Abbildung durch Verwaltungsschalen

Im Rahmen von Industrie 4.0 sollen moderne Ansätze aus der Informations- und Kommunikationstechnik auf die Operational Technology (OT) in der Fabrik übertragen werden. In der Praxis leitet sich daraus die Notwendigkeit ab, die heterogene Landschaft an Systemen zur Steuerung, Überwachung und Anpassung der Fertigung interoperabel zu vernetzen. Die Realisierung verspricht völlig neue Möglichkeiten eine industrielle Produktion zu organisieren.

Die Umsetzung der Vision hinkt jedoch den Erwartungen hinterher. Die Realisierung kommt einem grundlegenden Paradigmenwechsel gleich, dessen Vollzug aufgrund hoher technischer Komplexität und einer großen Anzahl beteiligter Stakeholdern schwer zu erreichen ist. Die Stuttgarter Maschinenfabrik am Institut für Steuerungstechnik für Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Uni Stuttgart stellt ein konkretes Umsetzungsprojekt für Industrie 4.0 dar. Ziel ist es, Realisierungshürden zu überwinden und Potenziale aufzuzeigen, die durch den Vollzug des Paradigmenwechsels ausgeschöpft werden können.

Virtuelle Abbildung

Im Kontext von Industrie 4.0 werden alle physischen und nicht-physischen Objekte, die für eine Organisation einen Wert haben als Asset bezeichnet. Im Fertigungsumfeld kann das Asset beispielsweise eine Maschine, ein Sensor in der Maschine oder eine Softwarelizenz sein. Selbst eine gesamte Produktionshalle oder ein Fertigungsstandort sind ein Asset. Digitale Zwillinge sind virtuelle Abbildungen von Assets. Um ein Asset im virtuellen Raum beschreiben zu können, muss der digitale Zwilling alle relevanten Daten und Informationen zu diesem Objekt beinhalten. In der Stuttgarter Maschinenfabrik werden die digitalen Zwillinge in Form von Verwaltungsschalen nach dem Standard der Industrial Digital Twin Association (IDTA) umgesetzt. Die Verwaltungsschale dient als Schnittstelle zum realen Asset, auf die zugegriffen werden kann. Sie enthält die Daten des Assets in standardisierter und strukturierter Form. Neben Schlüssel/Wert-Paaren können auch Dokumente und Referenzen auf externe Datenquellen enthalten sein. Daten aus dem Betrieb können in die Verwaltungsschale zurückgespielt werden. In der Stuttgarter Maschinenfabrik werden Verwaltungsschalen verwendet, um die Produktion einerseits flexibel und automatisiert zu realisieren und andererseits die durchgeführten Prozesse zu dokumentieren und auszuwerten.

Flexible Fertigung

Auf der Modellanlage des ISW wird ein sogenanntes Multi-Keytool als Beispielwerkstück gefertigt. Dabei handelt es sich um ein konfigurierbares Produkt, welches verschiedene Werkzeuge enthält. Mit einem Konfigurator können die gewünschten Tools (z.B. Speichenschlüssel, Flaschenöffner, Einkaufswagen-Chip oder Sechskantschlüssel) in gewünschter Ausprägung (z.B. Art, Größe oder Ort) gewählt werden. Nach der Konfiguration wird automatisiert ein CAD-Modell des zu fertigenden Produkts erstellt und eine Verwaltungsschale angelegt, welche die Konfigurationsdaten, die resultierenden Konstruktionsdaten und das CAD-Modell beinhaltet. Die Verwaltungsschale dient als Basis für die darauffolgenden Schritte der Produktion. Im nächsten Schritt wird die Herstellung geplant. Hierfür wird die Planungslogik mit den Daten in der Verwaltungsschale des konfigurierten Produkts und den Informationen über verfügbare Maschinen sowie deren Fähigkeiten und Eigenschaften gefüttert. Das Resultat dieser Planung ist der Produktionsplan, der in der Verwaltungsschale der Produktinstanz abgelegt wird. Im Produktionsplan werden die notwendigen Fertigungs- und Rüstprozesse festgelegt. Ausgehend von diesem Plan wird das Produkt gefertigt und die Produktions- und Qualitätsdaten in der Verwaltungsschale gespeichert. Fällt eine Maschine aus oder ist die Qualität des ausgeführten Produktionsschritts nicht ausreichend, wird die Fertigung umgeplant bzw. nachgearbeitet. Auch die dabei entstehenden Daten werden in die Verwaltungsschale des Produkts integriert.

Verwaltungsschalen der Maschinen

In die Modellfabrik sind verschiedene Maschinen integriert, die unterschiedliche Fertigungsschritte ermöglichen: Mehrere Fräsmaschinen für die zerspanende Bearbeitung, ein hybrider Roboter, der additiv und subtraktiv fertigen kann, ein Laserbearbeitungszentrum sowie ein fahrerloses Transportsystem für den Transport des herzustellenden Produkts zwischen den Maschinen.

Für jede Maschine existiert eine Verwaltungsschale mit den Informationen der Maschine und ihrer Komponenten (z.B. Antriebe, Achsen oder Sensoren). Durch die Verwaltungsschale können statische Informationen und auch Betriebsdaten dieser Maschinen eingesehen und geändert werden. Bearbeitet die Maschine das Produkt, wird etwa der Status der Maschine in der Verwaltungsschale von ‚bereit‘ auf ‚produzierend‘ geändert. Der Status wird bei der Produktionsplanung verwendet.

Ein Ziel der Stuttgarter Maschinenfabrik ist es, die Herstellung des Multi-Keytools vollständig virtuell abzubilden. Dazu gehören Konfiguration, Produktionsplanung, Prozesssimulation und Fertigung. Genauso wie die Integration von Fertigungs- und Qualitätsdaten in die virtuelle Abbildung. Für die Fertigungsplanung, -durchführung und -auswertung müssen neben dem herzustellenden Produkt auch die Maschinen der Fabrik und die Prozesse virtuell abgebildet werden sowie um die Daten der Herstellung ergänzt werden.