Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ABBILDUNGS- UND TABELLENVERZEICHNIS
1. EINLEITUNG
1.1 PROBLEMSTELLUNG UND MOTIVATION ..
1.2 AUFBAU DER ARBEIT
2. INSTANDHALTUNG
2.1 DEFINITION
2.2 STRATEGIEN
2.3 ZIELE
3. INDUSTRIE4.0
3.1 ENTWICKLUNG DER INDUSTRIELLEN REVOLUTION
3.2 SMART FACTORY
3.3 SMART MAINTENANCE
3.4 HERAUSFORDERUNGEN
4. TECHNOLOGIEN VIRTUELLERASSISTENTEN
4.1 MENSCH-HARDWARE-MASCHINEN SCHNITTSTELLE
4.2 DEFINITIONEN UND ABGRENZUNGEN
4.3 HARDWARETECHNOLOGIEN UND POTENTIALE
5. VIRTUELLEASSISTENTEN IN DERINSTANDHALTUNG
5.1 NUTZUNGSPOTENTIAL ANHAND FALLBEISPIELEN
5.2 NAVIGATION
5.3 HERAUSFORDERUNGEN
6. DISKUSSION
6.1 EMPIRISCHE UNTERSUCHUNG
6.2 FAZIT
6.3 HANDLUNGSVORSCHLAG
QUELLENVERZEICHNIS
Abstract
Die 4. Industrielle Revolution ist auf dem Vormarsch. Diesbezüglich wird alles smarter, ver- netzter und besser. Dabei gerät der Fokus verstärkt auf den Bereich der Produktion, welche auf den ersten Blick vorrangig erscheint. Im Vergleich zu früher gibt es heutzutage viele Ver- änderungen. Kunden wollen individuelle Lösungen, die schneller, sicherer und zuverlässiger sein sollen und das Ganze vom geprägten Exportweltmeister Deutschland, der mit seiner Qua- lität hervorsticht. Die Faktoren hängen heute nicht nur von der Produktion ab, sondern sind fester Bestandteil einer bislang weniger beachteten Instandhaltungspolitik. Die durch Kunden- anforderungen hervorgerufenen technologischen Entwicklungsmaßnahmen, wie der intelli- genten und vernetzten Maschinen und Anlagen, steigern die Komplexität der Produktionsum- gebung und machen diesen noch sensibler für Ausfälle, dessen Folge eine innovative und technologische Instandhaltung, wie die der virtuellen Assistenten, bedarf.
Ziel der Projektarbeit ist nicht nur auf die Risiken, der nicht ausreichend beachteten Instand- haltung hinsichtlich des Status quo, aufmerksam zu machen, sondern die Chancen und Po- tenziale von virtuellen Assistenten im operativen Teil der Instandhaltungspolitik, als reaktive Maßnahme aus den gegenüberstehenden Herausforderungen der Industrie 4.0, herzuleiten. Mit der Forschungsfrage:„Inwiefern bringen virtuelle Assistenten einen förderlichen Nutzfaktor im operativen Instandhaltungsprozess und sind somit auch Treiber in Zeiten der sich entwi- ckelnden intelligenten Fabriken oder sollten sie lediglich ein Gadget der Entertainment Bran- che bleiben?“soll verdeutlicht werden, dass neue technologische sowie operative Herausfor- derungen bestehen, denen wir mit gleichwertigen technologischen Werkzeugen, wie der virtu- ellen Assistenten, versuchen werden zu begegnen. Hierfür wurden typische Szenarien im in- dustriellen Umfeld durchgespielt, um den Nutzfaktor der Augmented Reality Lösungen aufzu- zeigen, der hinsichtlich der operativen Instandhaltung und als Werkzeug in einer intelligenten Fabrik zur Vorteilsnutzung gewählt werden soll. Die Ergebnisse weisen ein enormes Einspar- potenzial auf. Kosten für fachkräftiges Personal sinkt durch das Assistieren über die virtuelle Ebene und überwindet dabei die räumliche Trennung. Prozesse werden voll automatisiert auf- gezeichnet und können bei Bedarf aufgerufen werden und bei Schulungen unterstützen. Stei- gende Arbeitssicherheit, die durch freihändiges Arbeiten und intuitive Prozessführung bedingt ist, ersetzt schriftliche Dokumentationen und übermittelt relevante Daten an dezentral organi- sierte Systeme. Zudem wurde eine empirische Untersuchung vorgenommen, um das Nutzer- volumen von heute und morgen zu bestimmen. Jedes fünfte Unternehmen arbeitet inzwischen mit AR Lösungen in diesem Kontext. Am meisten wird es für Schulungen verwendet, gefolgt von Wartung und Service. Noch haben sich Unternehmen zu wenig mit den Auswirkungen der Industrie 4.0 auseinandergesetzt, als das sie diese nutzen könnten, jedoch sehen sie in Zu- kunft Potentiale für das Unternehmen.
Abbildungs- und Tabellenverzeichnis
Abb.1: Darstellung der industriellen Revolutionen. (Quelle: Ramsauer (2013), S.7.) 11
Abb.2: Illustration der Smart Factory. (Quelle: T-Systems International GmbH (2017)). 12
Abb. 3: Behavorial training in Virtual Reality (Quelle: https://www.enversedstudios.com/port- folio/behavioral-training-in-vr/ (2019)). 17
Abb. 4: Das Potenzial für Augmented Reality in der Industrie (Quelle: https://www.rs-online.com/designspark/the-potential-for-augmented-reality-in-in- dustry-de (2018)). 17
Abb. 5: MR - Digitale Objekte in der Realität(Quelle: https://www.newdirection.de/blog/mixed-reality-revolution-fuer-die-arbeitswelt#chfy-coo-save(2019)) 18
Abb. 6: Assisted Reality Solutions für Wartung und Service in der Industrie (Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=iAD0UxbIHyY&t=1662s (2018)). 18
Abb. 7: Technologiefelder der Industrie 4.0 im Überblick (Quelle: BITKOM, Fraunhofer IAO: Industrie 4.0 – Volkswirtschaftliches Potenzial für Deutschland (2014)) 26
Abb. 8: Zahlen und Fakten zu Wartung und Instandhaktung (Quelle: https://info.ringfe- der.com/engineers-blog-de/wartung-instandhaltung-zahlen-und-fakten (2016)) 28
Abb. 9: Einschätzung der Attraktivität von AR- und MR-Anwendungsfeldern (Quelle: https://pr-media.eu/wp-content/uploads/2019/09/Virtual_und_Augmented_Rea- lity_in_NRW.pdf 29
1. Einleitung
Im Folgenden wird die Problemstellung und die Motivation des Kernthemas der Projektarbeit beschrieben. Des Weiteren wird auf die konkrete Fragestellung dieser Projektarbeit eingegan- gen sowie der Aufbau der Arbeit erläutert.
1.1 Problemstellung und Motivation
Die Digitalisierung ist die Reaktion der deutschen Wirtschaft und Politik auf die heutige indust- rielle Wettbewerbssituation, die durch Megatrends, demografischen Wandel und der Globali- sierung geprägt ist. Das Resultat dieser technologischen, sozialen und wirtschaftlichen Ein- flüsse ist die Zunahme von individuellen Kundenwünschen, steigender Kostendruck und der Zuwachs einer globalen Dynamik. Aus dieser Situation ist die Digitalisierung der Industrie und somit auch die Industrie 4.0 entstanden, welche den hohen Anforderungen der Kunden in Be- zug auf Lieferfähigkeit, Lieferzeit und Liefertreue darstellt. Obwohl mehr Betrachtung hinsicht- lich der Produktion zugesprochen wird, sind diese Faktoren dem unmittelbaren Einfluss der Instandhaltung beigelegt. Durch die globale Vernetzung aller Geräte, Maschinen und der Ent- wicklung von Kleinstcomputern in Sensoren, entstehen heute die intelligenten Fabriken, wel- che den Ansprüchen des Wandels und der Digitalisierung begegnen und unterstützen sollen. Jedoch bringen solche Technologien durch den hohen Automatisierungs- und Technologie- grads, der bereits schwach ausgerichteten Instandhaltungspolitik, nicht nur mehr Sensibilität und somit einen weiteren Anstieg des Instandhaltungsprozesses mit sich, sondern fordern auch mehr fachkräftiges Personal in Service und spezialisiertem IT-Wissen, zur Bewältigung dieser Aufgabe. Zu diesem Zweck wird im gleichen Maße technologische Unterstützung, in Form von digitalen Assistenten, benötigen. Digitale Assistenten sollen bei den großen Heraus- forderungen, der durch die Digitalisierung versuchten Instandhaltungsaufwands, eine unter- stützende Leistung erbringen und bei Störungen und Ausfall von Maschinen und Anlage eine schnelle Reaktion ermöglichen sowie eine schnellere Instandhaltung als bisher gewährleisten. Akute Herausforderungen sind vor allem in den Datenstrukturen von Unternehmen gegeben. Oft liegen diese kaum vor oder nur in Papierform vor. Es fehlt an strukturierter Digitalisierung von Daten, die bei einer schnelleren und effizienten Instandhaltung helfen könnten. Die räum- liche Trennung zu Servicetechnikern kann eine Hürde in der Instandhaltung darstellen. Sie sind teuer, nicht immer verfügbar und im worst case weit vom Produktionsstandort entfernt. Zudem mangelt es an internen Fachkräften, da diese altersbedingt in den Ruhestand gehen und ihr Fachwissen undokumentiert, lediglich mündlich, weitergeben.
Ziel der Projektarbeit ist es nicht, nur auf die Risiken der nicht ausreichend beachteten In- standhaltung hinsichtlich des Status quo aufmerksam zu machen, sondern die Chancen und Potenziale von virtuellen Assistenten im operativen Teil der Instandhaltungspolitik, als reaktive Maßnahme aus den gegenüberstehend Herausforderungen der Industrie 4.0, herzuleiten. Mit der Forschungsfrage: „Inwiefern bringen virtuelle Assistenten einen förderlichen Nutzfaktor im operativen Instandhaltungsprozess und sind somit auch Treiber in Zeiten der sich entwickelnden intelligenten Fabriken oder sollten sie lediglich ein Gadget der Entertainment Branche bleiben?“ soll durch Szenarien und empirische Methoden das Potential und der Realisierungsfaktor digitaler Assistenzsysteme im Instandhaltungsprozess systematisch hergeleitet werden.
1.2 Aufbau der Arbeit
Das Kapitel Instandhaltung soll zunächst zur Begriffsbestimmung und Definition dienen. Zu- dem werden die Strategien und Ziele erläutert. Das Kapitel verdeutlicht außerdem den Auf- schluss über die finanziellen Ausmaße dieses Themengebiets.
Das Kapitel zum Themenschwerpunkt Industrie 4.0 nimmt den digitalen Wandel der Industrie näher in den Bick. Wichtige Begrifflichkeiten und die daraus resultierende Entwicklungen in Bezug auf die Instandhaltung, sind Werkzeuge, die in dieser Arbeit für Verständlichkeit der Zusammenhänge benötigt werden. Die Herausforderungen werden in der späteren Diskussion systematisch zur Beantwortung der Forschungsfrage hinzugezogen.
Das 4 Kapitel fokussiert die Thematik Technologien virtueller Assistenten und erläutert diese. Eine grafische Darstellung visualisiert die marktreifen Produkte, die im weiteren Teil abge- grenzt werden, um die wesentlichen Technologien, die für die Zukunft von Bedeutung sind zu erläutern. Folgend werden die essenziellen Begrifflichkeiten, die immanent für das Verständnis der Arbeit sind, dargestellt.
Die aufgeführten Kapitel geben die wesentlichen Thematiken und Begrifflichkeiten wieder und fördern das Verständnis für den weiteren Zusammenhang und dienen als Hilfestellung zur Beantwortung der Forschungsfrage.
Kapitel 5 stellt alle bislang besprochenen Themengebieten zusammen und präsentiert diese als Szenarien im industriellen Kontext. Dieser Teil der Arbeit soll verdeutlichen, welche Her- ausforderung im Produktionsumfeld bestehen und wie digitale Assistenten diese bewältigen können. Hier wird Bezug auf die erste Potenzialanalyse genommen, die im folgenden Teil kritisch reflektiert wird.
Das letzte Kapitel der Arbeit untersucht anhand empirischer Daten und der aus Kapitel 5 er- mittelten Potentiale die Zukunftsfähigkeit der digitalen Assistenten. Dabei werden Statistiken aus Umfragen von Organisationen, Instituten und Universitäten herangezogen und miteinander vergleichen. Ergebnisse aus Kapitel 5 sind dabei wesentliche Faktoren, die Aufschluss uber aktuelles und zukunftiges Nutzungspotenzial und Nutzvolumen geben.
2. Instandhaltung
Die Produktivität eines Unternehmens definiert sich durch seine wertschöpfenden Prozesse. Alle Faktoren, die diesen Prozess stören, wirken sich auf das große Ganze aus und mindern die Produktivität. Die Instandhaltungsmaßnahmen tragen in hohem Maße zur Verfügbarkeit der Infrastruktur produzierender Unternehmen bei und sind das Ziel verschiedenster Optimie- rungsbestrebungen, da Stillstandszeiten mit immensen Kosten einhergehen. Die Instandhal- tung stellt in der deutschen Industrie nach Personal und Einsatzstoffen den drittgrößten Kos- tenfaktor dar. Wo einige Unternehmen die Instandhaltung als reinen Kostenfaktor sehen, gibt es hier durchaus Optimierungspotenziale. Aus der wirtschaftlichen Perspektive spielt die In- standhaltung eine bedeutende Rolle für die produzierenden Unternehmen in Deutschland, welche mit einem Anlage- und Maschinenvolumen einen Wert über 2,2 Billionen Euro tragen. Zudem belaufen sich die direkten Ausgaben in die Instandhaltung dieses Volumens auf rund 250 Milliarden Euro, was etwa zehn Prozent des deutschen Bruttoinlandsprodukts darstellt.1 Um in Zukunft weiterhin die zugedachten Aufgaben erfüllen zu können, muss sich die Instand- haltung der fortschreitenden technologischen Entwicklung des aktuellen industriellen Standes anpassen.
2.1 Definition
Der Instandhaltung unterliegt grundlegend der Verantwortungsbereich für die Planung, Orga- nisation, Durchführung und Überwachung sämtlicher technischer, administrativer und operati- ver Abläufe wie Inspektion, Wartung, Instandsetzung von Maschinen und Anlagen. Sie ge- währleistet somit stets die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Maschinen, welche die Leis- tungsfähigkeit der kundenindividuellen Produkte bestimmen. Die wirtschaftliche Leistung der Instandhaltung setzt sich dabei aus den direkten Instandhaltungstätigkeiten wie zum Beispiel der Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit von Maschinen und Anlagen und der damit ein- hergehenden Werterhaltung oder im besten Fall der Wertsteigerung und den präventiven In- standhaltungsmaßnahmen, zur Vorbeugung von Ausfällen und Folgekosten, zusammen. In- dem sie die drei- bis fünfmal höheren Folgekosten einer Störung vermeidet, erwirtschaftet die Instandhaltung umgerechnet Anlagenverfügbarkeiten und Produktivitätswerte für die deutsche Industrie mit einem Gegenwert von rund einer Billion Euro jährlich.2
Definition nach DIN-Norm:
Instandhaltung ist in der DIN 31051 als die Gesamtheit aller „Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung des Soll-Zustandes sowie zur Feststellung und Beurteilung des Ist- Zustandes von technischen Mitteln eines Systems“ definiert. Die Ablauforganisation der Funk- tionseinheit „Instandhaltung“ besteht nach Jacobi im Wesentlichen aus der Planung, Steue- rung und Überwachung der durchzuführenden Maßnahmen. Darin sind die Elemente Instand- haltungspersonal (Eigen- und Fremdpersonal), Ersatzteile und Spezialwerkzeuge/Hilfsmittel eingeschlossen.
Instandhaltung umfasst die Aufgabentypen Wartung, Inspektion und Instandsetzung:
Wartungbedeutet, dass die „Maßnahmen zur Bewahrung des Soll-Zustandes.“ Gewartet wer- den Wartung hat einen schadensvorbeugenden Charakter und dient der Verlängerung der Lebensdauer der Anlage. Typische Wartungsarbeiten sind: Reinigen, Schmieren, Austausch und Ergänzung von Hilfsstoffen, Einstellen und Justieren.
MitInspektionsind alle Maßnahmen gemeint, die den Ist-Zustand feststellen und beurteilen. Sie ist Grundlage für nachfolgende Instandsetzungsarbeiten oder die Beseitigung konstrukti- ver Schwachstellen.
Instandsetzungmeint die Wiederherstellung des Soll-Zustandes einer Anlage nach einer Stö- rung. Instandsetzung vollzieht sich im Regelfall in mehreren Teilschritten: Außerbetriebset- zung, Demontage, Schadenssuche, Austauschen/Ausbessern der defekten Teile, Montage, Einstellen, Funktionsprüfung und Wiederinbetriebnahme. Hinsichtlich des Planungs- und Vor- bereitungsgrades lassen sich die geplante (periodisch vorbeugende bzw. zustandsabhängig vorbeugende) Instandsetzung und die ungeplante (schadensbedingte) Instandsetzung unter- scheiden.3
2.2 Strategien
Die Instandhaltungsstrategien der Unternehmen können unterschiedlich in der Auswahl und Ausprägung sein. Dabei wird unterschieden in:
-AusfallbedingteInstandhaltung (= Anlage wird bis zum Störfall betrieben – primitivste Form der Instandhaltung, da Standzeiten zu Hochkonjunktur auftreten können und somit hohe Ver- luste durch Lieferverzögerungen oder auch Kundenverluste einhergehen können.)
-•PräventiveInstandhaltung (= Austausch bestimmter Anlagenteile in festgelegten Intervallen
– aus wirtschaftlicher Sicht im Materialeinsatz nicht immer sinnvoll, da Bauteile auch bei noch voller Funktion aufgrund intervallunterschiedlichen Auslastungen trotzdem ersetzt werden. Je- doch kann das Personal entsprechend geplant eingesetzt werden.)
-ZustandsorientierteInstandhaltung (= Zustandsfeststellung durch häufige Inspektion oder permanente Überwachung – hohe Einspannung von Fachpersonal durch ständige Kontrolle und Überwachung)
-PrädiktiveInstandhaltung (= Weiterentwicklung der zustandsorientierten Instandhaltung un- ter Nutzung der Industrie 4.0 Ansätze – auf Basis von Sensordaten und durch Nutzung von Algorithmen werden Störungen rechtzeitig erkannt und zum bestmöglichen Zeitpunkt instand- gesetzt - Wartungsarbeiten sollen nur so häufig wie nötig und so selten wie möglich durchge- führt werden – Implementierung solcher sensorbasierten Akteure mit künstlicher Intelligenz sind mit hohen Investitionskosten verbunden.)
Gerade bei der zustandsorientierten Instandhaltung kommt dem Produktionspersonal beson- dere Bedeutung zu, da die Mitarbeiter ständig an den Anlagen arbeiten und somit am ehesten Anomalien feststellen können. Mittels der technologischen Entwicklung der 4. industriellen Re- volution soll der Mensch durch intelligente Sensoren und Maschinen bei den Instandhaltungsmaßnahmen proaktiv unterstützt werden.4
2.3 Ziele
Ziele in der Instandhaltungsstrategie können sich von Unternehmen zu Unternehmen unter- scheiden. Dies hängt besonders von den Faktoren Zeit, Personal und Finanzmitteln ab. Stei- gerung der Anlagenverfügbarkeit, Verringerung der Ausfallzeiten, Optimierung der Instandhal- tungsprozesse und Sicherstellung der Arbeitssicherheit von Personal und Umwelt sind dabei die unter dem wirtschaftlichen Aspekt wichtigsten Ziele in der Instandhaltung für Unternehmen. Je nach Ziel eines Unternehmens wird entsprechend die Instandhaltungsstrategie gewählt. Einige Unternehmen setzten sich jedoch bis heute nicht mit diesen Strategien auseinander und haben sich somit nicht der industriellen Revolution angepasst. Jährlich werden aus den genannten Gründen Milliarden in unnötige Prozesse und Materialien ausgegeben, wohinge- gen diese Mittel in zukunftsorientierte Instandhaltungsstrategien investiert werden sollten.4
[...]
1 Vgl. Kuhn/Bandow (2009);
2 Vgl. Acatech POSITION, o.V (2015) S. 9.
3 Vgl. Keil, Sophie (2016)
4 Vgl. Vollmüller & Reese (2015)