Zeit und Raum – Faktoren für die Industrielle Revolution

Eine Arbeitswelt ohne Menschen: Beim Thema „Industrie 4.0“ überschlagen sich Wirtschaft, Politik und Medien vor Begeisterung. Tatsächlich entsteht rund um das „Internet der Dinge“ ein neues Wirtschaftssystem – mit automatisierten Prozessen, basierend auf neuen Technologien und neuer Logik. Funktechnologien wie GPS, RFID und Ultra-Breitband werden in den Produktionen die Automatisierung voran treiben. Entscheidend dabei ist, jedem „Ding“ eine Identität zu geben – und dessen Standort zu jeder Zeit im Computerauge zu behalten.

 

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Heute arbeiten die meisten Betriebe auf Basis von starren Produktionsplänen. Dagegen markieren Digitalisierung und Vernetzung der Arbeitsprozesse den Schritt in Industrie 4.0. Dazu gehört das automatisierte Sammeln von Daten aus der Produktion, der Entwicklung, der Logistik. Entscheidend sind nicht mehr die Arbeitspläne und deren Umsetzung – sondern die Analyse der tatsächlichen Abläufe, um so die grundlegenden Prozesse zu verstehen und individuell zu steuern. RFID, GPS, Ultra-Breitband sind hierfür Schlüsseltechnologien, weil sie die „Realtime-Location“-Systeme automatisiert mit Daten füttern – Aufgabe dieser Anwendungen ist es, den linearen Ablauf aller Prozesse innerhalb der Produktion zu berechnen und zu beschreiben und zu kontrollieren.

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Das Forschungsinstitut für Rationalisierung e.V. an der RWTH Aachen hat eine Methodik entwickelt, in der die Forscher „Realtime-Location“-Daten nutzen, um Muster zu erkennen und die Produktion zu automatisieren. Die Forscher orientieren sich am Rennsport: In den ersten Runden sammeln die Autos Daten und übertragen sie in die Rechenzentren des Teams. Nach deren Auswertung berechnen die Rennleiter eine Ideallinie, auf der der Fahrer unterwegs sein sollte. Analog zum Rennsport sollten die Produktionsverantwortlichen eine Ideallinie für Komponenten und Werkstücke innerhalb der Produktion festlegen. Die wird anschließend mit immer neuen Daten auf Unwägbarkeiten und Probleme eingestellt. Das Ziel sei der Aufbau einer „lernenden Fabrik“.

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Im ersten Schritt sammeln die Verantwortlichen belastbare Daten. Mit der Auswertung von Positionsdaten und Zeitstempeln verfolgen sie Werkstücke und Komponenten auf ihrem Weg durch die Produktion und messen die Prozessgeschwindigkeiten.  Im zweiten Schritt folgt die Analyse dieser Muster und die Annäherung an die Ideallinie. Die Systeme ermitteln die geeigneten Parameter, die Prozessverantwortlichen legen sie innerhalb der Einstellungen im Setup der Systeme fest. Wenn die Produktionsverantwortlichen ein klares Bild von ihren Prozessen haben, können sie auf neue Anforderungen reagieren. Mit Modellen, Prognosen und Vorhersagen werden sie starre Produktionspläne auflösen und die Komponenten auf Grund von neuen Parametern auf die Fertigungsstraßen schicken. Das Ziel vorrausschauende Entscheidungen zu treffen, erreichen sie im vierten Schritt. Sie realisieren die individuelle, auftragsabhängige Produktionsplanung. Die Fabrik hat gelernt und kann Entwicklungen erkennen, individuelle Produkte herstellen und dafür notwendige, vorausschauende Entscheidungen treffen.

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Zwei entscheidende Faktoren sind die Zeit und der für die Montage eines Produktes zur Verfügung stehende Raum. Für die technische Abstraktion stehen digitale Zeitstempel und sogenannte „Realtime Location“-Systeme zur Verfügung. Das Frontend dieser Systeme sind Funksensoren wie RFID, GPS oder Ultra-Breitband-Sender. Deren Aufgabe ist es Werkstücke, Komponenten – oder etwa in der Fahrzeugproduktion die Autos entlang dem Band – auf den Meter genau zu lokalisieren. Dafür werden die Werkstücke mit Tags oder Sendern ausgestattet, die die jeweils exakte Position und Uhrzeit an die Systeme schicken. Bislang verfolgen die Systeme die Werkstücke mit Hilfe von Barcode-Systemen: Werkstück, Arbeitsstation und Produktionssysteme sind über Kabel, Barcode, Barcode-Scanner verlinkt. Die Werker bestätigen den Abschluss eines Arbeitsschrittes, indem sie den Barcode auf einer Komponente, einem Werkstück oder einer Box scannen.

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Heute steht der Barcode für die manuellen Arbeitsprozesse – mit Funktechnologien gehen die Fabrikationen den Schritt in Richtung Automatisierung. Dazu erhalten die Komponenten zunächst eine Identität. Jetzt verfolgen die Systeme den Weg der Werkstücke vom Logistiklager durch die Fabrikation bis zur Nachbearbeitung – millisekundengenau und mit weniger als einem Meter Abweichung von der Ideallinie. Die entscheidende Frage ist: Wann ist welches Teil an welchem Punkt der Fertigung angekommen? Das IT-System ersetzt den Vorarbeiter mit der Stoppuhr. Es verfolgt die Komponenten durch die Produktion bis in das fertige Fahrzeug – und überwacht einen möglicherweise notwendigen Komponentenaustausch. So viel zur Zukunft – aber bereits heute arbeiten die Experten an den ersten Modellen und Analysen und Prototypen. Und als neues Paradigma gilt, dass sie dies alles nur mit Funktechnologien abbilden können.

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Bei Volkswagen basiert das Projekt „gläserner Prototyp“ auf dem Einsatz von RFID-Chips, die mit einer riesigen Datenbasis verbunden sind. Auf den RFID-Chips sind Daten wie Materialnummer und Auftragsnummer gespeichert. Der jeweilige RFID-Sender klebt auf der dazugehörigen Komponente oder dem Werkstück und gibt ihm eine Identität.  Volkswagen nutzt diese Technologie, um Prozesse innerhalb der Prototypenentwicklung zu automatisieren. Das montierte Versuchsfahrzeug wird in das sogenannte „Gate“ geschoben. Hier scannen mehrere RFID-Antennen innerhalb weniger Sekunden die etwa 150 RFID-Tags im Auto und übertragen die Daten an die Softwareanwendungen.

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„Auf diese Weise haben wir innerhalb kürzester Zeit den Versuchswagen komplett und voll automatisch dokumentiert“, sagt Malte Schmidt, der Projektverantwortliche bei Volkswagen. „Denn die RFID-Tags kleben auf nahezu allen für die Entwickler relevanten Bauteilen. Jede Veränderung am Prototyp wird automatisch erfasst und gespeichert.“ Ein Ziel sei es, alle Komponenten und die IT-Systeme miteinander zu vernetzen, um damit die Voraussetzungen für Industrie 4.0 zu schaffen. „Mit dem ‚Gläsernen Prototypen‘ haben wir gezeigt, dass das Prinzip funktioniert. Gleichzeitig sammeln wir wichtige Ergebnisse, um das Szenario von der technischen Entwicklung auf die Serienproduktion zu übertragen.“

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Doch die Kritik an RFID ist, dass die Sender sehr schwach sind. Die Signale würden von anderen Signalen überlagert oder verschwinden hinter Metallteilen oder Betonpfeilern. Für Kritiker sei auf dieser Basis eine zuverlässige Automatisierung nicht möglich. Eine andere Technologie arbeitet deshalb mit Ultra-Breitband-Frequenzen. Die Echtzeitortungssysteme des Herstellers Ubisense arbeiten mit stärkeren Sendern und liefern – laut Hersteller – auch dann präzise Ortungsdaten, wenn sie neben Maschinen oder Stahlträgern funken.

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„Ubisense liefert den Unternehmen Echtzeit-Informationen über die laufende Produktion, adaptive Kontrolle und datengestützte Analysen. Das System identifiziert, ortet und trackt prozesskritische Posten – wie Fahrzeuge, Materialien, Werkzeuge und Komponenten – präzise und exakt durch den gesamten Produktionskreislauf“, sagt Terry Phebey, Vice President Global Manufacturing Sales bei Ubisense. Die Stärke von Ubisense sei die Kommunikation zwischen Produktionssystem und Arbeiter. Weil das System jede Arbeitsstation und jedes Fahrzeug eindeutig verlinke, erhalte der Werker Anweisungen, welchen Handgriff er mit welchen Werkzeugen an welcher Stelle eines Fahrzeuges ausführen muss. „Das ist der Schlüssel zu einer individualisierten Produktion. Es werden kaum mehr Montagefehler passieren, unsere Kunden montieren schon heute unterschiedliche Modelle in unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf der gleichen Linie“, erklärt Phebey. „Für viele unserer Automotive-Kunden ist dies ein Schritt in Richtung individualisierter und personalisierter Fertigung.“

Christian Raum / veröffentlicht im Oktober 2015 in „Die Produktion“