Mit Digitalen Zwillingen zur wandlungsfähigen Produktion - Realisierung einer durchgängig digitalisierten Industrie 4.0-Fertigung

Thomas Kuhn und Frank Schnicke

Produktionsanlagen sind heute auf die Massenproduktion identischer Güter ausgelegt. Zwar besitzen sie oft eine gewisse Flexibilität, diese ist aber vorab klar definiert. Im Kontrast zu Flexibilität, wobei es sich um die Fähigkeit handelt, zwischen vordefinierten Produktvarianten zu wechseln, steht die Wandlungsfähigkeit. Die Wandlungsfähigkeit einer Anlage beschreibt die Fähigkeit, auch ungeplante Änderungen effizient durchzuführen. Diese sind heute mit einem hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Wandlungsfähigkeit erlaubt es Produzenten schneller auf veränderte Nachfragesituationen zu reagieren und auch Produktionsaufträge, die nur kleine Stückzahlen umfassen, effizient zu fertigen. Das Ziel hierbei ist es, eine effiziente Fertigung von Aufträgen mit der Losgröße Eins zu erreichen, also die individualisierte Massenproduktion. Bei dem Konzept des Digitalen Zwillings handelt es sich dabei um ein Schlüsselkonzept zur Umsetzung der geforderten Wandlungsfähigkeit.

Im Kontext des durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Referenzprojekts BaSys 4.0 haben wir ein Fertigungskonzept entwickelt, dass eine effizient wandlungsfähige Produktion ermöglicht. Dazu wurden relevante Konzepte sowohl aus Forschung, als auch aus Standardisierungsgremien, wie z. B. der Plattform Industrie 4.0, zusammenführt und integriert. Unsere Open-Source Middleware Eclipse BaSyx (https://projects.eclipse.org/projects/technology.basyx) stellt eine Referenzimplementierung der BaSys 4.0-Konzepte bereit. Dadurch sind die grundlegenden Softwarekomponenten, die zur Umsetzung einer wandlungsfähigen Produktion erforderlich sind, frei verfügbar.


Herausforderungen einer wandlungsfähigen Produktion

Die steigende Nachfrage nach individualisierten Produkten bietet für Produzenten neue Möglichkeiten zur Differenzierung gegenüber den Wettbewerbern [1]. Neben dem Preis pro Stück und der Qualität ist die Fähigkeit, individualisierte Produkte zu fertigen, ein neues Alleinstellungsmerkmal. Bereits heute gibt es einen Markt für individualisierte Produkte:  Kann ein Hersteller z. B. zusätzliche Befestigungslöcher in seinen Werkstücken anbieten, so wird dies mit einem deutlich höheren Stückpreis vergütet, und der Fertiger erwirtschaftet eine höhere Marge pro gefertigtem Werkstück. Eine Herausforderung ist, wenn diese Individualisierung nur für eine sehr geringe Menge von Werkstücken angefragt wird. Bei der traditionellen Massenproduktion lässt sich dies nicht wirtschaftlich abbilden. Trotz der höheren Gewinnspanne ist der absolute Gewinn zu gering um die Kosten der Produktionsumstellung aufzuwiegen.

Die Notwendigkeit der Wandlungsfähigkeit ergibt sich aber nicht nur aus dem Bedürfnis nach mehr Individualisierung heraus. Kürzere Produktlebenszyklen zwingen nicht nur die Hersteller eines Produkts, sondern auch alle Zulieferer, notwendige Investitionen in die Produktion in kürzeren Zeiträumen zu erwirtschaften. Erreicht ein Produkt nicht die erwarteten Stückzahlen, verschärft dies die Situation zusätzlich. Fertiger mit wandlungsfähigen Produktionslinien können in diesen Fällen besser auf sich verändernde Nachfragen reagieren und haben daher einen Wettbewerbsvorteil [2].
Die Wandlungsfähigkeit einer Produktion umfasst die Modifikation der Produktionsressourcen und des Prozesses. Die physische Wandelbarkeit der Produktionsressourcen umfasst dabei das Bereitstellen und Einspannen neuer Werkzeuge, gegebenenfalls das Hinzufügen neuer Geräte in der Fertigung, sowie möglicherweise das Training von Mitarbeitern. Die Änderung eines Produktionsprozesses erfordert die Modifikation der Anlagenautomatisierung und eine Anpassung der Dokumentation von Prozessschritten und Qualitätsdaten. Weitergehende Modifikationen können sogar die Etablierung neuer Lieferketten und neue Zertifizierungen erfordern.

Die physischen Modifikationen einer Produktion sind gut kalkulierbar, falls die erforderlichen Werkzeuge verfügbar, und mit den genutzten Fertigungsanlagen kompatibel sind. Die Veränderung der Automatisierung ist eine deutlich größere Herausforderung: Die Automatisierung von Fertigungsprozessen wird mittels Speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) realisiert. Diese führen zyklische Programme aus, die Prozessschritte der Fertigung implementieren. Sie steuern Arbeitsstationen und die dort vorhandenen Maschinen und führen, mit deren Hilfe, für jedes Werkstück die notwendigen Fertigungsschritte durch. Programmparameter ermöglichen dabei die Fertigung verschiedener, vordefinierter Varianten. Das Programm jeder SPS realisiert einen definierten Teil des Fertigungsprozesses. Der vollständige Fertigungsprozess ist auf alle SPS verteilt. Änderungen an der Automatisierung des Fertigungsprozesses erfordern daher die Neuprogrammierung von SPS und führen aufgrund unbekannter Interaktionen oft zu unerwarteten Seiteneffekten bei den folgenden Funktions- und Integrationstests. Seiteneffekte verzögern die Inbetriebnahme der modifizierten Fertigungslinie und erfordern zusätzliche Stillstandszeit.

 


Bild 1: Klassische SPS-basierte Steuerung vs. dienstbasierte Fertigungsarchitektur.

Wandlungsfähig durch dienstbasierte Fertigung

Ein wandlungsfähiges Automatisierungskonzept reduziert die Stillstandzeiten bei der Durchführung von ungeplanten Änderungen auf ein Minimum. Idealerweise können Änderungen, zum Beispiel an Geräten oder an der Programmierung eingebracht werden während die Anlage läuft. Seiteneffekte treten in der idealen Situation nicht auf.

Unsere Open-Source Industrie 4.0 Middleware Eclipse BaSyx unterstützt die Wandlungsfähigkeit einer Anlage durch ein dienstbasiertes Fertigungskonzept. Dabei implementieren SPS aufrufbare Dienste [3], wie in Bild 1 dargestellt. Ein Dienst auf der SPS implementiert echtzeitfähige Abläufe, wie z. B. das Bohren eines Lochs und alle dafür notwendigen Sicherheitsfunktionen. Um Dienste weiter anzupassen, können diese mit Parametern gesteuert werden. Diese definieren z. B. die Position eines Bohrlochs. Wichtig ist dabei, dass es sich wirklich um einen unteilbaren Dienst handelt. Über den Aufruf eines Dienstes entscheidet die SPS bei einer Dienstbasierten Fertigung jedoch nicht mehr. Vielmehr übernimmt diese Aufgabe ein Orchestrator, der anhand des Fertigungsplans oder Rezepts für jedes Werkstück die passenden Dienste der SPS aufruft. Analog zu komplexen Softwaresystemen wird dadurch die Realisierung eines Diensts und dessen Aufruf getrennt [4].

Durch diese Trennung ist eine Modifikation der SPS-Programmierung nur dann erforderlich, wenn ein neuer Dienst realisiert werden muss. Die Orchestrierung von Diensten lässt sich daher deutlich einfacher verändern. Wir nutzen als Orchestratoren Business Process Model and Notation (BPMN) Engines, wie z. B. Activiti, die die Orchestrierung der Fertigung für jedes Produkt mittels eines Fertigungsplans steuern. Eine Änderung des Produktionsablaufs erfordert dann lediglich eine Modifikation des Fertigungsplans für dieses Produkt. SPS Programme müssen nur noch geändert werden, wenn neue Dienste hinzugefügt werden. Die dadurch einhergehende Zeitersparnis erhöht die Wandlungsfähigkeit einer Anlage signifikant.
Auch bei der Nutzung einer dienstbasierten Fertigungsarchitektur müssen implizite Abhängigkeiten zwischen Diensten vermieden werden, damit bei einer Änderung der Produktion keine Seiteneffekte auftreten. Dienstbasierte Architekturen in der IT erfordern, dass alle Dienste über definierte Schnittstellen verfügen, und relevante Daten nur über diese Schnittstelle ausgetauscht werden. Dienste müssen Zustandsfrei sein, das bedeutet, Diensterbringer dürfen intern keine Informationen über vergangene Dienstaufrufe speichern. Vielmehr müssen einem Diensterbringer alle notwendigen Eingangsdaten über seine definierte Schnittstelle bereitgestellt werden. Ausgangsdaten werden ebenfalls über diese Schnittstelle kommuniziert. Dienstaufrufe müssen voneinander unabhängig durchführbar sein und dürfen insbesondere keine Abhängigkeiten zu anderen Diensten auf dem gleichen Gerät, oder auf anderen Geräten haben. Da alle Daten explizit bei Aufruf eines Diensts durch den Orchestrator bereitgestellt und empfangen werden müssen, gibt es keine implizite Kommunikation zwischen SPS, die Seiteneffekte hervorrufen könnte.

Eclipse BaSyx definiert eine Führungskomponentenschnittstelle als einheitliche Schnittstelle zum Aufruf von Diensten und der Auswahl von Betriebsmodi. Einzelführungskomponenten abstrahieren die proprietären Schnittstellen einzelner Geräte durch eine herstellerunabhängige dienstbasierte Schnittstelle. Auf diese Weise können Geräte eines Herstellers durch Geräte eines anderen Herstellers substituiert werden, sofern deren Führungskomponenten die gleichen Dienste realisieren.

Wir unterscheiden zwischen Einzel- und Gruppenführungskomponenten. Während Einzelführungskomponenten Dienste einer einzelnen Einheit, z. B. eines einzelnen Geräts, bereitstellen, orchestrieren Gruppenführungskomponenten mehrere Führungskomponenten und stellen deren Fähigkeiten mittels abstrakterer Dienste bereit. Ein Beispiel für eine Gruppenführungskomponente ist ein Ende-zu-Ende-Transportdienst, der mehrere Gurtförderer umfasst. Die Abstraktion einer Gruppenführungskomponente versteckt die Details der Implementierung und stellt einen Transportdienst zwischen definierten Positionen bereit.

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