Digitaler Modellanlauf

Dr. Marcus Adams und Patrick Müller sind Mitarbeiter der PSI AG, Aschaffenburg‘

Moderne Autos entstehen heute im Computer. Bevor auch nur ein Teil gebaut wird, werden Design-Studien erstellt, zusammengefügt, wieder verworfen und schlussendlich auf Festigkeit und Crash-Verhalten getestet. Erst danach werden Schritt für Schritt Prototypen und später Versuchsträger gebaut.

Interessanterweise gilt dieser Designprozess noch nicht für die Entwicklung der Fertigungseinrichtungen eines neuen Modells. Der Wettbewerbsdruck, in immer kürzeren Abständen neue Modelle auf den Markt zu bringen, zwingt jedoch die Automobilbauer zum Handeln. Auch die entsprechenden Fertigungseinrichtungen müssen in immer kürzerer Zeit geplant und in Betrieb genommen werden. Ein bedeutender Ansatz hierzu ist die vollständige Simulation von Fertigungsstraßen im Rechner. Ziel ist es, alle relevanten Teilprozesse in ihrer Vernetzung darzustellen, um so die gesamte Prozesskette in ihrem Verhalten beurteilen zu können.

Um die wichtigen und kritischen Punkte dieser Produktionskette auf einen Blick überwachen und komplexe Schritte führen oder übergreifend steuern zu können, entwickelte die Berliner PSI AG in Zusammenarbeit mit der Automobilindustrie ein Produktionsmanagementsystem (PMS) für die Fertigung von Fahrzeugen: PSI MControl.

Das PMS bezieht die bestehenden Systeme der Auftragsplanung und Fahrzeugsteuerung, der Anlagenebene (Automatisierung und Robotertechnik) und des Materialflusses der Werks- und Zulieferlogistik mit ein und generiert somit für den Betreiber der Fabrik eine aktuelle Gesamtsicht auf die komplexe Prozesskette der Produktion.

Diese Gesamtsicht wird zum einen unterstützt durch eine intuitiv zu bedienende Visualisierung, die hohe ergonomische Anforderungen erfüllt, zum anderen aber durch die Kommunikation mit den Werkern an den Fertigungslinien. Ein weiterer integraler Bestandteil der Technik des PMS ist ein Alarm- und Meldesystem. Die logische Aufbereitung und die Verknüpfung der Meldungen verschiedener Produktionssysteme werden nach individuellen Wünschen der Betreiber vorgenommen. Auch für die Übertragung von Betriebsdatenrückmeldungen (BDE) der Werker stehen verschiedene Komponenten zur Verfügung (etwa Remote-Anbindungen per WLAN). Eine der Hauptaufgaben des Produktionsmanagementsystems ist es, Detailinformationen zu aussagekräftigen Zielgrößen zu komprimieren (grafisch oder numerisch). Entscheidend dabei ist, dass in jedem Maßstab – also Detail- oder Übersichtebene – das Wesentliche visualisiert und der Anwender nicht mit nebensächlichen Infos überfrachtet wird.

Sind die Fertigungslinien in der virtuellen Computerwelt abgebildet, werden Fertigungsfluss (Produktstückzahlen) und Materialfluss (Logistikversorgung) mit Expertensystemen simuliert. Bereits in dieser Phase ist es mit PSI MControl möglich, das übergeordnete Leit- und Produktionsmanagementsystem – teils vollautomatisiert – mit hochzuziehen. Es nutzt dabei die Informationen aus der digitalen Fabriksimulation und baut durch intelligente Importfunktionen die Topologie der Fertigung entsprechend auf. Das bedeutet im Einzelnen die Einbindung aller vorhandenen Anlagen und Stationen.

Sobald alle Anlagenteile der neuen Linie installiert sind, kann PSI MControl – bildlich gesprochen – vom virtuellen Prozess auf den realen Prozess „umgesteckt“ werden und steht somit frühzeitig zur Inbetriebnahme bereit. Diese Vorgehensweise verkürzt die Anlaufphase erheblich und spart hohe Folgekosten, die in der Vergangenheit während der Vorserienphase angefallen sind. Das PMS steht mit den ersten produzierten Stückzahlen zur Verfügung. Der Schulungs- und Lernaufwand für neue Mitarbeiter wird durch diese Vorgehensweise deutlich reduziert.

Anlagenteile, Bearbeitungszentren oder Montagezellen sind mit eigenen Bedien- und Beobachtungsstationen (BuB) ausgerüstet. Bei der Einführung eines übergeordneten PMS werden diese BuB-Stationen in der Regel beibehalten. PSI MControl ist in der Lage, diese Systeme in das PMS einzubinden, deren Daten aufzubereiten und im übergeordneten Kontext darzustellen. Aufgrund vorangeschrittener Standardisierung und der Fähigkeit, große Datenmengen zu handhaben, stellt die Anbindung technisch keine Herausforderung mehr dar. Auch ist es unerheblich, ob real operierende oder simulierte Anlagenteile in das PMS eingebunden werden.

Ein Gesamtbild der Produktion und ihrer Performance ergibt sich jedoch nur, wenn auch die IT-Systeme, die für die Fahrzeugsteuerung (Auftragsmanagement) und die Materialflüsse (Werks- und Lieferlogistik) verantwortlich sind, mit in das Gesamtbild einbezogen werden. Eine umfassende Überwachung von Puffern, Kapazitäten und Beständen sorgt für eine größtmögliche Sicherheit, den Fertigungsfluss aufrecht zu erhalten und die Zielvorgaben der jeweiligen Schicht zu erreichen. Mit Hilfe spezieller Software-Tools können beispielsweise die Transaktionen in der Supply Chain (etwa JIS-, JIT-Lieferungen) so überwacht werden, dass Materialengpässe frühzeitig erkannt und Alternativstrategien eingeleitet werden können.

Die Zusammenführung von Daten aus Produktion, Auftragsmanagement (PPS, ERP) und Logistik in einem übergeordnetem PMS bringt nicht nur Vorteile bei der Führung des Produktionsprozesses, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten beim Erzeugen und Verfolgen produktbezogener Daten.

Je präziser man in der Lage ist, Einbauteile per eindeutigem Schlüssel zu identifizieren, Hersteller oder Zulieferer zuzuordnen und dies in Bezug zu setzen mit den dazugehörigen Produktionsparametern (etwa Drücke und Temperaturen), desto aussagekräftiger können produktbezogene Daten erzeugt und zum Zwecke der Produkthaftung archiviert werden. Die Zusammenführung solcher Daten aus einem übergeordneten PMS bringt einen erheblichen Nutzen mit sich. So können mögliche Rückrufaktionen wesentlich kostengünstiger durchgeführt werden, da nur jeweils die einer Serie zugeordneten Fahrzeuge gezielt in die Werkstatt einbestellt werden müssen. Das Einsparpotenzial kann dabei unmittelbar von der Zahl der jeweiligen Zulieferer abgeleitet werden.

Die Archivierungsstrategie legt PSI zusammen mit den Fabrikbetreibern individuell fest. Schicht- und Tagesergebnisse, Ausschussraten, Gesamtanlagenverfügbarkeit, Produktionsparameter und Stückzahlen werden von PSI MControl aufbereitet und stehen allen verantwortlichen Abteilungen in der Fabrik jederzeit zur Verfügung. Ein Archivsystem unterscheidet zwischen Lang- und Kurzzeitdaten und sorgt dafür, dass sich die Datenflut in Grenzen hält. Für unterschiedliche Fachabteilungen können gezielt Sichten auf die Datenbestände des PMS erzeugt werden, so dass der Benutzer schnell und sicher „seine“ Daten beschaffen kann. Jeder PC mit Java-fähigem Browser ist in der Lage, auf das PMS zuzugreifen. Umfangreiche Mechanismen des Zugriffschutzes stehen zur Verfügung.

Jeder Produktionsprozess, sei es die Herstellung von Motoren, Karosserieteilen oder der anspruchsvolle Lackierprozess, unterliegt eigenen Gesetzmäßigkeiten. Je früher die Eigenheiten von Teilprozessen dargestellt, analysiert und in Zusammenhang gebracht werden können, desto früher liegen für den Betreiber des Produktionsprozesses Aussagen über dessen Leistungsfähigkeit, Höhe der Kammlinie und mögliche Schwachstellen vor. Die Einbindung bereits installierter Produktionseinrichtungen mit simulierten Anlagenteilen sollte aber nicht nur der Schwachstellenanalyse dienen, sondern auch der gezielten Betrachtung möglicher Störgrößen und deren Auswirkungen auf den betrachteten Prozess. Wenn hieraus Betriebsszenarien im Sinne alternativer Fahrweisen abgeleitet werden können, steht ein bisher nicht vorhandenes Erfahrungspotential bereits beim Anlauf einer Produktionsanlage zur Verfügung.

Wird dieses Erfahrungspotenzial bereits zum Zeitpunkt der Anlagensimulation dem übergeordneten PMS verfügbar gemacht (etwa durch gezielte Aufbereitung kritischer Daten in aussagekräftige Information für das überwachende Personal) können die Inbetriebnahmezeiten einer Anlage erheblich verkürzt und der Stückzahlanlauf (Ramp-Up) wesentlich steiler als bisher üblich erfolgen.

Die zunehmende Zahl von Fahrzeug-Modellvarianten lässt das Thema „Anlageninbetriebnahme“ zum Alltagsgeschäft der Fahrzeughersteller werden. Je sicherer und schneller dieser Prozess beherrscht wird, desto schneller werden sich die Renditen für die Investitionen einstellen.

Online- Kommunikation mit der Feldebene

Datenintegration schafft gläsernes Produkt

d-play mit den Anlagenherstellern

Die Fabrik im Blick

Geschwindigkeit ist Trumpf

Einen Eindruck der Funktionalitäten des Produktionsmanagementsystems PSI MControl können sich die Besucher der Messe SPS/IPC/DRIVES in Nürnberg vom 25.-27.11.03 auf dem PSI-Stand 322 in Halle 7A verschaffen. Zu dem Thema gibt es auch einen Vortrag „Die Digitale Manufaktur“der PSI, der im Rahmen des Kongresses auf der Messe stattfindet.