SPS steuern Assistenzsysteme in der Digitalen Fabrik
Integration eines Laser-Assistenzsystems zur Werkerführung in die Steuerungsebene der Digitalen Fabrik

Ralf Müller-Polyzou, Nicolas Meier, Felix Berwanger und Anthimos Georgiadis

Die Integration industrieller Laser-Assistenzsysteme zur Werkerführung in die Steuerungsebene eröffnet Möglichkeiten der digitalen Transformation für produzierende Unternehmen. Diese Möglichkeiten werden am Beispiel der Digitalen Fabrik der Leuphana Universität Lüneburg dargestellt. In einem Praxisprojekt wird eine manuelle Montagestation mit einem industriellen Laser-Assistenzsystem entwickelt und in die SIMATIC Steuerungsebene der Digitalen Fabrik integriert. Der Werker interagiert mit dem Assistenzsystem und wird von diesem durch den auftragsbezogenen Montageprozess geleitet. Der Werker steht dabei im Zentrum des Geschehens.

Die digitale Fabrik der Industrie 4.0 ist gekennzeichnet durch eine hohe Konnektivität intelligenter Sensoren und Aktoren im Verbund mit Cyber-Physischen Systemen (CPS). Diese sind horizontal vernetzt und kommunizieren sowohl untereinander als auch direkt mit den Produkten. Die vertikale Vernetzung mit übergelagerten On-Premise- oder cloud-basierten Lösungen erlaubt die Planung und Steuerung der digitalen Fabrik sowie die Analyse von Geräte- und Systemdaten [1]. Die umfangreiche Konnektivität wird drahtlos durch Mobilfunknetze der 5. Generation (5G) weltweit standardisiert, sicher und mit hohen Datenraten sowie geringen Latenzzeiten zur Verfügung stehen [2]. Der Mensch wird in der digitalen Fabrik weiterhin eine wichtige Rolle einnehmen. Die menschlichen Fähigkeiten, auf unvorhersehbare Ereignisse zu reagieren und Erfahrungswissen zu generieren, werden mit Assistenzsystemen zur Mitarbeiterinformation und Werkerführung eingesetzt [3].

Laser-Assistenzsysteme zur Werkerführung
Laser-Assistenzsysteme sind aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften in vielen Branchen im Einsatz [4]. Die im Arbeitsbereich auf das Montageobjekt oder die Arbeitsfläche projizierten Laserlinien sind für das menschliche Auge gut sichtbar und bilden eine Erkennungs- und Messebene. Die präzise Darstellung von Konturen auf Flächen oder dreidimensionalen Objekten wird zum Beispiel in der Luftfahrtindustrie, in der Elektronikfertigung, aber auch in der Holz-
industrie eingesetzt (Bild 1). Neben der Darstellung von Montagepositionen und -anweisungen können auch Entnahmepositionen für die Kommissionierung angezeigt werden. Die Projektion auf das Montageobjekt ist ergonomisch sinnvoll und die Laserlinien überreizen die Sinne nicht. Im Gegensatz zu Augmented Reality (AR) Datenbrillen müssen Aspekte wie Tragekomfort, Hygiene und Batterielaufzeit beim Einsatz von Laser-Assistenzsystemen nicht berücksichtigt werden. Die Anlernzeiten sind gering. In Kombination mit einer Kamera kann die Funktionalität der Systeme erweitert werden, um beispielsweise den Montagefortschritt zu dokumentieren oder eine automatische Weiterschaltung der Projektion zu realisieren [5, 6]. Aufgrund der Skalierbarkeit, der niedrigen Investitions- und Wartungskosten sowie der Vorteile für die Werker werden Laser-Assistenzsysteme auch bei der Gestaltung hochwertiger und ergonomischer Arbeitsplätze in der manuellen Montage eingesetzt. Produktionsabläufe können auf diese Weise flexibel und wandlungsfähig realisiert werden. [7]

Bild 1: Integration industrieller Laser-Assistenzsysteme
in die Steuerungsebene.

Laser-Assistenzsysteme werden schon in vielen Anwendungen als eigenständige Lösung betrieben. Der Einsatz von Laser-Assistenzsystemen für die Industrie 4.0 erfordert jedoch eine Integration in die Produktion. Durch die Integration wird das Laser-Assistenzsystem Bestandteil der Produktionsumgebung, sodass es durch sie gesteuert werden kann und seine Daten gelesen werden können (Bild 1). Die Integration in die oft heterogene Automatisierungsumgebung kann neben geringen Latenzzeiten in der Kommunikation auch neue Möglichkeiten eröffnen. Integrierte Laser-Assistenzsysteme erhöhen zudem die Transparenz und Stabilität von Prozessen und liefern Informationen für die Produktionssteuerung. Die Integration in eine durch standardisierte Schnittstellen und Protokolle gekennzeichnete Umgebung eröffnet den Zugang zu zahlreichen Komponenten und den damit verbundenen Funktionen bei gleichzeitig gesteigerter Wandlungsfähigkeit der Produktionslinie. Im Folgenden werden die Möglichkeiten einer horizontalen und vertikalen Integration eines Laser-Assistenzsystems in der praxisnahen Testumgebung der Digitalen Fabrik der Leuphana Universität Lüneburg dargestellt. Die Integration des Systems in speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) ist dabei mit Siemens SIMATIC Industriekomponenten realisiert. 

Digitale Fabrik der Leuphana Universität Lüneburg
Die Leuphana Universität mit dem Forschungszentrum Digitale Transformation widmet sich den Herausforderungen der Digitalisierung in Wirtschaft und Gesellschaft. Forscherinnen und Forscher kooperieren in interdisziplinären Projekten mit Industriepartnern, um durch Forschung zu einem praxisrelevanten Wissenstransfer beizutragen. Die Forschungsschwerpunkte liegen in der Digitalisierung der industriellen Produktion. In einem laufenden Forschungsprojekt werden Laser-Assistenzsysteme in Bezug auf die Mensch-Maschine- und die Maschine-Maschine-Interaktion optimiert. So wurde in einem Forschungsprojekt die Integration von Laser-Assistenzsystemen in Manufacturing Execution Systeme (MES) in produzierenden Unternehmen untersucht [8].

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