Digitale Lösungen zur Steuerung frei
verketteter Montagesysteme
Realisierung von flexiblen Routen im Kontext Industrie 4.0

Jonas Rachner, Simon Hort und Robert H. Schmitt

Bedingt durch erhöhte Produkt- und Variantenvielfalt wächst der Bedarf nach flexibel gestalteten Montagesystemen. Im Gegensatz zur klassischen Linienproduktion mit vorherrschend starrer Fördertechnik werden in einer frei verketteten Montage effiziente, individuelle Montagerouten mit taktunabhängigen Bearbeitungszeiten durch intelligente Steuerung und fahrerlose Transportsysteme (FTS) realisiert. Herausforderungen bei der Implementierung sind neben der Neuanordnung von Arbeitsstationen auf dem Shopfloor auch die Anpassung der bestehenden IT-Systeme und die Schaffung einer einheitlichen Datenlandschaft. Dieser Beitrag stellt die wichtigsten Faktoren zur IT-seitigen Umsetzung einer frei verketteten Montage dar und zeigt auf, welche bestehenden Standards aus dem Bereich Industrie 4.0 hierfür eingesetzt werden können.

Ein Ansatz zur Steigerung der Wandlungsfähigkeit und Flexibilität in Montagesystemen ist die Umstrukturierung zur Organisationsform der frei verketteten Montage, in der durch die Auflösung zeitlicher und räumlicher Restriktionen individuelle Bearbeitungsreihenfolgen mit taktunabhängigen Bearbeitungszeiten ermöglicht werden. Kernaspekte sind eine intelligente, vernetzte Planung und Steuerung, rekonfigurierbare Arbeitsstationen und ein flexibler Produktund Materialtransport z. B. durch die Nutzung von FTS (Bild 1) [1]. Anders als bei der klassischen Linienmontage ist die Montageroute nicht fest vorgegeben und kann vorab oder auch im laufenden Betrieb angepasst werden. Simulationsstudien aus der Automobilproduktion ergaben, dass eine flexible, matrixorientierte Montage gegenüber der klassischen Linienmontage eine Steigerung der Werkerauslastung um bis zu 12 % ermöglicht [2]. Zudem können auftretende Störungen durch die Echtzeitsteuerung und das damit verbundene, direkte Ausweichen auf redundante Stationen kompensiert und die Resilienz der Montagesysteme signifikant erhöht werden [3].


Bild 1: Faktoren zur Umsetzung einer digitalisierten, frei verketteten Montage am Beispiel der automobilen Endmontage.

Ein wichtiger Faktor zur Umsetzung individueller Bearbeitungsrouten ist die ganzheitliche Einbindung digitaler Lösungen zur Planung und Steuerung. Im Folgenden werden die wichtigsten Bestandteile zur digitalen Integration anhand von Leitfragen dargestellt (Bild 2) und mit bestehenden Standards aus dem Bereich Industrie 4.0 verknüpft.

Wichtige Bestandteile der digitalen Integration

Für eine erfolgreiche Systemsteuerung müssen ausreichend Informationen gesammelt und die richtigen Schlüsse daraus gezogen werden. Für die frei verkettete Montage heißt das, dass alle erfassten Daten der Objekte auf dem Shopfloor, sogenannte Assets, wie z. B. Montagestationen, Produkte oder FTS den Planungs- und Steuerungssystemen zur Verfügung gestellt werden müssen. Dies geschieht über einen Digitalen Zwilling, also ein Informationsmodell, das jedes Asset digital repräsentiert, dessen Daten bereitstellt und so deren Vernetzung ermöglicht. Die Weiterverarbeitung und Verwendung dieser Daten erfolgt in verschiedenen Softwaresystemen, die gemein sam mit den Assets in einer Systemarchitektur dargestellt werden. Diese zeigt die Aufgaben und funktionalen Zusammenhänge der einzelnen Komponenten auf. Für eine verlässliche Interaktion der Komponenten müssen geeignete Schnittstellen defi niert und Kommunikationsprotokolle bestimmt werden.


Bild 2: Bestandteile und Leitfragen zur digitalen Integration.

Aufbau der Systemarchitektur

Waren es in der Vergangenheit ganzheitliche proprietäre Lösungen, mit denen eine starr verkettete Linienmontage verwaltet und gesteuert werden konnte, besteht heute der Bedarf an fl exiblen Steuerungs- und Datenverarbeitungssystemen. Dies wird bedingt durch die individuelle Steuerung einer Vielzahl an Robotern und FTS auf dem Shopfl oor und einer hohen Menge an aufgenommenen Daten. Durch eine modular aufgebaute Systemarchitektur können Produktionsdaten aufwandsarm eingepfl egt und bereitgestellt werden sowie Systemkomponenten effi zient miteinander interagieren. Diese Komponenten sind in Bild 4 dargestellt und anhand der Ebenen der klassischen Automatisierungspyramide eingeordnet [4].

Im Zentrum steht das Leitsystem zur Steuerung der Material- und Produktfl üsse. Es ist sowohl für die Erstellung eines optimalen Ablaufplans als auch für die Freigabe und Ausführung der einzelnen Auftragsschritte verantwortlich. Für eine dynamische Reaktion auf Abweichungen des Ablaufplans (z. B. durch Stationsausfälle oder kurzfristige Produktionsabweichungen) wird der Systemstatus jederzeit beobachtet und gegebenenfalls eine direkte Umsteuerung eingeleitet. Die Routenerstellung im Leitsystem erfolgt über den Abgleich von auszuführenden Arbeitsschritten mit den verfügbaren Fähigkeiten der Montagestationen. Dazu wer den in einem ersten Schritt alle verfügbaren Routen erstellt (Matching) und dann anhand eines Zielkriteriums (z. B. Durchlaufzeit, Maschinenauslastung oder Termintreue) die optimale ausgewählt (Routing) [5]. Die Berechnungen können dabei von einfachen heuristischen Lösungen (z. B. Reihenfolgenregeln) bis hin zu Algorithmen des maschinellen Lernens reichen [3]. Die Auswahl eines geeigneten Entscheidungsalgorithmus ist eine Herausforderung, die unter Berücksichtigung aller Produktionsdaten ein großes Optimierungspotenzial bietet. Zusätzlich muss bei der Routenerstellung defi niert werden, in welchem Intervall oder bei welchem Ereignis (z. B. Auftragsankunft, Maschinenausfall) der Ablaufplan neu berechnet werden soll (Rescheduling). Der entstehende Ablaufplan gibt an, wann welche Arbeitsschritte eines Produkts auf welchen Stationen ausgeführt werden. Auf Basis dieser Informationen werden die entsprechenden Stationen belegt, Werker eingeplant und Handlungsanweisungen zur Verfügung gestellt.

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