Hybride Datenerfassung 19.11.2020, 11:13 Uhr

Auftragslokalisierung erhöht die Fertigungstransparenz

Durchgängig den Produktionsfortschritt feststellen, Aufträge in der Produktion orten und die aktuellen Produktionskosten im Blick haben – möglich macht dies ein neu entwickeltes Lokalisierungs- und Kommunikationssystem.

Eine verbesserte Informationsgrundlage für Entscheidungen in der Fertigung kann durch die lückenlose Datenerfassung aus differenten Quellen realisiert werden. Bild: IFW

Eine verbesserte Informationsgrundlage für Entscheidungen in der Fertigung kann durch die lückenlose Datenerfassung aus differenten Quellen realisiert werden. Bild: IFW

Ziel des Gemeinschaftsprojekts ist es, eine automatisierte betriebs­begleitende Datenerfassung mittels Bluetooth Low Energie (BLE), Maschinendatenerfassung (MDE) und einer Near Field Communication (NFC) zu realisieren. Mithilfe des hybriden Datenerfassungskonzepts lassen sich effizient Betriebsdaten und Fertigungskosten berechnen.

Industrie 4.0 liefert die Technologiegrundlage

Im Zuge der vierten industriellen Revolution wird die Produktion mit Informations- und Kommunikationstechnologien verknüpft. Diese technologische Entwicklung ermöglicht eine hochqualitative und flächendeckende Datenerfassung. Die verbesserte Datenerfassung trägt wesentlich zur Flexibilität in der Produktion bei, bietet Entscheidungssicherheit, verbessert die Produktionssteuerung [1, 2] und bringt Unternehmen damit einen Wettbewerbsvorteil. Betriebsdaten helfen dabei, Optimierungspotenziale in der Produktion zu erkennen und zu nutzen [1]. Stehen die Betriebsdaten zu jeder Zeit und kontinuierlich zur Verfügung, kann eine laufende Zeit-, Kosten- und Qualitätsoptimierung der Fertigung realisiert werden [3].

Am am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover wird gemeinsam mit den Firmen ATS Elektronik und Fauser in einem öffentlich geförderten Projekt ein Lokalisierungs- und Kommunikationssystem zur betriebsbegleitenden Fertigungsplanung und -steuerung („LoKoFer“) entwickelt und die genannten Potentiale erforscht. Beim Systemlieferanten für feinmechanische Bauteile und Baugruppen Ossenbrüggen Feinwerktechnik, Moorrege, wird anschließend ein Prototyp aufgebaut und erprobt.

Datennetzwerk zur Effizienzsteigerung

Ein entscheidender Faktor für die effektive Fertigungsplanung und -steuerung (FPS) sind die Betriebsdaten, die in der Praxis üblicherweise durch die Betriebsdatenerfassung (BDE) mithilfe von Terminals manuell erfasst werden. Insbesondere die Qualität der auftragsbezogenen Bewegungsdaten sind Schlüsselinformationen und ausschlaggebend für eine optimierte Fertigungssteuerung [4]. Mithilfe des im Projekt LoKoFer zu entwickelnden System wird die Qualität dieser Daten durch die automatisierte, permanente Aktualisierung und lückenlose Erfassung wesentlich verbessert. Aus den Daten werden für die FPS relevante Informationen aggregiert (zum Beispiel Transportzeiten, Rüstzeiten, Bearbeitungszeiten). Damit werden Fertigungskosten und Durchlaufzeiten reduziert und die Gesamteffektivität gesteigert [5].

In LoKoFer, Bild 1, werden dazu im Wesentlichen drei Datenquellen heran­gezogen. Die Positionsdaten des Auftrags in der Fertigungsumgebung sollen über das „BLE“-System erfasst werden: „Beacons“ laufen mit dem Auftrag durch die Fertigungshalle und senden die Daten an die zentralen Empfänger. Arbeitsplätze, Maschinen und Lagerplätze können softwaretechnisch in Bereiche („Geofences“) eingeteilt werden (in Bild 1 blau hinterlegt). Der Eintritt und Austritt eines Beacons in beziehungsweise aus dem Geofence wird dabei detektiert und erfasst. Damit kann eine eindeutige Zuordnung der Aufträge zu den Arbeitsgängen stattfinden.

Bild 1. Schematische Darstellung des Projekts „LoKoFer“. Bild: IFW

Über die Integration einer NFC-Schnittstelle in den Beacons und einer NFC Schnittstelle in den Geofences wird ein weiterer Zeitpunkt erfasst, er agiert als zweite Datenquelle. Das Auflegen und Abziehen der Beacons von der NFC Schnittstelle werden als Zeitpunkte erfasst, mit denen die Rüstzeit berechnet werden kann. Aktuelle Auftragsinformationen für die Mitarbeitenden können über die NFC-Schnittstelle abgerufen werden. Die MDE ist die dritte Datenquelle, über die unter anderem der Programmstart (Bearbeitungsstart) eines Arbeitsgangs erfasst werden soll.

Gewonnene Informationen

Diese Datenquellen gestatten eine kontinuierliche und automatisierte Erfassung der Bewegungsdaten, die somit immer aktuell im System erfasst sind. Bild 2 gibt eine Übersicht zu den hieraus berechenbaren Elementen der Durchlaufzeit. Die Zeiten sind Dank des Systems auftrags- und arbeitsgangabhängig erfasst. Dies sorgt für detaillierte Analysen der operativen Vorgänge in der Produktion.

Bild 2. Bewegungsdaten, die mithilfe des neuen Systems automatisiert und betriebsbegleitend bestimmt werden. Bild: IFW

Darüber hinaus ist im Beacon selbst ein Beschleunigungssensor integriert. Dadurch kann die Transportzeit in Stillstandszeiten und tatsächliche Bewegungszeiten eines Auftrags unterteilt werden. Die Positionsdatenerfassung der Aufträge erlaubt zudem eine Zuordnung der Arbeitsgänge zu den jeweiligen Maschinen. In der Praxis „gelebte“ Flexibilität kann somit erfasst und für die Produktionssteuerung genutzt werden.

Datenverarbeitung – Events, Muster und Agenten

Das Konzept für die Verarbeitung der Daten basiert auf dem „Complex Event Processing“ (CEP), Bild 3. Dies erlaubt es, einen zeitlich nicht begrenzten Ereignisstrom zu analysieren und rechtzeitig eine prozesssteuernde (zum Beispiel kalkulatorische oder planungsrelevante) Aktion in Gang zu setzen oder Information zur passenden Zeit bereitzustellen. Die aus den Datenquellen detektierten dis­kreten Zeitpunkte sind dabei Aktivitäten, die mit einem Anfangsereignis beginnen und mit einem Endereignis enden. Diese Ereignisse (Events) werden auftragsspezifisch ausgelöst und über die Beacons von ATS Elektronik übertragen.

Bild 3. Aufbau der Softwarestruktur zur ereignisgesteuerten Datenverarbeitung. Bild: IFW

Die Erkennung der spezifischen Events oder von Mustern im Ereignisstrom wird programmiertechnisch in Agenten (Event Processing Agent – EPA) umgesetzt. Auch das Ausführen von eventspezifischen Aktionen wird innerhalb der EPA programmiert – beispielsweise die Berechnung der Zielgrößen (Bewegungsdaten, Kostenkalkulation und weitere).

Für die nötige Kompatibilität können an die Architektur des CEP firmeneigene Datenbanken der im Unternehmen eingesetzten Planungssoftware angebunden werden. Im Projekt LoKoFer wird das MES „JobDispo“ von Fauser integriert und die Informationsrückführung der Zielgrößen in das MES realisiert. Die Kommunikation im BLE System von ATS Elektronik ist bidirektional ausgelegt. Im Beacon integrierte E-Labels können dadurch den Mitarbeitenden immer aktuelle Fertigungsinformationen (zum Beispiel Sollzeiten, aktueller und nächster Arbeitsgang) visuell zur Verfügung stellen.

Zusammenfassung und Ausblick

Der Beitrag zeigt, wie unter Ver­wendung von verschiedenen Datenquellen eine automatisierte, betriebsbegleitende Betriebsdatenerfassung ablaufen kann. Dies minimiert die Unsicherheiten gegenüber den manuell erfassten Betriebsdaten und kann den Aufwand für die Erfassung der Daten erheblich reduzieren.

Zukünftig kann jedes Unternehmen seine Arbeitsgänge und Maschinen jederzeit hinsichtlich ihrer Effizienz analysieren und vergleichen. Mithilfe des BLE-Systems werden die Daten arbeitsgang- und auftragsabhängig erfasst und alternative Maschinen für Arbeitsgänge detektiert. Dieses Wissen kann in Planungs-­Algorithmen berücksichtigt werden und außerdem die Grundlage bilden, wertschöpfende und nicht wertschöpfende Prozesse zu identifizieren. Auf dieser Grundlage lassen sich Maßnahmen identifizieren, die die Durchlaufzeit senken und die Effizienz der Fertigung steigern.

Darüber hinaus werden die Produk­tionskosten anhand der Daten betriebs­begleitend berechnet. Damit lassen sich die Optimierungspotentiale quantifizieren und diesem zielgerichtet begegnen. Gegenwärtig findet die technische Umsetzung des Systems mit anschließender Erforschung der Projektziele statt.

Das IGF-Vorhaben (Nr. ZF 4070518DH9) der Forschungsvereinigung „Forschungsgemeinschaft Qualität“ e.V. (FQS), August-Schanz-Str. 21A, 60433 Frankfurt am Main, wird über die AiF im Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert.

Literatur

  1. Burger, C.: Produktionsregelung mit entscheidungsunterstützenden Informationssystemen. Dissertation, Iwb TU München, 1992.
  2. Loeffelholz, F. v.: Qualität von PPS-Systemen: Ein Verfahren zur Analyse des Informationsgehaltes. Dissertation, Fir+iaw der TU Aachen, 1991.
  3. Kuhn, A.: Entwicklungstendenzen in der Produktionslogistik. In: Kuhn, A. [Hrsg.] Produk­tionslogistik. Tagungsband. München, 1990, S. 8–33.
  4. Wiendahl, H.-P.; Wiendahl, H.-H.: Betriebsorganisation für Ingenieure. 9. Aufl., München: Carl Hanser Verlag, 2019.
  5. Weule, H.: Information als Produktionsfaktor. In: Görke, W.; Rininsland, H.; Syrbe, M. (Hrsg.): Information als Produktionsfaktor. 22. GI-Jahrestagung, Karlsruhe, 1992, S. 3–19.

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Von Daniel Arnold, Berend Denkena, Marc-André Dittrich

Daniel Arnold, M. Sc., Jahrgang 1988, studierte Mechatronik und Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover und ist dort seit 2016 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW). Bild: IFWProf. Dr.-Ing. Berend Denkena, Jahrgang 1959, leitet seit 2002 das IFW der Leibniz Universität Hannover.Dr.-Ing. Marc-André Dittrich, Jahrgang 1986, studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der Leibniz Universität Hannover und leitet seit 2015 den Bereich Produktionssysteme am IFW.

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