4.0 in
ein Unternehmen zu integrieren, ist der Einsatz von IT-Komponenten. Wird die gesamte Wertschöpfungskette und deren Steuerung miteinander vernetzt, entsteht umfassende technische Transparenz. Die Vorteile liegen in der dezentralen Informationsbereitstellung, d. h. der Erreichbarkeit der Informationen von überall und zu jeder Zeit.
 


Bild 2: Industriebefragung zu Störungsart und Entstörungsstrategien.

Auf dem Weg zur Vision „Industrie 4.0“ haben die Unternehmen noch viele Probleme zu bewältigen. Eine Studie zur Machbarkeit moderner Industrien/Industrie 4.0, die u. a. vom Lehrstuhl Automatisierungstechnik der Brandenburgischen Technischen Universität durchgeführt wurde, untersuchte in diesem Zusammenhang, ob und in welcher Form Unterstützungsmaßnahmen im Zukunftsfeld Industrie 4.0 für Unternehmen in Brandenburg notwendig sind und angeboten werden können. Dabei sollten bereits existierende Unterstützungsstrukturen und -ansätze geprüft und bei Bedarf Vorschläge für Optimierungen herausgearbeitet werden, die den industriellen Innovationsprozess in Richtung Industrie 4.0 beschleunigen [6]. Die größten Bedarfe bestehen demnach im Datenmanagement, der Datensicherheit, dem Ausbau von automatisierten Prozessen und der Softwarevernetzung.

Des Weiteren haben zur Beantwortung der Frage nach den aktuellen Problemen in der Praxis die Siemens AG und die Brandenburgische Technische Universität am Lehrstuhl für Automatisierungstechnik einen Fragebogen erstellt, der vor allem Unternehmen der Automobilherstellung und deren Zulieferern auf dem Weg zur „Industrie 4.0“ zum Thema Monitoring in Produktionsnetzwerken und flexibler Reaktionsmöglichkeiten der Produktion auf Störungen und Schwankungen in der Auftragslage befragt. Das Projektteam stellte Hypothesen auf, welche Möglichkeiten Unternehmen haben und auf welche internen Maßnahmen sie zurückgreifen können, um rechtzeitig Störungen entlang der Supply Chain zu erkennen und auf sie flexibel zu reagieren (Bild 2).
 


Bild 3: Vergleich der Flexibilitäten [9].

Lokale Flexibilität erfordert globale Transparenz

Bezüglich der Erkennung von Störungen ergab die Auswertung der Fragebögen klare Defizite der deutschen Automobilindustrie und deren Zulieferern hinsichtlich Reaktionszeiten und Informationsaustausch. In naher Zukunft müssen Störungen in Echtzeit bewertet oder mittels stochastischer Vorhersagen aufgenommen werden können. Dafür ist eine firmenübergreifende Ereignisverarbeitung notwendig, die entweder mittels digitaler Produktspeichertechnologien oder mittels Smart-Objekt-Virtualisierung realisiert wird. Unternehmensintern sowie unternehmensübergreifend gewinnt der Informationsfluss immer mehr an Bedeutung. Er wird vor allem bei der Verfolgbarkeit von Produkten bezüglich Lokalisation und Qualitätsstand nötig. In diesem speziellen Bereich ist mehr Transparenz gefragt. Bei dem Einsatz von Softwareprogrammen muss auf eine Integration in das unternehmensspezifische IT-System geachtet werden.

Hier setzte auch das cPAS-Konzept (Cyber-physical Production Assistance System) an, ein europäisches Gemeinschaftsprojekt zur Umsetzung der Vision einer transparenten Lieferkette für mehr Flexibilität in der Automobilproduktion [7, 8]. Die Motivation des Projekts bestand darin, Erstausrüstern (Original Equipment Manufacturer, OEM) und Zulieferern Lösungsansätze aufzuzeigen, um Störungen im Wertschöpfungsnetzwerk (Supply Chain) schnellstmöglich zu erkennen. In einer Zeit, in der Just-in-Time (JIT) und Just-in-Sequence (JIS) Produktionen die Standortsicherung des verarbeitenden Gewerbes in Deutschland darstellen, ist eine hocheffiziente Steuerung der Produktion entsprechend der Echtzeitlage im Wertschöpfungsnetzwerk essentiell. Das in die lokale Produktionssteuerung eingebettete Assistenzsystem cPAS kann dabei für eine Vielzahl von Möglichkeiten zur unternehmensübergreifenden Störungserkennung bezüglich Lokalisation und Qualität genutzt werden. Das oberste Ziel für OEMs und Zulieferer liegt darin, bei auftretenden Störungen die negativen Effekte in der lokalen Produktion minimieren zu können. Dafür ist es notwendig, diese früh zu erkennen und zu lokalisieren. Zum Erreichen dieses Ziels wurde ein unternehmensübergreifender und transparenter Informationsfluss hergestellt. Für die Implementierung eines solchen Informationsaustausches wurden unternehmensspezifische IT-Lösungen gefunden, die geschützt und firmenübergreifend arbeiten. Dazu wurden redundante Speichertechnologien am Produkt und in der Cloud eingesetzt.


Planung und Steuerung von Flexibilität

Durch den soeben beschriebenen gewonnenen Informationsvorsprung bei der Erkennung von Störungen oder auch aufgrund einer geänderten Auftragslage kann eine lokale Produktion im globalen Wertschöpfungsnetzwerk flexibel angepasst werden, etwa in ihrem Produktionsvolumen. Der Fragebogen gab auch hier Aufschluss zu Status und Problemen bezüglich flexibler Anpassungen. Grundlegend wurde eindeutig der Aussage zugestimmt, dass flexiblere Anpassungen des Produktionssystems Optimierungspotenziale bergen. Die dazu notwendigen Anpassungsinstrumente, Methoden oder Flexibilitäten sind hauptsächlich in den IT-Systemen der Produktionsplanung, Prozessplanung und Enterprise Resource Planning (ERP) zu finden (Bild 3). Dabei ist zu unterscheiden zwischen kurzfristigen, weniger aufwendigen und häufig genutzten Maßnahmen zur Änderungen der Produktionsmenge während der Laufzeit, wie in der Auftragsplanung und im Modellmix und seltener genutzten, aufwendigeren Maßnahmen zu Änderungen in der Planung, wie in der Maschinen- und Mitarbeiteranzahl oder in der Prozesszeit (Taktzeit). Mittelfristig genutzte Maßnahmen, wie die Änderung der Arbeitszeit (Anzahl der Schichten), stehen dabei zwischen diesen beiden Polen der Planungs- und Laufzeitsysteme.


Bild 4: Mehr Flexibilität durch Kopplung von Planung und Laufzeit [9].

Weiterhin wird die Einbringung von mehr Planungswissen zur Laufzeit als eindeutig sinnvoll erachtet, ebenso wie das Rückspielen von Optimierungsergebnissen aus der Produktion in die Planung. Dazu werden bereits diverse Schnittstellen zwischen Planung und der Laufzeit genutzt, die weiter ausgebaut werden sollen, gerade mit Hinblick auf die Erschließung neuer Flexibilitäten. Ein Anwendungsfall zur Erschließung von mehr Flexibilität durch eine Kopplung von Planung und Laufzeit ist etwa die Unterstützung der Entscheidungsfindung in der Produktionsplanung hinsichtlich von Produktionskapazitäten [9]. Zur Generierung und Bewertung verschiedener Planungs- oder Produktionsvarianten wird üblicherweise für Green- und Brownfield-Projekte eine Materialflusssimulation innerhalb der Produktionsplanung eingesetzt. Das dort erzeugte Planungswissen schlägt sich jedoch heutzutage in nur einer einzigen optimierten Produktionsvariante nieder. Gerade im Angesicht einer volatilen Auftragslage muss eine Produktion jedoch zukünftig immer häufiger in ihrem Durchsatz angepasst werden, um wirtschaftlich am Kapazitätslimit arbeiten zu können. Bild 4 zeigt einen funktionellen Ansatz zur Vorbetrachtung und Bewertung von Produktionsvarianten in einer Materialflusssimulation, um Produktionsvolumen zu erhöhen oder zu senken. Ein Empfehlungssystem schlägt dabei zur Unterstützung des Produktionsplaners oder Simulationsexperten die am besten geeigneten Varianten vor. Dieses Wissen kann sowohl zur weiteren virtuellen Planung genutzt als auch letztendlich in der realen Produktion umgesetzt werden.


Fazit

Die steigende Komplexität im globalen Wertschöpfungsnetzwerk sorgt weiterhin für Bedarf an IT-Lösungen und Konzepten zur frühzeitigen Erkennung von Störungen und zu flexiblen Reaktionen der Produktion und Logistik. Dabei lässt sich auf dem Weg zu „Industrie 4.0“ eine fortschreitende Integration der IT-Systeme beobachten, sowohl horizontal zwischen den Unternehmen als auch zwischen Planung und Laufzeit.

 

 

Schlüsselwörter:

Flexible Produktionssysteme, Digitale Fabrik, Cyber-Physische Systeme, Horizontale Integration