Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erarbeitung einheitlicher informationstechnischer Schnittstellen für die Lean Production. Die erarbeitete Referenzarchitektur definiert technologieunabhängige Schnittstellen und schafft den notwendigen Rahmen für die Nutzung digitaler Technologien in bestehenden Lean-Methoden. Bestandteil der Referenzarchitektur ist eine Systemarchitektur, die Rollen und deren Verhältnisse beschreibt. Ergänzt wird sie durch ein Informationsmodell, das die je Rolle benötigten Funktionalitäten und die ausgetauschten Nachrichten spezifiziert, sowie durch eine Softwarearchitektur für die Umsetzung der Schnittstellen. Die Referenzarchitektur wurde auf einen bestehenden Forschungsdemonstrator der Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V. exemplarisch übertragen.
Spätestens seit den 1990ern bildet die Lean Production den Status quo der Produktionssysteme in der diskreten Klein- und Großserienfertigung. Mittels der Umstellung auf eine nachfrageorientierte Produktion und Vermeidung jeglicher nicht-wertschöpfender Aktivitäten konnte die Lean Production bei geringen Investitionen hohe Effizienzsteigerungen erreichen. Heute stößt die Lean Production allerdings an ihre Grenzen, da sie nicht das Potenzial moderner Informations- und Kommunikationstechnologie berücksichtigt. Der Lean Production mangelt es u.a. an der notwendigen Wandelbarkeit der Fertigungslinien, um zukünftige Anforderungen wie z.B. eine kundenindividuelle Fertigung in Losgröße 1 zu ermöglichen.
Die stattfindende Digitalisierung der Produktion will diesen zukünftigen Produktionsanforderungen gerecht werden. Neue digitale Technologien sowie die gestiegene Leistung der Komponenten ermöglichen eine intelligente Produktion, die Mitarbeiter in komplexen Produktionsprozessen unterstützt. Der gleichzeitig stattfindende Preisverfall und die Miniaturisierung in der Informations- und Kommunikationstechnologie führen auch in der Produktion zu allgegenwärtigen, vernetzten Computern. Das Potenzial dieser technologischen Entwicklung ist unumstritten, dennoch mangelt es aktuell an einer übergreifenden und ganzheitlichen Betrachtung, die eine Integration der Digitalisierung und der neuen Anwendungen in bestehende Produktionsumgebungen miteinbezieht.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Stand der Technik
2.1 Digitalisierung in der Produktion
2.1.1 Begriffsabgrenzung und Paradigmen
2.1.2 Dezentrale Architekturen für die Produktionssteuerung
2.1.3 Informationstechnische Schnittstellen und Kommunikation
2.1.4 Informationsmodelle und -modellierung
2.1.5 Bewertung des Status quo
2.2 Lean Production
2.2.1 Begriffsabgrenzung und historische Entwicklung
2.2.2 Gestaltungsprinzipien und Methoden
2.2.3 Lean Automation
2.2.4 Bewertung des Status quo
3. Problemstellung, Zielsetzung und Vorgehensweise
3.1 Problemstellung
3.2 Zielsetzung
3.3 Vorgehensweise
4. Referenzarchitektur zur Digitalisierung der Lean Production
4.1 Methodik zur Entwicklung der Referenzarchitektur
4.1.1 Prinzipien der Methodik
4.1.2 Schritt 1: Lean-Methoden sammeln und bewerten
4.1.3 Schritt 2: Anforderungen analysieren
4.1.4 Schritt 3: Systemarchitektur und Informationsmodell entwickeln
4.1.5 Schritt 4: Schnittstellenarchitektur entwickeln
4.2 Bewertung, Modellierung und Anforderungskatalog der Lean-Methoden
4.2.1 Bewertung und Auswahl von Lean-Methoden
4.2.2 Modellierung der ausgewählten Lean-Methoden
4.2.3 Funktionale Anforderungen des Anforderungskataloges
4.2.4 Nicht-funktionale Anforderungen des Anforderungskataloges
4.3 Bestandteile der Referenzarchitektur
4.3.1 Systemarchitektur
4.3.2 Informationsmodell der Schnittstelle
4.3.3 Schnittstellenarchitektur
5. Prototypische Realisierung der Referenzarchitektur
5.1 Anwendungsszenarien und Rahmenbedingungen
5.2 Technische Realisierung
6. Bewertung und Ausblick
6.1 Zusammenfassende Bewertung
6.2 Ausblick auf weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarf
7. Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit hat das Ziel, eine technologieunabhängige Referenzarchitektur zu entwickeln, die informationstechnische Schnittstellen für Lean-Methoden in der Produktion definiert und so die Wandelbarkeit durch Digitalisierung verbessert. Die Forschungsfrage fokussiert sich darauf, wie Lean-Methoden systematisch digital integriert werden können, um eine durchgängige Vernetzung von Rollen und Ressourcen zu ermöglichen.
- Entwicklung einer systemorientierten Referenzarchitektur
- Identifikation und Modellierung von Rollen und Diensten in der Lean Production
- Spezifikation einheitlicher Kommunikationsschnittstellen und Informationsmodelle
- Prototypische Validierung an einem industriellen Demonstrator (SmartFactory KL)
- Integration von Cyber-Physischen Systemen (CPS) zur Dezentralisierung
Auszug aus dem Buch
2.1.1 Begriffsabgrenzung und Paradigmen
In den vergangenen Jahren fand der Begriff „Digitalisierung“ im deutschsprachigen Raum große Verbreitung. Er beschrieb ursprünglich die digitale Darstellung von Informationen oder die Umwandlung analoger Signale in digitale Signale. Ein Beispiel hierfür ist ein Analog-Digital-Wandler, der analoge Messwerte aus einem Temperatursensor in digitale Werte umwandelt. In den letzten Jahren veränderte sich das Verständnis für den Begriff. Digitalisierung beschreibt heute die zunehmende Einführung von modernen digitalen Technologien in Wirtschaft, Gesellschaft und Produktion [Pla]. Dies umfasst zum einen die vermehrte Nutzung von IKT in bestehenden Anwendungen, zum anderen aber auch die Einführung neuer, auf IKT basierender Geschäftsmodelle. Digitalisierung ist ein kontinuierlicher Prozess der Veränderung, der nicht nur technische, sondern auch organisatorische Aspekte betrifft. [Mer+16; Jun+16; Pau16] In dieser Arbeit wird Digitalisierung wie folgt verstanden:
Digitalisierung beschreibt die bewusste Integration von IKT in Prozesse und Strukturen in einem Betrachtungsbereich (in diesem Fall die innerbetriebliche Produktion), welcher zuvor nicht oder untergeordnet diese Technologie nutzte.
Beispiele für Digitalisierung in der Produktion sind die Einführung mobiler Endgeräte wie Tablets als Ersatz für Papier, die kontextbezogene Informationsanreicherung mithilfe von Augmented Reality in Form von z.B. Abbildung 2 oder, im Rahmen der digitalen Vernetzung, das anlagenübergreifende Auslesen und Interpretieren von Sensor- und Aktorinformationen zur Statusüberwachung.
Im Zusammenhang mit der Digitalisierung ist Industrie 4.0 zu nennen. Die deutsche Bundesregierung verkündete 2011 im Rahmen der digitalen Agenda den Begriff zusammen mit einem dazugehörigen Förderprogramm. Andere Regionen wie z.B. die USA, China oder Europa adaptierten ihn kurze Zeit später und legten ähnliche Programme fest (siehe z.B. [Xin15; The16; Bun]). Heutzutage ist der Begriff „Industrie 4.0“ neben der Digitalisierung nicht nur im deutschsprachigen Raum allgegenwärtig.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Das Kapitel erläutert die Bedeutung der Lean Production und die Notwendigkeit ihrer digitalen Erweiterung durch Ansätze wie Industrie 4.0.
2. Stand der Technik: Hier werden die Grundlagen der Digitalisierung in der Produktion sowie die Prinzipien und Methoden der Lean Production detailliert beschrieben und bewertet.
3. Problemstellung, Zielsetzung und Vorgehensweise: Dieses Kapitel definiert die Herausforderungen bei der Integration von IKT in Lean-Prozesse und legt die Zielsetzung sowie das methodische Vorgehen der Arbeit fest.
4. Referenzarchitektur zur Digitalisierung der Lean Production: Das Kernkapitel beschreibt die Entwicklung der Referenzarchitektur, bestehend aus Systemarchitektur, Informationsmodell und Schnittstellenarchitektur.
5. Prototypische Realisierung der Referenzarchitektur: Hier wird die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Architektur anhand von Anwendungsszenarien im industriellen Umfeld der SmartFactory KL verifiziert.
6. Bewertung und Ausblick: Das Kapitel reflektiert die Ergebnisse der Arbeit und identifiziert künftige Potenziale sowie den weiteren Forschungsbedarf.
7. Zusammenfassung: Abschließend werden die zentralen Erkenntnisse und der Mehrwert der Referenzarchitektur kurz zusammengefasst.
Schlüsselwörter
Lean Production, Digitalisierung, Referenzarchitektur, Industrie 4.0, Cyber-Physische Systeme, Produktionssteuerung, Informationstechnische Schnittstelle, Systemarchitektur, Informationsmodell, Lean Automation, Wandelbarkeit, Datenkommunikation, SmartFactory, Prozessstandardisierung, Anforderungsanalyse
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der digitalen Transformation der Lean Production durch die Entwicklung einer einheitlichen, technologieunabhängigen Referenzarchitektur zur Unterstützung von Lean-Methoden.
Was sind die zentralen Themenfelder der Dissertation?
Die Arbeit verknüpft die klassischen Prinzipien der Lean Production mit modernen Konzepten der Industrie 4.0, insbesondere durch den Einsatz von Cyber-Physischen Systemen und modularen IT-Schnittstellen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Schaffung einer standardisierten Systemarchitektur und eines Informationsmodells, um eine flexible und wandelbare Produktion durch digital unterstützte Lean-Methoden zu realisieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Die Arbeit stützt sich auf Ansätze des Systems Engineering, eine umfassende Literaturrecherche, Modellierung mit UML sowie die prototypische Verifikation durch einen industriellen Demonstrator.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil konzentriert sich auf die methodische Herleitung der Referenzarchitektur, die Identifikation relevanter Lean-Methoden, die Ableitung funktionaler Anforderungen und die detaillierte Spezifikation von Rollen und Nachrichtenflüssen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Forschungsarbeit?
Wichtige Begriffe sind Lean Production, Digitalisierung, Referenzarchitektur, Industrie 4.0, Schnittstellendefinition und Cyber-Physische Systeme.
Wie genau unterstützt die Referenzarchitektur die Wandelbarkeit?
Durch die Kapselung von Funktionalitäten in standardisierte Rollen und die Nutzung einheitlicher Kommunikationsprotokolle können Arbeitsstationen und Anlagen ohne aufwendige Neuprogrammierung integriert oder ausgetauscht werden.
Warum wurde das MQTT-Protokoll in der Realisierung gewählt?
Aufgrund seiner schlanken Struktur, der guten Dokumentation und der Unterstützung des Publish-Subscribe-Modells eignet sich MQTT hervorragend für eine pragmatische, ereignisbasierte Kommunikation in komplexen Produktionsumgebungen.
Was zeichnet den im Kapitel 5 beschriebenen Demonstrator aus?
Der Demonstrator „Skala“ im Umfeld der SmartFactory KL zeigt exemplarisch, wie unterschiedliche Lean-Methoden mittels der Referenzarchitektur digital vernetzt und auf verschiedene Hardware-Konfigurationen übertragen werden können.
- Citation du texte
- Dennis Kolberg (Auteur), 2018, Entwicklung einer Referenzarchitektur zur Realisierung von Methoden der Lean Production mittels digitaler Technologien, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/462672