Automatisierte Materialbereitstellung im Rahmen von Industrie 4.0

Inhaltsverzeichnis

1 Abbildungsverzeichnis

2 Einleitung
„Fabrikausrüster der Welt“ und die Herausforderung einer voranschreitenden Globalisierung
2.1 Problemstellung
2.2 Aufgabenstellung

3 Industrie
3.1 Beispiel: Dezentrale Produktionssteuerung
3.2 Beispiel: Flexible Maschinen
3.3 Logistik
3.3.1 Planung von Logistiksystemen
3.3.2 Navigationsflexibilität der Fördermittel
3.3.3 Anwendungsbeispiel: Vernetzte Steuerung einer schlanken Intralogistik

4 Grundlagen der Materialbereitstellung
4.1 Begriffsabgrenzung
4.2 Aufgaben und Funktionen
4.3 Materialbereitstellungsstrategien
4.3.1 Kriterien
4.3.2 Übersicht der Strategien
4.4 Fördertechnik
4.4.1Kriterien
4.4.2 Übersicht der Fördermittel
4.5 Bereitstelltechnik
4.5.1 Kriterien
4.5.2 Übersicht der Bereitstelltechniken

5 Anforderungen der Industrie 4.0 an die Materialbereitstellung

6 Konzept
6.1 Bereitstellstrategie
6.2 Arbeitsplätze und Bodenplatte
6.3 Förderhilfsmittel
6.4 Bereitstelltechnik
6.5 Fördermittel
6.6 Vorteile und Herausforderungen

7 Fazit und Ausblick

8 Literaturverzeichnis

1 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1, Hydrostatische Paradoxon

Abbildung 2, Linienbasierte Merkmalskarte

Abbildung 3, Potenzial der bedarfsorientierten Materialversorgung durch Cyber­Physische Systeme bezüglich der Anzahl gefahrener Zyklen

Abbildung 4, Potenzial der bedarfsorientierten Materialversorgung durch Cyber­Physische Systeme bezüglich der Anzahl gefahrener Teilrunden

Abbildung 5, Abschnitte der Materialbereitstellung

Abbildung 6, Prinzipien der Materialbereitstellung

Abbildung 7, Strategien der Materialbereitstellung

Abbildung 8, Morphologie der Fördermittel

Abbildung 9, Übersicht der Fördermittel

Abbildung 10, Beispielhafte Bewertung häufig eingesetzter Fördermittel anhand

wichtiger Bestimmungskriterien

Abbildung 11, Beispielhafte Bewertung häufig eingesetzter Fördermittel anhand

wichtiger Bestimmungskritieren

Abbildung 12, Morphologie der Bereitstelltechnik

Abbildung 13, Übersicht der Bereitstelltechnik

Abbildung 14, Bodenplatte und Arbeitsplätze im Obergeschoss mit Aufzugsregalen

Abbildung 15, Regalaufzug

Abbildung 16, FTF einzeln und im Verbund

Abbildung 17, Bewertung FTS

Abbildung 18, Innerbetriebliche Transport im Untergeschoss

2 Einleitung

„Fabrikausrüster der Welt" und die Herausforderung einer voranschrei­tenden Globalisierung

Deutschland ist zum einen bekannt für die Herstellung hochwertiger Güter und Anlagen der Automobilindustrie, der Chemie- und Elektrotechnik sowie des Maschinen- und An­lagenbaus; zum anderen respektiert als eine der führenden Industrienationen weltweit. Der Anteil des verarbeitenden Gewerbes an der Bruttowertschöpfung betrug 22,6 % im Jahr 2012 (nur Südkorea hat mit 31,1 % einen höheren Anteil)¹. 2012 betrug der Anteil am Bruttoinlandsprodukt 25,5 %² — ebenso wurden Waren im Wert von 1 095,8 Milliarden Euro exportiert, dies machte Deutschland zum drittgrößten Exporteur weltweit³. Diese Zahlen belegen eindrucksvoll, wie wichtig die Produktion für das Wachstum, die Beschäf­tigung und den Wohlstand ist. Um diese Stellung weiter auszubauen, ist es von Relevanz, dass sich die Industrie weiterentwickelt und ihre Innovationspotenziale nutzt, damit sie den benötigten Wissensvorsprung ausbauen kann, um auch in Zukunft dem Titel „Fab­rikausrüster der Welt“ gerecht zu werden⁴.

Die Anforderungen der Kunden und der Wettbewerbsdruck werden in den nächsten Jah­ren stetig steigen, insofern
-„attraktive 'Märkte in den sogenannten BRIC-Staaten (Brasilien, Russland, Indien, China) entstehen,
-ausländische Produktionsstandorte bezüglich Qualität, Stückkosten enorme Fortschritte machen,
-die Transport- und Togistikkosten der letzten Jahre erheblich gesenkt werden konnten,
-mit dem 'internet ein leistungsfähiges, schnelles und weltumspannendes Kommu- nikationsnetgwerk verfügbar ist und damit
-Niedrigkostenstandorte mit Hilfe der entsprechenden Infrastruktur immer besseran Deutschland angebunden werden“⁵

Das bedingt, dass der Markt nach individuelleren Produkten bei gleichzeitig kürzerer Lie­ferzeit und gleichbleibender Qualität verlangt. Eine komplexere Herstellung der Güter ist zwangsläufig. Die Losgrößen werden kleiner und die Produktionssysteme müssen flexibler werden, um den höchst volatilen Markt bedienen zu können⁶.

Ein weiterer Faktor ist das hohe Lohnniveau in Deutschland. Die Unternehmen reagieren darauf, indem sie ihre Herstellung nach dem Prinzip der schlanken Produktion gestalten sowie wiederholbare und automatisierbare Prozesse automatisieren oder mit der Einfüh­rung eines robusten und ganzheitlichen Produktionskonzepts im Sinne des Toyota Pro­duktionskonzepts mit den charakteristischen Merkmalen: Pull-Prinzip, Kanban- oder Just- in-Time-Materialbereitstellung⁷.

In den nächsten Jahren steht die industrielle Fertigung vor einem erneuten Umbruch, der sogenannten vierten industriellen Revolution. Diese kann einerseits die gewünschte Kos­tenminimierung in der Produktion herbeiführen, andererseits auch einen neuen Markt schaffen, da die Fabriken mit neuen Anlagen, Transportsystemen, Aktoren und Sensoren ausgestattet werden müssen.

Industrie 4.0 geht auf eine Entwicklung zurück, die 1780 mit der ersten industriellen Re­volution durch die Einführung des dampfbetriebenen Webstuhls begann. Die Erfindung des strombetriebenen Fließbands, welches eine erste Teilmassenfertigung ermöglichte, folgte im Jahr 1890. Ein Jahrhundert später startete die dritte industrielle Revolution. Mit dem Einzug von IT und Elektrotechnik wurde die Fertigung digitalisiert, dies ermöglichte eine Automatisation der Produktion.⁸

Die vierte industrielle Revolution knüpft daran an und erlaubt dabei einen höheren Auto- matisationsgrad. In der zukünftigen intelligenten Fabrik werden sich die Produkte mit den Maschinen und Transportsystemen abstimmen und selbst organisieren können. Diese Vernetzung, mithilfe eines flächendeckenden Einzugs von Informations- und Kommuni­kationstechnik ermöglicht eine Echtzeitfähigkeit der Produktion sowie eine Verschmel­zung der realen und virtuellen Welt. Die Objekte in der Fabrik agieren autonom und wer­den dezentral gesteuert, Störungen können selber erkannt und gelöst werden. Industrie 4.0 hilft den Unternehmen, schnell und flexibel auf den Markt zu reagieren und dabei indivi­dualisierte Produkte wirtschaftlich bei niedrigen Losgrößen produzieren zu können, um die Wettbewerbsfähigkeit noch einmal zu erhöhen⁹.

2.1 Problemstellung

Das Konzept von Industrie 4.0 ermöglicht eine Vielzahl von neuen Anwendungen, Ge­schäftsmodellen und Produkten, welche im Folgendem aufgeführt sind:

- Die resiliente Fabrik:
In Zukunft können sich Bearbeitungsstationen flexibel an einen sich verändern­den Produktmix mithilfe von IT und modularen Konzepten anpassen.
- Marktplatz für Technologiedaten:

Produktionssysteme werden global miteinander vernetzt, womit sich das Potenzi­al ergibt, Wissen schnell und einfach auszutauschen.

Ein Beispiel: Eine Lasermaschine stellt Kundenteile aus Blechtafeln her. Diese können allerdings aufgrund der auf der Maschine vorhandenen Technologiedaten nicht in der benötigten Qualität produziert werden. Ebenso kann keine klassische Schneiddatenoptimierung durchgeführt werden, da das Material nicht zur Verfü­gung steht und die Zeit nicht ausreicht. Das Problem wird gelöst, indem auf ein internes und externes Technologie-Know-how zugegriffen wird und der Auftrag somit in der benötigten Qualität rechtzeitig ausgeführt werden kann.

- Intelligentes Instandhaltungsmanagement:

Unvorhersehbarer Produktionsstopp wird durch zeitgerechte Wartung verhindert. Mithilfe von Sensoren werden Datenüber Lasten der Maschine permanent er­fasst. Auf Basis dieser Daten können durch Algorithmen in Zusammenhang mit lastabhängigen Zuverlässigkeitsanalysen Prognosenüber die Lebensdauer kriti­scher Bauteile erstellt werden, was dem Mitarbeiter eine optimierte Instandhal­tungseinsatzplanung und Ersatzteilbereitstellung ermöglicht.

- Vernetzte Produktion:

Ermöglicht eine autonome Flexibilität hinsichtlich ungeplanter Ereignisse. Die Produktion wird in Zukunft komplett digital in Echtzeit abgebildet werden. Ne­ben den Informationen, wie z. B. aktueller Zustand, Ort und Fähigkeiten eines Produktionsmittels, können auch relevante Zustandsinformationen (Maschinen­ausfälle, Produktspezifikationsänderungen bei bereits begonnener Produktion, Eilaufträge etc.) von Partnerunternehmen in der Supply Chain ad hoc berücksich­tig werden. Diese Daten bilden die Basis für die Planung und Steuerung der Pro­duktion.

- Kundenintegriertes Engineering:

Der Kunde wird in den Wertschöpfungsprozess mit einbezogen. In der Automo­bilproduktion kann der Kunde z. B.über die Konfiguration mithilfe von Live­Daten der Supply Chain entlang des kritischen Wegs zuverlässige Verfügbarkeiten und Lieferzeiten ermitteln. Dies erlaubt den Kunden, durch Änderung der Aus­stattungsvariation den Liefertermin zu beeinflussen.

- Nachhaltigkeit durch Up-Cycling:

Neue Geschäftsmodelle sind möglich, indem die Eigentumsrechte an den Roh­stoffen beim Produzenten bleiben. Basis dafür sind die Herstellungs-, Montage- und Nutzungsdaten des Produkts. Mit diesen Daten kann zu jeder Zeit der Zu­stand der Bauteile festgestellt werden, welche sich dann durch geringe Änderun­gen oder Austausch dem aktuellen Stand anpassen lassen. Dies gestattet ein Up- Cycling, was bedeutet, dass sich ganze Baugruppen wiedernutzen lassen.

- Smart Factory Architecture:

In der zukünftigen Smart Factory werden z. B. nach Auftragseingang anhand ver­schiedener Kriterien, wie z. B. in Bestand oder Durchlaufzeit, andereähnliche be­reits erledigte Aufträge gesucht. Anschließend werden in der dynamischen Analy­se die erfolgreichsten Durchläufe gewählt, die dann als Vorschlag in die Auftrags­einplanung eingehen. Daraus entsteht die Notwendigkeit, dass sich im Hinter­grund die Methoden nicht mehr mit den komplexen Ursachen sondern mit den Relationen der Ein- und Ausgangsdaten beschäftigen.

- Selbstorganisierende adaptive Logistik:

Zuverlässige Logistikprozesse in der Produktion sind entscheidend für den effi­zienten und fehlerfreien Wertschöpfungsprozess. Der Markt verlangt zunehmend individuellere Produkte, wodurch die Anforderungen an die Stückzahl- und Vari­antenflexibilität steigen, auf diese Weise werden wiederum Engpässe und Beliefe­rungsfehler wahrscheinlicher werden. Mithilfe von cyber-physischen Systemen, welche im nachfolgenden Abschnitt erklärt werden, können die Logistikprozesse diesen Anforderungen gerecht werden.¹⁰

Die Arbeit befasst sich mit demübergeordneten Thema der selbstorganisierenden adapti­ven Logistik, das bedeutet dass die Steuerung der Materialbewegungen dezentral ist und eine künstliche Intelligenz vorhanden ist, indem die Produkte mit den Maschinen sowie Fördermitteln kommunizieren können. Das Produkt kann sich somit selbst durch die Fertigung steuern.

Grundlage dafür sind cyber-physische Systeme:

„CYBER-PHYSICAL SYSTEMS (CPS): CPS umfassen eingebettete Systeme, Produktions-, Logistik-, Engineering-, Koordinations- und Managementprozesse sowie Internetdienste, die mittels Sen­soren unmittelbar physikalische Daten erfassen und mittels Aktoren auf physikalische Vorgänge einwir­ken, mittels digitaler Netge untereinander verbunden sind, weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen undüber multimodale Mensch-Maschine-Schnittstellen verfügen. Cyber-Physical Systems sind offene sofotechnische Systeme und ermöglichen eine Reihe von neuartigen Funktionen, Diensten und Eigen­schaften,“¹¹

Mithilfe cyber-physischer Systeme (CPS) werden die Medienbrüche geschlossen, indem die Material- und Teilebewegungen ohne Verzögerung virtuell dargestellt werden. CPS bilden dabei die Grundlage für eine dynamische Intralogistiksteuerung in einer flexiblen Fabrik.

Das Hauptziel der Arbeit besteht darin, ein zukünftiges mögliches Konzept der automati­sierten Materialbereitstellung für die Produktion, welches den Anforderungen einer In­dustrie 4.0 gerecht wird, zu erstellen.

2.2 Aufgabenstellung

Für die Entwicklung eines neuen Konzepts der automatisierten Materialbereitstellung müssen differente Themen erörtert werden. Zunächst wird das Konzept und das Potenzi­al von Industrie 4.0 in Kapitel drei mit dem Fokus auf Logistik anhand von Beispielen erläutert. Anschließend erfolgt die Darstellung der Aufgaben und Funktionen, sowie der gängigsten Strategien, Fördermittel und Bereitstelltechniken der Materialbereitstellung in Kapitel 4. Danach werden in Kapitel 5 die Anforderungen von Industrie 4.0 für die neue Lösung beschrieben. Mittels dieser Anforderungen wird das neue Konzept entwickelt in Kapitel 6 entwickelt.

Die nächste industrielle Revolution ist eines der Zukunftsprojekte in der Hightech­Strategie der deutschen Bundesregierung — mit dem Ziel, einerseits den Produktions­standort Deutschland zu stärken¹¹, anderseits auch einen Leitmarkt durch den Einsatz von CPS zu schaffen und der deutschen Ausrüsterindustrie durch den Verkauf von CPS- Technologie und -produkten zum Leitmarktanbieter zu verhelfen¹². Ebenso kann Indust­rie 4.0 die Herausforderungen der Ressourcenknappheit und steigenden Energiepreise sowie der Gestaltung des demografischen Wandels bewältigen.¹³

Die Grundidee von Industrie 4.0, die Produktion im Unternehmen IT-technisch zu ver­netzen, existierte bereits in den 80er Jahren unter dem Sammelbegriff Computer In­tegrated Manufacturing. Die Vollautomatisierung der Planung bis zur Fertigung, komplett gesteuert durch Leitrechner, war das Konzept von CIM. Allerdings scheiterte dieses Vor­haben insofern, da zum damaligen Zeitpunkt die benötigten Datensysteme, Sensorik und Datenübertragungstechnik zu teuer und zu leistungsschwach waren¹⁴. Im Gegensatz zu früher sind diese Technologien mittlerweile bezahlbar und ausgereift genug, um den Schritt in die nächste industrielle Revolutionsstufe zu begünstigen.

Dieser ist auch dringend notwendig, da die innere Komplexität aufgrund der folgenden Punkte zunehmen wird:

- Produktportfolio
- Kunden- und Lieferantenportfolio
- Anzahl der zu verwendeten und verarbeitenden Materialien
- Stark verteilte dezentralisierte Produktionswertketten
- Unterschiedliche Prozesstechnologien
- IT-Systeme
- Multi-Layer-Organisationen — als Grundlage, Wissensmanagement zu betreiben
- Standortvielfalt

Die Schwierigkeit wird es sein, diese innere Komplexität mit deräußeren in ein Gleich­gewicht zu bringen und zu halten. Das gelingt nur durch dezentrale autonome Intelligenz in synergistischen Strukturen — oder anders gesagt: „Mit steigender Komplexität nimmt der Grad der Autonomie und der Dezentralisierung zu.“¹⁵

Technologische Grundlage für Industrie 4.0 ist das Internet der Dinge und Dienste sowie die cyber-physischen Systeme. Das Internet der Dinge und Dienste ermöglicht eine intel­ligente Umgebung in der Fabrik, indem das Produktionsumfeld lückenlosüber das Inter­net miteinander verzahnt wird. In der zukünftigen intelligenten Fabrik werden cyber­physische Systeme — wie z. B. Maschinen, Produkte, Lagersysteme und Betriebsmittel eingebettete Systeme — enthalten sein, welche durchgängigüber die komplette Wertkette miteinander vernetzt sind undüber das Internet kommunizieren. Darüber hinaus werden sie auch Webdienste nutzen können. Cyber-physische Systeme können ihre Umgebung in Echtzeit mit Sensoren erfassen und mithilfe weltweit verfügbarer Informationen und Dienste verarbeiten, um anschließend durch die Aktoren auf die reale Welt einzuwirken. Sie werden lokal gesteuert und können sich selbstüberwachen sowie eigenständig optimieren und Probleme im Zusammenspiel mit dem Menschen lösen. Diese Echtzeitfähigkeit (die permanente Datenaktualisierung) ermöglicht es, ein vollständiges Abbild der Realität zu generieren und gestattet somit völlig neue Geschäftsmodelle¹⁶.

Zusammenfassend formuliert Kagerman:

„Industrie 4.0 meint im Kern die technische Integration von CPS in die Produktion und die Logistik sowie die Anwendung des Internet der Dinge und Dienste in industriellen Prozessen — einschließlich der sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Wertschöp­fung, die Geschäftsmodelle sowie die nachgelagerten Dienstleistungen und Arbeitsorgani­sation.“¹⁷

3.1 Beispiel: Dezentrale Produktionssteuerung

Grundlage für die dezentrale Produktionssteuerung in Echtzeit sind die Transparenz sowie die hohe Informationsdichte, welche von den cyber-physischen Systemen bereitge­stellt werden. In der zentralen deterministischen Produktionsplanung, welche ERP- Systeme normalerweise anstreben, wird der gemeinsame und optimierte Fertigungsplan im Voraus berechnet. Das bedeutet, dass jeder Produktionsschritt und jede Produktions­ressource zu einen exakten Zeitpunkt durchgeführt oder bereitgestellt werden müssen, was aufgrund der stetig komplexer werdenden Herstellung der Güter (hohe Variantenan­zahl) selten gelingt.

In der dezentralen Steuerung hingegen wird die Optimierung der Aufgaben und Auftrags­reihenfolgen lokal durchgeführt, sie betrachtet dabei nur einen kleinenüberschaubaren Gegenstandsbereich und kann somit einerseits Vorgaben besser in den Optimierungszie­len einkalkulieren und andererseits auch zeitnah und flexibel auf sich verändernde Anfor­derungen reagieren.¹⁸

Im folgendem Fall wird dargestellt, wie die dezentrale Steuerung mittels eines Funkchips bzw. vernetzte eingebettete Systeme in der Smart Factory funktionieren und dadurch:

- Die Werkstücke eindeutig identifizierbar sind,
- die Produktionsdaten von einem Zentralserver abrufbar sind,
- Informationen von der Produktionsumgebung erfasst werden können
- und Steuerungsbefehle dezentral erzeugt werden.

Ein mittelständischer Spezialfarbenhersteller bietet seit 2012 individualisierte Farbpro- dukte an. Diese Firma benutzt das Internet als Vertriebsweg mit der Grundidee, dass Kunden bei der Bestellung ihre eigene Farbe aus verschiedenen Grundfarben selbst kon­figurieren können. Die Bestelldaten der Kunden werden gespeichert, damit jederzeit die gleiche Farbmischung reproduziert werden kann. Bestellungen, welche sich stark unterei­nander unterscheiden (Menge, Farbmischung, Untergrundmaterial), werden auf einem zentralen Server gesammelt und von der Fertigungssoftware analysiert und kategorisiert. Die optimale Bearbeitungsfolge der Aufträge wird automatisch ermittelt. Für jeden Auf­trag wird ein Funkchip erstellt, welcher sämtliche benötigten Daten enthält. Dieser wird auf einen Behälter aufgetragen und kann direkt mit eingebetteten Systemen entlang der Produktionsstrecke kommunizieren. Den Produktionsweg bestimmt der Chip mithilfe des Austauschs von aktuellen Prozessinformationen mit einem zentralen Server in Echt­zeit. Das Behältnis wird für die Produktionssteuerung durch den Chip jederzeit eindeutig identifizierbar. An den Abfüllstationen werden die Behälter mit der auf den Chip entspre­chend voreingestellten Mischung der benötigten Grundfarben befüllt.

Der Einsatz des cyber-physischen Systems lässt zu, die Produktionsflexibilität der Firma so zu erhöhen, dass sie in der gleichen Anlage eine hohe Variantenanzahl an Farbproduk- ten bei einer täglich großen Gesamtproduktion zu niedrigen Stückkosten herstellen kann.

Dieses Beispiel zeigt, wie die Dezentralisierung der Produktionssteuerung die Komplexi­tät (hohe Variantenanzahl) beherrschen kann und somit die einst vorherrschende Logik der Produktion auf den Kopf stellt: Vor 20 Jahren wurde die Produktion zentral von einer Produktionssoftware gesteuert und geplant. Die Fertigungsvorgaben wurden manu­ell in das System eingegeben, welches danach den Maschinen die jeweiligen Steuerungsbe­fehle den gab. Die zentrale Produktionssteuerung war unflexibel und zeitaufwendig, weil z. B. die Fertigung bei Produktionsänderungen gestoppt und neu programmiert werden musste, wodurch die Kosten der Fertigung in die Höhe getrieben wurden. In Zukunft wird dies dank Industrie 4.0 nicht mehr nötig sein. Das Produkt wird sich selbst durch die Fabrik steuern können und mithilfe des Internets können kurzfristige Änderungswünsche des Kunden zu niedrigen Mehrkosten berücksichtigt werden.²⁰

3.2 Beispiel: Flexible Maschinen

Ein weiteres Beispiel im Bereich der industriellen Metallverarbeitung demonstriert, wie eine flexible Fertigungsanlage organisiert kann:

- Es gibt eine Fertigungsstrecke mit vielen verschiedenen Verarbeitungsoptionen.
- Maschinen besitzen ein flexibles Werkzeugmanagement.
- Der Werkzeugverschleißwird durch eingebettete Systemeüberwacht.
- Rohlinge haben eine variable Durchlaufgeschwindigkeit.
- Flexible Anpassungsmöglichkeit an Situation und Rhythmus des Mitarbeiters.

Die Produktionsfläche eines Herstellers für Gehäuse und technische Geräte konnte mit­hilfe einer intelligenten Aufstellung seiner Anlagen stark reduziert werden können. Die Produktionsanlage kann verschiedene Metall- und Blechsorten auf unterschiedliche Weise verarbeiten (fräsen, bohren, schleifen oder lackieren). Auf einem Produktionsweg können Rohlinge in direkter Abfolge zu differenten Gehäusen verarbeitet werden. Extrem hitze­beständige Funkchips steuern diese Rohlinge. Sowohl Serienfertigung als auch Einzelfer­tigung, die ohne zusätzlichen Aufwand dazwischengeschoben werden können, sind auf der Fertigungsstrecke machbar. Cyber-physische Systeme werden hauptsächlich als flexib­les Werkzeugmanagement für die Maschinen benutzt, sodass Roboter Hunderte ver­schiedene Bewegungen verrichten können und diverse Werkzeuge in enger Abfolge be­nutzen können. Der Rohling kann z. B. mithilfe des Funkchips dem Fertigungsroboter mitteilen, welchen Bohrkopf er wo verwenden soll. Der Roboter kann auf eine Vielzahl an verschiedenen Bohrköpfen zugreifen und so in geringer Abfolge nacheinander Metalle in differenten Dichten und Härten verarbeiten. Ebenso werden Daten zur Abnutzung der Werkzeuge durch eingebettete Systeme erfasst, dadurch kann der Produktionsleiter jeder­zeit ermessen, wie viele Gehäuse mit einer bestimmten Güte derselbe Bohrkopf verarbei­ten kann. Durchlaufgeschwindigkeiten der einzelnen Rohlinge sind nicht voneinander abhängig. So kann bei Bedarf ein Rohling, welcher in der Fertigung später gestartet ist, die Produktionsstrecke schneller durchlaufen und andere Werkstückeüberholen. Einer­seits werden dadurch unnötige Wartezeiten vermieden, andererseits kann die Fertigung sich flexibler an den Rhythmus der Mitarbeiter anpassen. Ist ein Mitarbeiter zu langsam, erkennt die Maschine die Anomalie vom ursprünglichen Plan und verändert die Abläufe.

Die dezentrale Steuerung der Produktion wie auch die flexible Nutzung von Maschinen und Werkzeugen auf dem Fertigungsweg sind möglich, weil die Produktionssysteme für divergente Anwendungen offen sind und zeitnah für die jeweiligen Aufträge und Projekte eingestellt werden können. Obwohl verschiedene Produkte zur selben Zeit produziert werden, kommt es zu keinem Produktionsstopp, die Prozesse in der Fertigung wirken reibungsarm und in einem Fluss. Möglich wird das durch Industrie 4.0, da komplexe Re­chen- und Koordinierungsleistungen auf lokaler Ebene für das fehlerfreie Funktionieren verantwortlich sind. Grundstein dafür ist die Vernetzung aller Management- und Steue­rungsebenen. Im Gegensatz zur Vergangenheit, in welcher Kundenaufträge aufwendig in elektronische Steuerungsbefehle an die Maschinenübersetzt werden mussten, werden heute sämtliche benötigten Daten automatisch von oben nach unten durchgeleitet. Und im Gegenzug werden erhobene Informationen aus der Produktion genutzt, um die Ferti­gungsprozesse zuüberwachen und wenn nötig zu verändern. Je nach Grad der Verände­rung in der Produktion müssen unterschiedliche Entscheidungsebenen bis hin zum Ma­nagement einbezogen werden. Dies kann in sehr kurzer Zeit geschehen, da alle Prozess­ebenen durchgängig verbunden sind. Softwarelösungen koordinieren alle produktionsre­levanten Prozesse im Unternehmen, auch standortübergreifend und integrieren sie unter einer einfach bedienbaren Oberfläche. Maschinen und ihre Produktionsumgebung wer­denüber das Internet der Dinge verbunden sein. Im Zeitalter von Industrie 4.0 werden, selbst wenn die Fabriken der Unternehmen global verteilt sind, die Fertigungsprozesse von der Entwicklungüber die Produktion bis zur Produktauslieferung umfassend mitei­nander vernetzt sein.²¹

3.3 Logistik 4.0

Logistik ist die Branche mit dem größten zu erwartenden Wandel im Zeitalter von In­dustrie 4.0. Der Grund besteht zum einen in der schnellen technologischen Entwicklung und zum anderen sind viele der wesentlichen technischen und gesellschaftlichen Heraus­forderungen (z. B. Ressourcenknappheit, steigende Transportkosten oder der demografi­sche Wandel) direkt oder indirekt mit der Logistik und einem effizienten Supply Chain Management verbunden.

„Der ideale logistische Raum ist leerf‘¹⁹ ist die Vision der Ingenieure vom Fraunhofer IML für ein ideales intralogistisches System. Diese Idee kann mit Industrie 4.0 verwirklicht wer­den. Das System ist, aufgrund des immer volatileren Produktions- und Handelsumfelds, an keinen festen Ort mehr gebunden. Der ideale Standort ist zeitlich begrenzt. Die Kno­ten und logistischen Netzwerke müssen sich regelmäßig der Situation anpassen können, die logistischen Knoten müssen in Zukunft umzugsfähig sein. Dies bedingt, dass viele Formen klassischer und technischer Infrastruktur nicht mehr nutzbar sind.²⁰

So wird es in Zukunft keine Anlagen mit festen Strukturen durch Fördertechnik mehr geben und die Verfügbarkeit des Systems wird durch parallele Strukturen nachhaltig er­höht. Ein System mit einer starren Struktur, bei welchem z. B. ein vorgeschalteter Rollen­förderer ausfällt, kann die gesamte Fertigung zum Stillstand zwingen. Ein Ausfall eines intelligenten Fahrzeugs, welches die Produktion versorgt, wird durch ein anderes er- setzt.²¹

Autonome Fahrzeugeübernehmen in Schwärmen den innerbetrieblichen Transport. Arbeitsstationen können zu jeder Zeit ihre Aufstellung verändern. Die Fahrzeuge besit­zen eine künstliche Intelligenz und können voneinander lernen sowie miteinander kom­munizieren, indem ihre Softwareagenten miteinanderüber Aufträge und Wegerechte verhandeln sowie Standorte neuer Stationen oder Lagerplätze kontinuierlich austauschen. Ebenso sind sie fähig, in die Fächer zu fahren, um Behälter oder Paletten ein- und auszu­lagern. Die Lagerfächer und Behälter werden auch zu cyber-physischen Systemen. Die Bestandsführung wird von den Behälternübernommen, diese verständigen sich mit La­gerfachanzeigen sowie den Transporteinrichtungen und können bei Überschreitung des Mindestbestands den Nachschub anfordern.

Den cyber-physischen Systemen liegt einübergelagertes System vor, eine cloudbasierte Verwaltung, in welcher dieökonomischen Ziele und Strategien festgelegt sind. Dort wer­den noch auf herkömmliche Weise Kundenaufträge verarbeitet, Bestellungen angefragt oder die Finanzen geregelt. Multiagentensteuerungen der cyber-physischen Systeme (Kis­ten, Regale, Fahrzeuge, Maschinen) führen auf lokaler Ebene, wenn es sich um echtzeit­nahe und applikationsspezifische Durchführung geht, die Arbeit aus. Deren Zweck ist es, die vorgegebenen Ziele desüberlagerten Systems zu erfüllen, indem sie selbstständig den Lösungsweg finden und soziale Interaktion sowie proaktives Handeln organisieren.²²

3.3.1 Planung von Logistiksystemen

In der analytischen Planung der Logistik und somit des Materiaflusses, der Bewegung von Waren und Gütern im industriellen Umfeld kommt es vor allem auf die Grenzleistungs­berechnung an. Diese wird benutzt, um die benötigte Maximalleistung des geförderten Volumens pro Zeit bei Schüttgut, beziehungsweise Stückzahl pro Zeiteinheit bei Stück­gut, zu ermitteln.²³ Die Grenzleistungsberechnung verwendet dabei statistische Auswer­tungen sowie Simulationen, um die Ergebnisse zu kalkulieren. Die Grenzleistung flexibel auszulegen, wie sie dem immer volatileren Markt entsprechen würde, ist lediglich be­grenzt möglich. Die folgende Abbildung 1, das hydrostatische Paradoxon, zeigt den Kon­flikt, welcher bei der Grenzleistungsbetrachtung entsteht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1, hydrostatische Paradoxon in Anlehnung an ten Hompelund Henke 2014, S.617

Die Querschnittsfläche A sowie die Höhe h der Flüssigkeitssäule bestimmen den Durch­fluss am Auslass. Analog dazu beschreibt die Berechnung der Grenzleistung einen vorge­planten, größtmöglichen Materialfluss (Durchfluss) an einer definierten Stelle (Auslass), ohne davon beeinflusst zu werden, was davor geschehen ist. Das Problem ist die nicht mögliche beziehungsweise nicht wirtschaftlich darstellbare Anpassung der Grenzleistung.

Die Lösung des Problems besteht darin, den Materialfluss an jeder Stelle zu regeln. In Zukunft wird sich die Grenzleistung des Materialflusses jederzeit den gegebenen Um­ständen anpassen können, was eine Entwicklung von starr installierter Fördertechnik hin zu cyber-physischen Systemen, wie z. B. Schwärmen von autonomen intelligenten Trans­portfahrzeugen oder modulare Fördertechnik, zu Folge hat.

Daraus resultierend wird die Steuerung im Echtzeitbereich der cyber-physischen Systeme nicht mehr zentral erfolgen können. Der Wandel von einer zentralen Steuerung sowie einer starren Grenzleistung zu einer echtzeitnahen Regelung führt zu einer immensen Komplexität, insofern die Anzahl der Verkettung der Regelkreise, welche gegen unend­lich strebt algorithmisch nicht mehr kontrollierbar ist. Die Dynamik sowie die Komplexi­tät in Logistiksystemen werden lediglich dann beherrschbar sein wenn die Entscheidun­gen auf lokaler Ebene echtzeitnah und ad hoc getroffen werden:²⁴

3.3.2 Navigationsflexibilität der Fördermittel

In der zukünftigen Produktion werden Automatisierungslösungen einen hohen Grad an Kognition sowie Autonomie haben müssen, um den Anforderungen von Industrie 4.0 gerecht zu werden. Möglich wird dies durch cyber-physische Systeme, wie z. B. fahrerlose Transportsysteme (FTS). Allerdings wird erst durch die ganzheitliche Einbindung des FTSs an die Fertigungsanlage und Steigerung des Autonomiegrads die volle Flexibilität des Automatisierungssystems ausgeschöpft. Im Nachfolgenden wird aufgeführt, wie ebendies mittels neuer Technologien aus der Robotikforschung gelingen kann.

In heutigen automatisierten Materialflusskonzepten kommen als Fördermittel Förderbän­der oder fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) bzw. FTS zum Einsatz. FTF sind flurge­bundene eigenständige Fördermittel, welche zu einem FTS mit einer Leitsteuerung ver­netzt werden können. FTS können für viele Transportaufgaben eingesetzt werden, wie z. B. den Transport von kleinen leichten Behältern in der Kommissionierung bis hin zu tonnenschweren Lasten in der Flugzeug- oder Papierproduktion.

Eine der Schlüsseltechnologien von FTS ist die Navigation, für welche je nach Einsatz­szenario differente Verfahren existieren:

- Liniennavigation: Eine Kamera, Hallsensor oder Antenne verfolgt eine optische, magnetische oder induktiv kontinuierliche Linie.
- Rasternavigation: Sensoren erfassen Magnete oder RFID-Tags in einer diskonti­nuierlichen Linie, welche im Boden eingelassen sind.
- Lasernavigation: Laserscanner erfassen Reflektormarken, die z. B. an den Wän­den oder Regalen montiert sind.

In allen drei Verfahren sind die Fahrspuren (virtuell oder real) von vornherein festgelegt und begrenzen somit die Flexibilität der Navigation. Die FTF halten an, sobald eine Fahrspur versperrt ist und können folglich die Produktion nicht mehr zuverlässig versor­gen. Bei Verwendung einer Leitsteuerung kann dieses Problem minimiert werden, indem diese mehrere alternative Routen vorgibt. Allerdings müssen sämtliche dieser Fahrspuren vorher festgelegt sein. Kleine Hindernisse auf der Spur zu umfahren, ist nicht möglich.

[...]

---

¹ Vgl. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie 2012

² Vgl. Statistisches Bundesamt 2015a

³ Vgl. Statistisches Bundesamt 2014b

⁴ Vgl. Henning et al. 2013, S. 18

⁵ Abele und Reinhart 2011, S. 12

⁶ Vgl. Spath 2013, S. 2

⁷ Vgl. Spath 2013, S. 17

⁸ Vgl. Henning et al. 2013, S. 17

⁹ Vgl. Spath 2013, S. 2 f.

¹⁰ Vgl. Henning et al. 2013, S. 105 - 112

¹¹ Henning et al. 2013, S. 84

¹² Vgl. Bundesregierung 2012, S. 52

¹³ Vgl. Henning et al. 2013, S. 33

¹⁴ Vgl. Henning et al. 2013, S. 18

¹⁵ Vgl. Gausemeier und Plass 2006; Scheer 1990, zitiert nach: Soder 2014, S. 86

¹⁶ Warnecke 1995, ten Hompel 2013, zit. nach: Bauernhansl 2014, S. 15

¹⁷ Vgl. Bauernhansl et al. 2014, S. 15

¹⁸ Vgl. Henning et al. 2013, S. 18

¹⁹ Vgl. Spath 2013, S. 96

²⁰ Vgl. Bundesministerium für Bildung und Forschung 2013, S. 15

²¹ Vgl. Bundesministerium für Bildung und Forschung 2013, S. 16 f.

²² ten Hompel und Henke 2014, S. 615

²³ Vgl. ten Hompel und Henke 2014, S. 615

²⁴ Vgl. Soder 2014, S. 101

²⁵ Vgl. ten Hompel und Henke 2014, S. 615 f.

²⁶ Vgl. ten Hompel und Heidenblut 2011, zit. nach: ten Hompel und Henke 2014, S. 617

²⁷ Vgl. ten Hompel und Henke 2014, S. 617 f.