Dez. 2, 2024

Mit Standards zu mehr Resilienz und Flexibilität

Wer heute am Markt erfolgreich sein will, braucht Flexibilität und Transparenz in der Produktion, und das zu wesentlich geringeren Kosten als bisher. Doch die Unternehmen aus der Fertigungs- oder der Prozessindustrie sind oft gefangen in den Technologien, die sie einsetzen, und in den damit verbundenen Methoden, Anforderungen und Denkweisen, die zum Teil Jahrzehnte alt sind.

• #innovation
• #ITgoesOT
• #manufacturing
• #resilienteproduktion
• #sdm
• #softwaredefinedmanufacturing
• #standards

Author

Steven Vettermann

Share this article

In der täglichen Praxis werden häufig nur punktuelle Optimierungen vorangetrieben, die mitunter aber viel Ressourcen verbrauchen. Zum Beispiel, wenn es darum geht, eine uralte serielle Schnittstelle an einer Maschine zu nutzen, um sie im neuen Vorstandsprojekt zur Einführung von KI zu integrieren. Dann kommt es zu Situationen, die sich mit „Ich habe keine Zeit zum Axtschärfen, ich muss Bäume fällen!“ beschreiben lassen. Wenn sich Unternehmen des herstellenden Gewerbes die Frage stellen „Wir haben uns in der Vergangenheit eine gute Position am Weltmarkt geschaffen, aber was müssen wir tun, um die nächsten Jahre zu überleben?“ ist die Antwort „Prozesse beherrschen, konsequent digitalisieren und Standards nutzen.”

Informationsflüsse schaffen, Silos einreißen

In der Produktentwicklung hat man vor mehr als 30 Jahren begonnen, in Prozessen und Standardisierungsmöglichkeiten zu denken. Erst wenn man seine Prozesse wirklich versteht, kann man anfangen, sie zu optimieren oder durch andere, bessere zu ersetzen. Das war die Geburtsstunde von PLM (Product Lifecycle Management) und begleitenden Methoden, mit massiven Auswirkungen auf die Arbeitsweisen und die eingesetzten IT-Systemen. Damit einher ging die Forderung nach der Etablierung und Einhaltung von Daten- und Prozessstandards. Transformation macht nicht immer Spaß und diese neue Welt ist nicht von alleine entstanden. Aber am Ende des Tages standen strukturierte, durchgängige Informationsflüsse, auch über Unternehmensgrenzen hinweg.

Wenn also Unternehmen mehr Flexibilität und niedrigere Kosten in der Produktion wünschen, müssen sie sich darüber im Klaren sein, welche Ressourcen wie zusammenwirken. Und sie müssen ein natürliches Interesse daran entwickeln, alles so weit wie möglich zu modularisieren und zu standardisieren, und zwar hersteller- und lösungsneutral. Andernfalls wird die Optimierung bestehender heterogener, teilweise herstellerspezifischer Maschinenwelten und traditioneller Automatisierungslösungen zur Qual, und man wird die heute und zukünftig zur Verfügung stehenden Digitalisierungsmöglichkeiten nicht ausschöpfen.

Der Weg zur Software-definierten Fertigung und Produktion

Lösungen zur Software-definierte Produktion stellen eine Alternative zu den traditionellen, ressourcenintensiven und nicht mehr zeitgemäßen Automatisierungstechnologien dar. Sie schaffen Transparenz in der Produktion, Flexibilität in der Nutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen und sie bieten die Möglichkeit, Prozesse im laufenden Betrieb, dynamisch anzupassen. Das sind die Ziele, die Unternehmen erreichen müssen, wenn sie zukünftig weltmarktfähig sein wollen.

Voraussetzung dafür ist ein klares Prozessverständnis. Dazu zählen nicht nur die Wertströme und die dabei aktiven Maschinen und Systeme, sondern auch die Daten, die zwischen den Maschinen sowie zwischen Maschine und Menschen kommuniziert werden. Je mehr Sie diese Prozesse in (Standard-)Modulen und definierten Schnittstellen beschreiben, umso flexibler können Sie in der Produktion agieren. So können Sie sich ein zukunftsfähiges, intelligentes Produktionsnetz schaffen. Ascon Systems kann hier mit seinem Beratungsprogramm Ascon AIM die notwendige Unterstützung bieten.

Mit unserer Software Ascon Qube bieten wir eine technische Lösung zur Realisierung der Software-definierten Produktion. Digitale Zwillinge steuern dabei online den Wertstrom in der Produktion. Zur Kommunikation mit den Assets im Betrieb, aber auch mit den IT-Systemen auf Unternehmensebene stellen wir mit unserem Modul „Connectivity“ einen Protokoll-agnostischen Layer bereit, der Informationen einfach zur Verfügung stellt, auch der KI. Unsere Konnektoren für EtherCAT (IEC 61158), OPC UA (IEC 62541), MQTT und viele weitere Standards sorgen dafür, dass IT und OT nahtlos zusammenarbeiten (s. Bild). Wir brechen damit die Silos zwischen diesen Welten auf und bieten unseren Kunden eine Flexibilität und Skalierbarkeit, die sie vorher nicht hatten.

IT-OT-Konvergenz führt zu Datendurchgängigkeit in der Produktion

Software-definierte Produktion ermöglicht durch eine klare Abstraktion und Modularisierung die Flexibilität, die die Produktion der Zukunft braucht (siehe dazu auch Die Evolution der SPS: Was wird das neue Normal?).

Durch die klare Prozessorientierung bietet sie aber auch eine natürliche Brücke hin zu den Datenräumen der Industrie 4.0, allen voran Catena-X bzw. Manufacturing-X oder Process-X. Den technischen Kern bildet hier die Verwaltungsschale (IEC 63278), die Daten und Informationen zu den Assets und Produkten bereitstellt. Lösungen der Software-definierten Produktion sind prädestiniert dazu, diesen Pool kontinuierlich zu befüllen und in den Datenräumen zur Verfügung zu stellen, so z.B produktionsbegleitend beim digitalen Produktpass hinsichtlich der CO2-Emissionen.

Genau wie beispielsweise für die Kommunikation lassen sich aber auch noch ganz andere Standards einfach nutzen und damit Geld sparen. Man muss die benötigten Services und Module nicht neu erfinden. Sie sind schon lange in der ISA-95/IEC 62264 oder der IEC 61499 beschrieben und können wie im Folgenden dargestellt einfach genutzt werden.

Software-definierte Produktion berücksichtigt existierende Standards

In der Produktion der Zukunft, in der Konstruktionsänderungen, Logistik-Updates oder KI-Ergebnisse die Produktion automatisch neu konfigurieren, ist es von entscheidender Bedeutung seine Prozesse zu kennen, Informationen fließen zu lassen und existierende Standards einfach zu nutzen.

The post Mit Standards zu mehr Resilienz und Flexibilität appeared first on Ascon Systems.

Sep. 4, 2024

Digitalisierungsschub in der Prozessindustrie

Die Prozessindustrie umfasst Branchen wie die Pharma- und Chemieindustrie, in denen Rohmaterialien durch chemische, physikalische oder biologische Prozesse in Produkte umgewandelt werden. Mit der Richtlinienreihe VDI/VDE/NAMUR 2658 sind Handlungsempfehlungen für Automatisierungskonzepte von modularen Systemen, Schnittstellen und Informationsmodellen definiert, die eine neue Ära der Digitalisierung in der Prozessindustrie einläuten. In dieser Hinsicht und bezogen auf Automatisierung und Anlagengestaltung haben Fertigungs- und Prozessindustrie zwar unterschiedliche Anforderungen, aber ähnliche Bedürfnisse und Lösungsansätze.

• #Automatisierung
• #Fertigung
• #industrie40
• #innovation
• #prozessindustrie
• #sdm
• #softwaredefinedmanufacturing

Author

Steven Vettermann

Share this article

Die Richtlinienreihe VDI/VDE/NAMUR 2658 etabliert ein Framework für modulare Systeme und Informationsmodelle, das die Produktionsflexibilität erhöht und die Effizienz in der Produktion steigert. Sie ist von entscheidender Bedeutung für Unternehmen in der Prozessindustrie, die den ROI (Return on Invest) verbessern und die Effizienz ihrer Anlagen durch modulare und flexible Produktionsansätze steigern wollen. Durch die Standardisierung von Schnittstellen und Datenmodellen ermöglichen die VDI/VDE/NAMUR 2658-Richtlinien eine bessere Interoperabilität zwischen den Komponenten verschiedener Hersteller und sie vereinfachen die Erweiterung oder Neukonfiguration von Prozessanlagen.

Parallel dazu wurde die NAMUR Open Architecture (NOA) entwickelt. Sie hat zum Ziel, Produktionsdaten für das Monitoring und die Optimierung von Anlagen und Geräten einfach und sicher nutzbar zu machen.

Komponenten der Richtlinien 

Die Richtlinienreihe besteht aus mehreren Konzepten, die technische Lösungen beschreiben. Sie werden zusammen eingesetzt, um die Produktionsprozesse durch modulare Automatisierung zu verbessern. 

Die Richtlinien unterstützen die Entwicklung und Implementierung von modularen Prozesseinheiten, die als Process Equipment Assembly (PEA) bezeichnet werden. Konkret bezieht sich die PEA auf die Automatisierungstechnik von einzelnen modularen Einheiten, die spezifische Prozessaufgaben innerhalb einer Anlage ausführen sollen. Diese Modularisierung soll die Planung, Inbetriebnahme und den Betrieb von Prozessanlagen vereinfachen und flexibler gestalten. Die PEA werden in einen Process Orchestration Layer (POL) integriert. Das ist eine übergeordnete Steuerungsebene, die die Koordination und das Management der verschiedenen PEAs übernimmt. Außerdem wird das Module Type Package (MTP) definiert, ein standardisiertes Dateiformat, das aus AutomationML abgeleitet ist und für die Integration zwischen der PEA und dem POL verwendet wird. Es ermöglicht die einfache Integration von Modulen in das Gesamtsystem. 

Dieses Bündel von Empfehlungen verändert das Zusammenspiel von Prozesstechnik und Automatisierungstechnik grundlegend und stellt einen Paradigmenwechsel in der Prozessindustrie dar.

Vergleichbarkeit der Lösungsansätze bei Fertigungsindustrie und Prozessindustrie

Auch die Software-definierte Produktion in der Fertigungsindustrie muss eine Prozessorchestrierungsschicht (POL) implementieren und die in der NAMUR Open Architecture (NOA) geforderten Aspekte adressieren. Das Module Type Package (MTP) der Prozessindustrie könnte, dem Software-defined-Paradigma folgend, auch über digitale Zwillinge und die damit verbundenen Microservices realisiert werden. 

Ascon Systems bietet mit seiner Software Ascon Qube eine Lösung, um diesen Brückenschlag zu realisieren. Technologisch gesehen besteht der Lösungsansatz von Ascon Systems darin, die Hardware- und die Prozesssteuerung in der Produktion zu trennen, sei es in der Fertigungs- oder in der Prozessindustrie. Dadurch werden die starren und unflexiblen Verbindungen zwischen Hardware und Software, wie sie in traditionellen Automatisierungslösungen realisiert werden, aufgelöst und durch ein Netzwerk von Modulen und Services ersetzt.

Dabei werden die zugrundeliegenden Hardwarefunktionen abstrahiert und die eigentlichen Fähigkeiten rein durch Software bestimmt. Diese Entkopplung von Hardware und Fähigkeiten bzw. Verhalten ist z.B. auch die technische Grundlage für die Apps auf Ihrem Smartphone. Die im Smartphone integrierten Hardwaresensoren werden von Apps als Wasserwaage, Visitenkartenscanner, Lautstärkemesser etc. genutzt. Eine Hardware führt nicht mehr ein Programm aus (1:1), sondern eine Hardware wird dynamisch für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt (1:n). Um eine Software-definierte Produktion zu realisieren, ist es daher notwendig, die physischen Module der Produktionssysteme (Hardware) und die darauf laufende Software zu entkoppeln. Und genau dafür wurde der Ascon Qube geschaffen.

In den heutigen Produktionsanlagen sind jedoch Hardware und Software, einschließlich der Prozesssteuerung und der Berücksichtigung unternehmensspezifischer Kommunikationsstandards, oft sehr eng miteinander verknüpft und auf SPS programmiert. Das verhindert aber, die Möglichkeiten der Digitalisierung voll auszuschöpfen. Eine Trennung von Hardware- und Prozesssteuerung und die Anlehnung an das Software-defined-Paradigma ermöglicht es indes, eine Software-Service-Architektur zu realisieren, die die traditionelle Automatisierungspyramide mit ihren starren Punkt-zu-Punkt-Verknüpfungen ablöst und in der das Verhalten und Zusammenspiel von Modulen flexibel und effizient auf einer höheren Softwareebene orchestriert wird. 

Ascon Systems zeigt damit einen Migrationspfad auf: von traditionell zu modern (Stichwort: OT goes IT). Bei der Einführung neuer Technologien ist ein schrittweises Vorgehen sinnvoll. 

Für die Prozessindustrie kann das z.B. heißen, das bereits bestehenden MTP-Realisierungen über Ascon Connectivity gelesen und Hersteller-unabhängig Analyse- oder KI- oder weitere Tools zur Verfügung gestellt werden. Perspektivisch lässt sich dann diese starre, dateibasierte Datenkommunikation in eine Service-Umgebung (XaaS) überführen wodurch Prozesse online optimiert gesteuert werden können. Die Ascon-Technologie ist adaptiv integrierbar. 

So können Erfahrungen gesammelt, dann Funktionalitäten erweitert und neue Features eingebunden werden. Es muss nicht immer gleich Remote-Steuerung von variantenreichen und/oder komplexen Prozessen sein. Lohnend sind zum Beispiel Qualitäts- und Dokumentationsszenarien: Prozessmonitoring und -dokumentation von Chargen, mit der Option auf Schwankungen agil zu reagieren. Lösungen zu realisieren, die eine schnellere Inbetriebnahme durch vorgefertigte Funktionsblöcke ermöglichen, ist ebenfalls vielversprechend. Diese kann man anlagenunabhängig einfach benutzen und von remote aufspielen (keine Programmierung vor Ort), so dass damit auch Fehler bei der Inbetriebnahme und im Betrieb selbst reduziert werden. Derartige Realisierungen ermöglichen die heute immer mehr geforderte Informationsdurchgängigkeit in Unternehmen. Die Informationen sind vorhanden und können einfach genutzt werden.

The post Digitalisierungsschub in der Prozessindustrie appeared first on Ascon Systems.

Juli 3, 2024

Use Case: Wie digitale Zwillinge dabei helfen, bis zu 29,5 Prozent Energie im Maschinenbau zu sparen

Ein wichtiger Schritt in der Fertigung ist die Zerspanung, das Drehen, Fräsen, Bohren und Schleifen, mit der die Form von Werkstücken verändert wird. Für diesen Prozess werden häufig Kühlschmierstoffe eingesetzt. Aber: Ihre Nutzung ist mit hohen Energiekosten verbunden. So hoch, dass ein Verbund aus Forschung und Wirtschaft – zu dem auch wir gehören – in dem vom BMWK, Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, geförderten Projekt E-KISS Maßnahmen entwickelt hat, mit denen der Energieeinsatz relevant gesenkt und die Produktivität gesteigert werden können. Das Projekt ist jetzt abgeschlossen, die Ergebnisse liegen vor: 29,5 Prozent Einsparungen bei Strom konnte E-KISS erreichen. Die Zahlen beeindrucken und zeigen das Potenzial für Data Science in Kombination mit Retrofit-Maßnahmen.

• #digitalerzwilling
• #fertigungstechnik
• #retrofit

Author

Steven Vettermann

Share this article

Die Rahmenbedingungen

Werkzeugmaschinen spielen eine zentrale Rolle in Industrieunternehmen des produzierenden Gewerbes. Die Verkaufserlöse lagen bei 22,9 Milliarden Euro im Jahr 2023 [1] (2022: 20,8 Mrd. Euro). Obwohl es andere Verfahren zur Zerspanung gibt, kommen dafür im produzierenden Gewerbe nach wie vor Werkzeugmaschinen zum Einsatz. Sie werden mit Kühlschmierstoffen betrieben, die zum richtigen Zeitpunkt an der richtigen Stelle in der richtigen Dosierung vorhanden sein müssen. Nur so kann eine hohe und gleichbleibende Qualität erreicht werden. Eine Fertigung mit Werkzeugmaschinen und Kühlschmierstoffen benötigt weitere Systeme. Sie sind zum Teil auch gesetzlich vorgeschrieben, um die Arbeitssicherheit zu gewährleisten. Nimmt man alles zusammen, entsteht eine komplette Anlage mit vielen Komponenten. Sie ist energieintensiv und für durchschnittlich 30 bis 35 Prozent des Energiebedarfs einer Fertigung verantwortlich, auch bis zu 60 Prozent sind möglich [2]. Um diese hohen Zahlen zu senken, hat deswegen ein Konsortium aus Wissenschaft und Wirtschaft das Forschungsprojekt „E-KISS – Betrieb energiebedarfsorientierte Kühlschmierstoffsysteme“ [3] initiiert. Hinsichtlich der Einsparungen verfolgt das Projekt gleich mehrere Ziele. Zum einen sollen Energiebedarfe der gesamten Anlage durch den Einsatz von digitalen Schlüsseltechnologien wie cyber-physische Produktionssysteme und digitale Zwillinge gemessen, dokumentiert und dann reduziert werden. Das Ziel von E-KISS ist, am Ende der Projektlaufzeit eine Verringerung des Energiebedarfs von circa 20 bis 30 Prozent im Vergleich zur Ausgangssituation zu erreichen.

Zum anderen sollen die Kühlschmierstoff-Systeme – zu denen auch die Abluftanlage gehört – angepasst werden und dies bei gleichbleibender oder besserer Prozessqualität, was ebenfalls zu einer Energieeinsparung führt. Nahezu als Nebeneffekt entsteht bei E-KISS, dass der Lebenszyklus von Werkstücken durch die Optimierungen umweltfreundlicher ausgestaltet ist und Unternehmen einen positiven Beitrag zu ihren Klimaschutz- und Nachhaltigkeitszielen erreichen.

Zu den Projektpartnern von E-KISS gehören: Technische Universität Braunschweig (IWF), Robert Bosch GmbH, ONLINE Industrieelektrik und Anlagentechnik GmbH (Online IAT) – und wir, Ascon Systems. Die Expertise verteilt sich dabei auf Sensorik in der Produktion (IWF, Online IAT), Maschinenanwendung (Robert Bosch GmbH, MWS – Unterauftrag) sowie Entwicklung digitaler Modelle und Methoden (Ascon Systems, IWF).

Mit kontextualisierten Daten zu mehr Transparenz entlang des Produktlebenszyklus

Anlagenbetreiber haben meist keine oder nur wenig Transparenz über die Energiebedarfe einzelner Komponenten und Systeme. Dies gilt insbesondere bei Fertigungsprozessen, bei denen mehrere Systeme zusammenarbeiten, wie es bei dem Verfahren der Zerspanung der Fall ist und hier insbesondere bei demjenigen mit Kühlschmierstoffen. Sie werden beim Schleifen eingesetzt, damit durch die Schleifwärme nicht zu viel Verschleiß und damit Ausschuss am Werkzeug entsteht. Diese Prozesse brauchen viel Energie. Die Nutzung lässt sich effizienter gestalten, wenn intelligente Steuerungen und Regelungen eingesetzt und über Retrofit-Maßnahmen in die bestehenden Systeme integriert werden. Retrofit bezeichnet hierbei diejenigen Anpassungen an bestehenden Maschinen und Betriebsmitteln, die nicht komplett erneuert, sondern durch Verbesserungen und Erweiterungen fit für die vernetzte Produktionsumgebung gemacht werden.

Der Start für das Forschungsprojekt E-KISS fiel mit der Konzeption und dem Aufbau eines cyber-physischen Produktionssystems. Das physische Referenzsystem bildet dabei den Ist-Zustand und die Besonderheiten einer realen Schleifmaschine ab, wie sie in der TU Braunschweig für das Projekt aufgestellt wurde. Der Cyber-Raum umfasst Komponenten zur Modellierung und Simulation, wozu neben Sensoren auch unser digitaler Zwilling gehört. In dieser Umgebung werden die Daten des physischen Systems erfasst, aufbereitet und für die Entscheidungsfindung interpretiert. Im ersten Schritt erfolgt der Aufbau einer Messinfrastruktur, mit der informationstechnischen Vernetzung, Berücksichtigung von verschiedenen Zerspanungsprozessen und der Steuerung und Regelung des Gesamtsystems. Zum Projektstart wurden Schleifversuche durchgeführt, die die Schleifbedingungen und Energiebedarfe der Maschine unter konventionellen Bedingungen erfassen und widerspiegeln.

Digitaler Zwilling: Daten ändern Realitäten

Unser Schwerpunkt in dem Forschungsvorhaben liegt in den Leistungen des digitalen Zwillings. Er schafft das vollständige digitale Modell der Anlage mit ihren Eigenschaften, Zuständen, Abhängigkeiten und dem Verhalten der Systeme untereinander und sorgt so für ein Gesamtbild über die realen Systeme. Der digitale Zwilling ist tief mit den einzelnen Systemelementen vernetzt. Zugleich haben wir gemeinsam mit der TU Braunschweig die datenbasierte Modellierung des Systems übernommen. Mit dem Fokus und der Zielsetzung auf Energieeinsparungen in der Kühlmittelversorgung war es besonders wichtig, die Daten über Prozesse, Werkzeuge und Werkstücke aufzunehmen und Änderungen kontinuierlich festzuhalten. Wir wollten so Transparenz über die Prozesse und die zugrundeliegenden Daten erreichen, Regelparameter identifizieren und im späteren Verlauf den Betrieb auf physischer Ebene anpassen.

Als Grundlage für E-KISS entstand ein virtuelles Gesamtmodell der Werkzeugmaschine und des Kühlschmierstoffsystems, in dem die Daten echtzeitnah zusammenlaufen. Die aktuellen Messwerte und Anlagensignal werden über ein Dashboard live visualisiert. Auf dieser Basis konnten wir Ansätze und Methoden zur Optimierung des Energieverbrauchs entwickeln.

Alle erfassten Daten gehen in die digitale Akte ein, so dass sie zukünftig und in ihrem semantischen Kontext zur Verfügung stehen.

Die Besonderheit unseres digitalen Zwillings ist, dass er zum einen ein digitales Replikat schafft. Zum anderen ermöglicht er eine bidirektionale Kopplung mit der realen Anlage. Sie sorgt dafür, dass der digitale Zwilling Daten in Echtzeit von der Anlage bekommt auch Daten an die Anlage zurücksenden kann, die das Verhalten des gesamten Systems beeinflusst. Und genau darum geht es bei E-KISS.

29,5 Prozent Einsparungen bei Strom

Für die Berechnungen, ob und wenn ja, wie sich die Effizienz verbessert hat, wurde als Basis ein 2-Schichtbetrieb mit 4.160 Betriebsstunden pro Jahr genommen, wovon 27 Prozent auf direkte Bearbeitung, 28 Prozent auf die Einstellungszeit sowie 45 Prozent auf die Wartezeit entfallen. Der zugrundeliegende Strompreis liegt bei 0,2446 Euro pro Kilowattstunde.

Die Optimierungen erfolgten über direkte Energieeinsparungen durch Abschaltungen von Maschinen in Ausfall- und Wartezeiten, eine Anpassung des Prozesses durch eingebrachte Sensorik, Werkstücke für eine bessere Produktivität und die vollständige Integration des digitalen Zwillings inklusive der intelligenten Anpassung der identifizierten Regelparameter.

Unter diesen Voraussetzungen liegen die Energieeinsparungen bei 29,5 Prozent, was 13.590 Kilowattstunden und 3.324 Euro pro Jahr und Maschine an Einsparungen entspricht.

Aus der Modellumgebung in die Praxis: Nachdem die Tests den Erfolg des Forschungsvorhaben bewiesen haben, hat das Konsortium im letzten Schritt des Projekts ein identisch aufgebauter Prototyp in einer realen Umgebung implementiert. Konkret wurden die Inhalte in ein KMU aus dem Bereich Metallverarbeitung überführt und dort an einer Fräsmaschine angedockt. Die Unterschiede zu der Forschungsumgebung bestanden in der physischen Umsetzung und den spezifischen Anforderungen der Anlage. Die Ergebnisse waren reproduzierbar, sie unterstreichen die in der Modellumgebung erlangten Erkenntnisse, wenngleich mit anderen Daten.

Fazit

Das Forschungsvorhaben zeigt, dass Data Science zu Erkenntnissen über tatsächliche Verbräuche von Energie aber auch von Material führt. In Kombination mit Retrofit-Maßnahmen – zu denen mehr und bessere Sensoren genauso gehören, wie einzelne Komponenten der Werkstücke – tragen die Daten dazu bei, dass Unternehmen tatsächlich effizienter mit Ressourcen umgehen können. Sie schonen die Umwelt und sparen Kosten. Die Forschung lässt sich gut und unkompliziert in die Praxis übertragen.

[1] Umsatz im deutschen Maschinenbau nach ausgewählten Sektoren in den Jahren 2022 und 2023 https://de.statista.com/statistik/daten/studie/173637/umfrage/branchenumsatz-des-maschinenbaus-in-deutschland-nach-sektoren/

[2] Li, W., Zein, A., Kara, S., Herrmann, C., 2011. An Investigation into Fixed Energy Consumption of Machine Tools, in Glocalized solutions for sustainability in manufacturing: Proceedings of the 18th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig, Germany, May 2nd – 4th, 2011, Springer, Berlin, Heidelberg, p. 268.

[3] Förderkennzeichen: 03EN2037A, B, D, E

Lektüretipps:

Elisabeth Zettl et. al.: Ökologische und ökonomische Bewertung des Ressourcenaufwandes: Industrie-4.0-Retrofit-Maßnahmen an Werkzeugmaschinen (VDI, 2022)

Christopher Rogall et. al.: Systematic Development of Sustainability-Oriented Cyber-Physical Production Systems (MDPI, 2022)

Christopher Rogall et. al.: Application of sustainability-oriented cyber physical production systems to grinding processes (Procedia CIRP, 2023)

The post Use Case: Wie digitale Zwillinge dabei helfen, bis zu 29,5 Prozent Energie im Maschinenbau zu sparen appeared first on Ascon Systems.

Juni 19, 2024

Wie und wieso Software-defined Manufacturing die Industrie verändert

Die Zukunft der Produktion liegt in digitalen, automatisierten Prozessen. Nur so können Unternehmen flexibel werden und sich unabhängiger machen von spontanen Marktentwicklungen und Fachkräftemangel. Software-defined Manufacturing (SDM), heißt die Entwicklung, die dieser Änderung der Produktionsbedingungen zugrunde liegt. Der zentrale Unterschied zu konventionellen Methoden: Die Software und softwaregestützte Technologien stehen im Mittelpunkt der Fertigungsprozesse.

• #Fertigung
• #industrie40
• #sdm
• #softwaredefinedmanufacturing

Author

Steven Vettermann

Share this article

SDM verspricht eine effizientere Produktionsweise und erhebliche Steigerung der Anpassungsfähigkeit von Fertigungslinien. Auch Innovationen und neue Geschäftsmodelle lassen sich in einer Sofware-zentrierten Produktionsumgebung schneller vorantreiben.

Die Grundlagen des Software-defined Manufacturing (SDM)

Beim traditionellen Fertigungsansatz steht die Hardware mit Maschinen und Anlagen im Mittelpunkt und wird ebenfalls durch eine Hardware, nämlich die SPS, gesteuert. Im Software-defined Manufacturing ersetzen Unternehmen dieses Konzept. Sie steuern die Hardware, also auch die SPS, über dynamische Softwaresysteme oder Softwareplattformen. Sie optimieren so die Hardware und damit die gesamte Fertigungskette. Der große Vorteil: Unternehmen können so auf Marktveränderungen fast in Echtzeit reagieren, da im Software-defined Manufacturing Anpassungen an neue Anforderungen und Designs wie auch Änderungen in Produktionsprozessen durch Softwareupdates statt physischer Umbauten erfolgen können. SDM integriert digitale Schlüsseltechnologien wie das Internet of Things (IoT, Internet der Dinge), Cloud-Computing und künstliche Intelligenz (KI).

Die Rolle der IT-OT-Konvergenz

Die Konvergenz von Informationstechnologie (IT) und operationeller Technologie (OT) spielt eine zentrale Rolle im Software-defined Manufacturing. Diese Konvergenz führt zu einer nahtlosen Integration von Daten- und Steuerungsflüssen zwischen administrativen und produktionsbezogenen Bereichen eines Unternehmens, zwischen Büro und Produktion. Durch die Integration von IT- und OT-Systemen können Daten aus der Produktion in Echtzeit erfasst und analysiert werden. Das erhöht die Transparenz und führt zu präziseren und fundierteren Entscheidungen. Die Konvergenz ermöglicht es Unternehmen, Probleme in der Produktion zu antizipieren, bevor sie auftreten oder wenn sie auftreten, dann schnell darauf zu reagieren und sie zu beheben, bevor sie zu größeren Störungen führen. Die IT-OT-Konvergenz fördert die Entwicklung von prädiktiven Wartungsstrategien, was wiederum die Betriebszeiten erhöht und ungeplante Ausfälle reduziert. Darüber hinaus können durch die IT-OT-Konvergenz Effizienzsteigerungen und Kosteneinsparungen erzielt werden, da redundante Systeme und Prozesse eliminiert werden. Die Integration von IT und OT ist ein entscheidender Schritt hin zu einer vollständig vernetzten und intelligenten Produktionsumgebung, die die Grundlage für die Fabrik der Zukunft bildet.

Hyperkonvergenz in der Fertigung

Hyperkonvergenz erweitert die Idee der Konvergenz, indem sie Speicher-, Rechen- und Netzwerkoperationen in einer einzigen, vereinheitlichten Systemarchitektur zusammenführt. Dadurch können Unternehmen ihre IT-Landschaft vereinfachen und zentral verwalten. Dies reduziert nicht nur den Verwaltungsaufwand, sondern erhöht auch die Flexibilität und Reaktionsfähigkeit der Produktionssysteme. Datensilos werden aufgehoben, verflochtene Steuereinheiten entkoppelt.

Hyperkonvergenz ermöglicht es, schnell auf Veränderungen in der Produktion zu reagieren, indem Ressourcen je nach Bedarf dynamisch neu zugewiesen werden können. Dies ist besonders in Umgebungen mit wechselnden Produktionsanforderungen von Vorteil, da Unternehmen so schneller und effizienter auf neue Marktanforderungen reagieren können. Die Systeme sind hochgradig modular und lassen sich leicht an veränderte Produktionsbedingungen anpassen.

Im Einsatz bei Fertigungsunternehmen können hyperkonvergente Systeme die IT-Footprints reduzieren und gleichzeitig die Leistung und Kapazität steigern. Die zentrale Verwaltung von Ressourcen durch eine hyperkonvergente Infrastruktur verbessert die Reaktionsfähigkeit auf Anforderungen aus dem Produktionsprozess und sie erleichtert die Implementierung fortschrittlicher Analytik, die zur Optimierung des gesamten Fertigungsprozesses beiträgt.

Use Case: SDM in der Stuttgarter Maschinenfabrik

Welche Möglichkeiten SDM in der Praxis bietet, haben wir erfolgreich in der Stuttgarter Maschinenfabrik des ISW (Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen) umgesetzt. Die Prozessorchestrierung von Maschinen und AGVs (Automated Guided Vehicles) erfolgt herstellerunabhängig über digitale Zwillinge. Die hochparallele und hochperformante Kommunikation zwischen den digitalen Zwillingen untereinander sowie zwischen ihnen und den Maschinen und IT-Systemen wird über Standardprotokolle (OPC UA, REST etc.) organisiert. Produkt, Prozess und Ressourcen sind miteinander verlinkt und flexibel änderbar. Interaktionen werden ereignisdiskret geloggt, damit man volle Transparenz und Flexibilität hat. Da die Daten in ihrem jeweiligen Kontext erfasst werden, stellt das auch einen idealen Hebel für KI-basierte Optimierungen dar. Das Monitoring erfolgt über eine Echtzeit-Visualisierung des Prozesses im NVIDIA-Omniverse. Damit realisiert Ascon Systems in SDM4FZI eine voll ausgebaute und mächtige Industrial-Metaverse-Anwendung.

Der Use Case zeigt, dass man mit Software-defined Manufacturing noch weitere Vorteile für sich erschließen kann. Der Prozess kann online geändert und er kann remote und in Echtzeit visualisiert werden. Zur Visualisierung wird im Use Case die 3D Plattform NVIDIA Omniverse verwendet. Genauso ist es aber beispielsweise möglich, einem Mitarbeitenden vor Ort alle notwendigen Informationen zum Zustand der Anlage oder Wartungsinformationen auf sein Tablet zu spielen. Terminals und Papiere entfallen. Damit wird es möglich, die Vorteile des Software-defined Manufacturing an sich, und auch die Potenziale beim Refit von Brownfield-Umgebungen zu zeigen.

Ascon Systems SDM4FZI-Demonstrator mit 3D

Dieser und andere Use Cases zeigen die vielfältigen Nutzungs- und Einsatzmöglichkeiten von Software-defined Manufacturing. Sie sind ausführlich auf der Webseite des Projekts https://www.sdm4fzi.de beschrieben.

Basis für die Software-defined Factory – die Fabrik der Zukunft

Die „Fabrik der Zukunft“ wird durch Technologien wie SDM möglich gemacht. Diese hochautomatisierten und flexiblen Produktionsstätten nutzen vollständig die Vorteile der digitalen Steuerung, um schnell auf Marktveränderungen und individuelle Kundenanforderungen zu reagieren. Hierbei spielen Robotik, erweiterte Automatisierung, künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen eine entscheidende Rolle, weil sie die Effizienz steigern und Fehlerquoten reduzieren. In der Fabrik der Zukunft sind alle Systeme und Maschinen miteinander vernetzt und werden zentral überwacht und gesteuert. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Optimierung der Produktionsprozesse und eine schnelle Anpassung an neue Anforderungen. Durch den Einsatz von Sensoren und vernetzten Geräten können Daten in Echtzeit erfasst und analysiert werden, um Produktionsprozesse zu verbessern und die Qualität zu steigern. Diese Fabriken sind effizienter und zugleich nachhaltiger, weil der Einsatz von Material und Energie optimiert wird. Darüber hinaus wird die Arbeitsumgebung sicherer und ergonomischer, da viele gefährliche oder monotone Aufgaben von Robotern übernommen werden. Die Fabrik der Zukunft repräsentiert einen Paradigmenwechsel in der Fertigung, der durch die Integration von SDM und anderen fortschrittlichen Technologien ermöglicht wird.

Aktuell untersucht ein Forschungsverbund aus Wissenschaft und Wirtschaft – in dem auch wir beteiligt sind – in dem öffentlich geförderten Projekt „SDM4FZI – Software-defined Manufacturing für die Fahrzeug- und Zulieferindustrie“, die Potenziale für Software-definierte Fertigung in den Branchen Automobil- und Zulieferindustrie. Das Projekt wird Ende 2024 abgeschlossen, erste Ergebnisse gab es schon vorher, bei den Stuttgarter Innovationstagen am 17. und 18. September 2024 zu sehen.

The post Wie und wieso Software-defined Manufacturing die Industrie verändert appeared first on Ascon Systems.

Juni 11, 2024

Ist die industrielle Produktion ohne SPS in der Zukunft erfolgreicher?

In der heutigen schnelllebigen Industrie wird die Fähigkeit, sich nahtlos an neue Technologien und Marktanforderungen anzupassen, immer entscheidender für den Erfolg. Hersteller, die den globalen Wettbewerb anführen wollen, müssen nahtlose Datenströme innerhalb ihrer Produktionsprozesse etablieren. Dieser Ansatz ermöglicht eine effizientere und flexiblere Produktion, die in der Lage ist, auf Veränderungen schnell zu reagieren und maßgeschneiderte Produkte effizient zu fertigen. Wenn eine flexible Infrastruktur entscheidend ist, dann ist alles zu eliminieren, was starr, kostenbehaftet und zeitaufwendig ist. Und immer häufiger wird in diesem Kontext die SPS angeführt. Warum behindert der Einsatz einer SPS, ob physisch oder virtuell, den Fortschritt in der Produktion?

• #Effizienz
• #industrie40
• #SPS

Author

Steven Vettermann

Share this article

Das Haupthindernis im Einsatz der SPS ist, dass die Fabrik von morgen Flexibilität durch nahtlose Integrationsmöglichkeiten erreicht – und eine SPS ist nicht dafür gebaut, diesen Zustand herzustellen.

Drei Unzulänglichkeiten prägen traditionelle SPS-Systeme:

1. Inkompatibilität mit modernen Technologien
   Viele traditionelle SPS sind nicht in der Lage, sich nahtlos in neuere Technologien wie KI-Copiloten, Cloud Computing und Big Data Analytics zu integrieren und Kommunikationsstandards vollwertig zu unterstützen. Diese Technologien sind jedoch entscheidend für die Realisierung intelligenter und vernetzter Produktionsumgebungen, die für moderne Produktionsprozesse erforderlich sind.
2. Mangelnde Skalierbarkeit und Flexibilität
   Hersteller stehen oft vor der Herausforderung, dass herkömmliche SPS in ihrer Kapazität und Funktionalität begrenzt sind. Die Erweiterung oder Modifizierung von Funktionen kann teuer und kompliziert sein, was die Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Produktionsanforderungen einschränkt. Darüber hinaus ist es schwierig, eine SPS schnell umzuprogrammieren, um sie an unterschiedliche Produkte und Prozesse anzupassen.
3. Technische und operationale Einschränkungen
   Die Programmierung und Wartung einer SPS erfordert spezielles Wissen und kann zu erheblichen Betriebsstörungen führen, wenn Schlüsselpersonal nicht verfügbar ist. Zudem werden die Kommunikationsfähigkeiten durch proprietäre oder veraltete Protokolle eingeschränkt, was den Informationsfluss und die Integration in moderne Produktionsumgebungen behindert.

Wirtschaftliche Vorteile durch den Ersatz der SPS

Wenn die SPS ersetzt wird und stattdessen hyperkonvergente IT-Lösungen integriert werden, folgen daraus zwei signifikante wirtschaftliche Vorteile:

Kosteneinsparungen
Das Beratungsunternehmen McKinsey hat im August 2022 untersucht, dass in der Automobilindustrie 8% der befragten Unternehmen planen, in den nächsten fünf Jahren mehr als 500 Millionen Dollar in Automatisierung zu investieren¹. Dieses Investment muss sich lohnen. Unsere eigenen Berechnungen besagen, dass ein Automobilhersteller mittlerer Größe im Durchschnitt sechs Millionen Euro pro Jahr und Werk für Automatisierungslösungen ausgibt (Kauf, Ersatz, Wartung, Änderungen usw.). An jeder Linie gibt es SPS, die sich um die Steuerung der Maschinen selbst kümmern, und andere, die den Prozess steuern (manchmal findet man eine Mischung von Verantwortlichkeiten auf einer SPS, aber das wird hier vernachlässigt). Je nach Anwendungsbereich gibt es einen unterschiedlichen Prozentsatz für den Bedarf an Maschinen- und/oder Prozesssteuerung. Bei den einen werden vielleicht nur 5% für die Prozesssteuerung benötigt, bei komplexeren Szenarien vielleicht 50%.

Nehmen wir also an, dass im Durchschnitt 30% für die Prozesssteuerung und 70% für die Maschinensteuerung benötigt werden. Gehen wir nun davon aus, dass in einem ersten Schritt nur die SPS ersetzt werden soll, die den Prozess steuert (die 30%). Nehmen wir weiter an, dass die Steuerung des Prozesses über moderne IT 25% weniger kostet als die Steuerung des Prozesses über SPS. Ausgehend von diesen Zahlen betragen die konservativ geschätzten Einsparungen durch den Ersatz der SPS durch IT im Durchschnitt:

• Nur Prozesssteuerung = 450.000 EUR pro Jahr und Anlage

• 100% Ersatz = 1.500.000 EUR pro Jahr und Anlage

Natürlich kann man Argumente finden, warum dies nicht realistisch ist. Grundsätzlich sollte aber das Bedürfnis, flexibler zu sein, die nächste Stufe der Automatisierung zu erreichen und Geld zu sparen, genug Motivation sein, um es zu tun.

Verbesserte Produktivität und Agilität

Die Umstellung auf moderne IT-basierte Lösungen ermöglicht eine höhere Produktivität durch verbesserte Automatisierungsgrade und effizientere Produktionsabläufe. Zudem erhöht sich die Flexibilität in der Produktion, was die Fähigkeit, auf Marktanforderungen zu reagieren und kundenspezifische Produkte in kleineren Losgrößen zu fertigen, wesentlich verbessert.

Die fortschreitende Integration moderner Technologien in die Produktionsumgebung ist nicht nur eine Möglichkeit, die Effizienz zu steigern und Kosten zu senken, sondern wird zunehmend zu einer Notwendigkeit, um im globalen Wettbewerb bestehen zu können. Unternehmen, die auf diese Weise flexibler und adaptiver werden, sind besser positioniert, um auf zukünftige Herausforderungen zu reagieren und von den sich bietenden Chancen zu profitieren.

Fazit

Wer in Zukunft wettbewerbsfähig bleiben, auf den zunehmenden Fachkräftemangel reagieren und die Kosten weiter reduzieren will, muss sich klar überlegen, ob er bei den alten SPS-zentrischen Automatisierungstechnologien bleibt oder ob er die traditionelle OT durch flexible IT-Technologien ersetzt. So spart man Kosten ein und schafft sich gleichzeitig die Möglichkeit, KI-Copiloten und Data Analytics in die Fertigung direkt mit einzubeziehen. Und das zu Produktionskosten am Standort in Deutschland, der dann im internationalen Vergleich wettbewerbsfähig ist.

Finden Sie heraus, wie Sie mit Ascon Qube eine Fertigung ohne SPS erreichen können.

1. McKinsey-Studie: Unlocking the industrial potential of robotics and automation ︎

The post Ist die industrielle Produktion ohne SPS in der Zukunft erfolgreicher? appeared first on Ascon Systems.

Apr. 22, 2024

Die Evolution der SPS: Was wird das neue Normal?

Die Entwicklung der Maschinensteuerung schreitet die letzten 100 Jahre stetig voran: Von der mechanischen, über die elektrische und elektronische, bis hin zur Software-basierten und schließlich zu der aktuell diskutierten virtuellen Steuerung. Wie ist der aktuelle Stand? Was fehlt noch, um die immer häufiger geäußerte Forderung nach Möglichkeiten zur Realisierung von Sprunginnovation, Standardisierung und Resilienz zu erfüllen?

• #Automatisierung
• #Fertigung
• #industrie40
• #KI
• #SPS
• #techsimplified
• #virtuelleSPS

Author

Steven Vettermann

Share this article

Bis in die 1960er Jahre waren Steuerungssysteme in der Fertigungs- und Produktionsindustrie festverdrahtete Relaissteuerungen. Sie waren zwar funktional, aber wenig flexibel und aufwendig in der Änderung und Wartung. Für die Automobilbranche stellte diese Infrastruktur eine massive Einschränkung dar.

Das änderte sich, als Ingenieure 1969 die erste speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) entwickelten – und die Automatisierungstechnik durch eine bahnbrechende Innovation revolutionierten. Die Einführung der SPS machte es möglich, Steuerungslogiken softwareseitig zu implementieren und bei Bedarf zu modifizieren. Die SPS konnte die Programmierung, Modifikation und Erweiterung von Steuerungslogiken vereinfachen. Sie bot erstmalig eine hohe Anpassungsfähigkeit an verändernde Produktionsbedingungen.
Über die Jahrzehnte hinweg haben technologische Fortschritte, insbesondere in der Mikroelektronik und der Informations- und Kommunikationstechnologie, die Funktionalität und Leistungsfähigkeit der SPS erheblich erweitert. Aus den anfänglich einfachen Geräten, die primär als Ersatz von Relaislogiken genutzt wurden, bis zu komplexen Steuerungssystemen, mit integrierten Diagnosefunktionen, Netzwerkkonnektivität und der Möglichkeit zur Verarbeitung von Daten in Echtzeit. Diese Evolution spiegelt den technischen Fortschritt wider. Vor allem aber zeigt sie, wie die zunehmende Integration von Produktions- und Informationstechnologien als Software die Grundlage für Industrie 4.0 und die Smart Factory legen.

Virtuelle SPS: Kein Ende, sondern ein Anfang

Die letzte Dekade steht für die zunehmende Virtualisierung von Systemen und Hardware. Die Transformation dahin begann mit der Einführung der Soft-SPS. Sie markiert eine Abkehr von der bisher meist vorherrschenden, festen Verbindung zwischen Steuerungssoftware und Hardware. Durch die Implementierung einer zusätzlichen Software-Schicht, die zwischen der Hardware und dem Betriebssystem eingesetzt wird, ermöglicht die Soft-SPS eine Abstraktion physischer Ressourcen. Damit können Komponenten wie Hardware, Software, Speicher und Netzwerkkomponenten auf virtueller Ebene bereitgestellt und so flexibel von verschiedenen Nutzern gleichzeitig verwendet werden. Auch auf Ebene der Steuerungen spielt die Virtualisierung zunehmend eine wichtige Rolle. Mit der Einführung der Soft-SPS wurde die starre Kopplung von Hardware und Steuerungssoftware aufgetrennt und die Steuerungssoftware auf die Anwendungsschicht eines Betriebssystems gehoben. Die Interoperabilität erhöht sich hierdurch erheblich. Zugleich bleibt je nach verwendetem Betriebssystem eine große Nähe zur Hardware erhalten.

Der nächste Schritt zur vollständigen Virtualisierung von Hardware in der Automatisierungtechnik kommt durch die virtuelle SPS. Im Gegensatz zu den Software-basierten Steuerungen (Soft-SPS) ist eine virtuelle SPS komplett abstrahiert. Die Abstraktion und damit die Virtualisierung der Hardware erfolgt, genauso wie bei anderen IT-Applikationen, mittels Container¹ oder Hypervisor². Die virtuelle SPS „weiß“ nicht, auf welchem Gerät sie läuft. Die Installation der virtuellen SPS erfolgt nicht mehr auf einem Rechner, sondern in einem Container. Auf welchem Rechner der Container dann deployt³ wird, ist für die virtuelle SPS unerheblich. Dies aber nur, solange der Container oder Hypervisor die von solch einer SPS benötigten Schnittstellen zur Hardware in ausreichendem Maße bereitstellt. Ob das Ganze dann in der Cloud, on Edge oder im Datencenter läuft, ist letztendlich unerheblich – abgesehen von den Laufzeiten.

Als Vorteile der virtuellen SPS im Vergleich zu traditionellen Steuerungssystemen der Automatisierungstechnik wie der Soft-SPS wird oft angeführt, dass sie Kosten und Aufwand für Beschaffung, Verdrahtung, Instandhaltung, Ausrollen von Applikationen sowie für die Administration der Geräte spart. Das schont Ressourcen in allen Bereichen und umgeht Lieferengpässe. Natürlich bringen neue Technologien auch Punkte mit sich, die es zu beachten gilt. Gerade Aspekte der IT-Sicherheit und der Safety (siehe IEC 61508: Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems) sind hier von Relevanz.

Einen Blick tiefer unter die Motorhaube

Die gleiche Funktionalität, aber weniger Hardware, dafür mehr virtuell. Software, Cloud-fähig. Das klingt verlockend – und könnte tatsächlich ein Fortschritt sein. Aber es ist eben die gleiche Technologie, sie braucht die gleichen begehrten Fachkräfte, die gleichen Tools, Tests, und sie birgt die gleichen Probleme. Sie bringt aber auch Neues mit sich, was wiederum zu Aufwand und dem notwendigen Einsatz von anders ausgebildeten Fachkräften führt (z.B. IT-Experten).

Und es kommen noch weitere Punkte dazu, die man nicht aus den Augen verlieren sollte:

• Welche Hardware-Anforderungen stellt die virtuelle SPS, die dann irgendwo auf einem Server laufen soll?
• Und wie leistungsfähig ist diese virtuelle SPS dann?

Mitunter wird nämlich nur ein Abbild einer physischen SPS in Software gegossen, das z.B. genauso viel oder so wenig Speicher hat und genauso gut oder schlecht Schnittstellenstandards unterstützt, wie ihre physische Schwester. Es kann zudem auch sein, dass sie auf dem Server, auf dem sie deployt wird, trotzdem enorm viel Speicherplatz verlangt. Das alles gilt es beim jeweiligen Hersteller bzw. Software-Anbieter der virtuellen SPS zu erfragen. Es geht ja meistens nicht um eine einzige SPS, sondern um größere Dimensionen. Und plötzlich wandelt sich das gedankliche Bild vom kleinen Rechner in der Ecke der Halle in ein ausgewachsenes Rechenzentrum, das auch unterhalten werden möchte. Genauso ist es mit Fragen nach vorgesehenen Mechanismen zum zentralen (anstatt Point-to-Point) Deployment oder zum Einspielen von Patches, inklusive den damit notwendig werdenden Tests.

Der konsequent nächste Schritt

Die Vorteile um hinsichtlich Flexibilisierung, Kosten, Umgehung von Lieferengpässen und Resilienz auf Virtualisierung zu setzen, sind unbestritten. Wenn man aber von SPS redet, kommt man um ein Thema nicht herum: die Zykluszeit. Damit einher geht die Echtzeitfähigkeit, also die zugesicherte Bereitstellung von Ergebnissen in einer definierten Zeitspanne. SPS – ob nun Soft-SPS oder virtuelle SPS – arbeiten periodisch sequenzielle Programmanweisungen vollständig ab und liefern Ergebnisse. Das passiert in jedem Zyklus von Neuem. Betrachtet man den Kerngedanken der Automatisierung, also das Abarbeiten von diskreten, sich wiederholenden Schritten, so macht das ja auch Sinn.

Doch die Anforderungen an die moderne Fabrik ändern sich gerade in den letzten Jahren rasant. Natürlich braucht man immer die Fähigkeiten, die eine SPS bereitstellt – gerade im Kontext von Echtzeitanforderungen. Aber die zu automatisierenden Fertigungsprozesse werden komplexer und variantenreicher. Damit steigen die Anforderungen an eine Steuerungssoftware. Es wird immer wichtiger, das Zusammenwirken unterschiedlichster Maschinen und Programme zu orchestrieren, Interaktionen mit KI-basierten Services zu ermöglichen, für mehr Transparenz in und mit anderen Unternehmenssystemen zu sorgen. Hier geht es um die hochperformante und hochparallelisierte Verarbeitung von Massendaten mit überaus komplexen Zusammenhängen. Wie – und warum – soll das auf Basis von SPS möglich werden, die dafür nicht gebaut wurden? Die moderne IT bietet hier effizientere Mechanismen. Es geht im Kern nicht darum, die SPS aus der Fertigung ins Rechenzentrum oder in die Cloud zu verschieben, egal ob physisch oder virtuell. Es geht darum, sie sinnvoll einzusetzen, und sie kombiniert mit IT-Mechanismen zu benutzen, um so der Industrie heute das zu geben, was sie morgen braucht.

Der konsequent nächste Schritt ist dann, die beiden Steuerungsaufgaben – Hardware und Prozess – zu trennen, die heute beide in der SPS programmiert werden. Die SPS steuert weiterhin die Hardware (z. B. Roboter, Maschinen). Aber die Prozesse (wie die Ablauflogik) werden durch effizientere Methoden gesteuert. 

Ein Blick auf die moderne Produktionssteuerung

Durch den Automatisierungsstandard IEC 61499 (Standard for Distributed Automation) haben Begriffe wie Objektorientierung, ereignisdiskrete Datenverarbeitung oder Service-orientierte Architekturen in den Reihen der Automatisierer Einzug gehalten. In der betrieblichen Praxis herrscht jedoch immer noch das Denken in den Möglichkeiten von SPS vor.

Stand heute ist es der praktischste Weg, z.B. einem Schweißroboter per SPS zu sagen, wie er einen Schweißpunkt zu setzen hat. Aber muss man ihm über den gleichen Mechanismus auch unbedingt sagen, wo das erfolgen soll? Damit fängt nämlich die Verstrickung an. Produkte ändern sich, oder das Unternehmen möchte unterschiedliche Produktvarianten über eine Fertigungslinie fahren. Gleiches gilt für die Prozesssteuerung. Warum muss man in eine SPS die Logik und/oder das Orchestrieren unterschiedlicher Roboter hinein programmieren? Gibt es dafür auch andere Lösungen, die das mindestens genauso gut machen, Änderungen aber flexibler und einfacher realisieren, damit sich die immer weniger werdenden SPS-Fachkräfte um Wichtigeres kümmern können?

Auch hier greift die Abstraktion: Trennung von Produkt/Prozess und Hardware-Kontrolle.

Genau wie die virtuelle SPS nicht mehr weiß, wo sie läuft, muss ein Schweißroboter doch nur wissen, wie er einen Schweißpunkt zu setzen hat. Die Produkt/Prozess-spezifischen Parameter mit dem „Wo?“ gibt man ihm von Außen mit. Schweißen, oder auch Schrauben, Klemmen, Transportieren, werden zu abstrakten Fähigkeiten, die losgelöst von der ausführenden Maschine einfach in der Fertigung genutzt werden. Der Roboter muss dann auch nichts mehr von hauseigenen Kommunikationsstandards wissen (die bis dato auch noch in eine SPS hinein programmiert werden).

In der modernen Produktionssteuerung werden Fähigkeiten orchestriert, nicht mehr individuelle Maschinen.

Das verschafft den Unternehmen Spielräume und in hohem Maß Flexibilität und Unabhängigkeit, auch von SPS-Fachkräften. Dazu kommt der Beitrag zur Standardisierung: Kein Zulieferer muss die Hausstandards seines jeweiligen Kunden auf individuelle SPS programmieren. Er liefert, um im Beispiel zu bleiben, nur ein „Ding mit der Fähigkeit Schweißen“. Der Produktionsprozess wird transparent in der IT-Schicht darüber abgebildet. In der IT nennt man derartige Ansätze Hyper Converged Infrastructures (HCI).

Die Evolution der SPS verläuft parallel zu der Entwicklung von Automatisierungslösungen. Starre Modelle werden in Frage gestellt, die Zukunft liegt in IT-OT-Konvergenzen und in der Virtualisierung der Hardware. Um Sprunginnovationen zu ermöglichen und die Anforderungen an eine resiliente Fertigung zu erfüllen, genügt es nicht, die SPS zu virtualisieren. Es gibt derzeit nichts besseres um einer Maschine zu sagen, was sie wie tun soll, als die SPS. Aber für die Flexibilisierung der Auflaufsteuerung, für die Integration mit IT-Systemen und der KI sowie für die Bereitstellung von intuitiv nutzbaren Benutzercockpits sind Lösungen auf Basis hyperkonvergenter Infrastrukturen geeigneter.

Ascon Qube

Ascon Qube ermöglicht die Realisierung von hyperkonvergenten Infrastrukturen. Es ist eine herstellerneutrale Plattform zur durchgängigen Planung, Optimierung und Steuerung industrieller Fertigungsprozesse mittels digitaler Zwillinge. Diese hochperformante Technologie ermöglicht die Flexibilisierung von Fertigungsprozessen, schafft Transparenz und ermöglicht die einfache Integration KI-basierter Copiloten.

Weiterführende Erläuterungen und Definitionen:

1. https://de.wikipedia.org/wiki/Containervirtualisierung ︎
2. https://de.wikipedia.org/wiki/Hypervisor ︎
3. https://de.wikipedia.org/wiki/Softwareverteilung ︎

Wollen Sie mehr erfahren?

Ascon Systems – Digitaler Schatten

Hyperkonvergenz in der Produktion: Effizienzsteigerung durch IT-Innovation

Ascon Systems | Industrial Metaverse: 7 Schlüsseltechnologien und Vorteile für Unternehmen

The post Die Evolution der SPS: Was wird das neue Normal? appeared first on Ascon Systems.

März 7, 2024

Ascon Systems realisiert ersten Demonstrator im Förderprojekt „Werk 4.0“

In Berlin erprobt Mercedes-Benz neue Technologien. Sie sollen in zukünftigen Produktionsanlagen in allen Werken weltweit zum Einsatz kommen. Ascon Systems ist mit seinen Lösungen für Datenorchestrierung und Automatisierung durch digitale Zwillinge dabei – und zeigt die Möglichkeiten in einem ersten Demonstrator.

• #automotive
• #innovation
• #resilienteproduktion
• #solutionpartner
• #werk4.0

Author

Steven Vettermann

Share this article

Der wirtschaftliche Erfolg der Produktion von Unternehmen hängt immer stärker davon ab, wie gut es gelingt, schneller auf Markt- und Technologieveränderungen zu reagieren. Eine Voraussetzung dafür sind kürzere Produktlebenszyklen. 12 Partner haben sich zusammengeschlossen und erforschen die optimalen Rahmenbedingungen für die flexiblen Fertigungslösungen von morgen. „Vom konventionellen Produktionswerk zum resilienten Kompetenz-Werk durch Industrie 4.0 (Werk 4.0)“ heißt das Projekt und es wird vom BMWK, Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, gefördert*. 

Ascon Systems beteiligt sich neben Mercedes-Benz und EKS InTec am Arbeitspaket 2, Digital Twin. Das Ziel ist, Produktionsanlagen auf Basis von digitalen Zwillingen zu planen, in Betrieb zu nehmen, zu betreiben, Änderungen vorzunehmen und so die geforderte Resilienz der Produktion zu erreichen. Hierzu entwickelt das Projektteam die notwendigen Szenarien und Spezifikationen und testet anschließend die Funktionen. Letzteres geschieht im Mercedes-Benz Digital Factory Campus (MBDFC) am Standort Berlin-Marienfelde. Das Unternehmen erprobt hier neue Technologien, welche in zukünftigen Produktionsanlagen in allen Werken weltweit zum Einsatz kommen sollen. Dabei kann es sich um Technologien für ganze Produktionslinien, um einzelne Stationen oder Zellen, aber z. B. auch um spezielle Montagegeräte wie Schrauber oder um (IT-)-Infrastruktur-Komponenten handeln, die automatisiert und als Komponente im IIoT, Industrial Internet of Things, betrieben werden. 

Das Vorgehen im Projekt ist überaus agil, die Erfahrungen werden direkt in der Praxis gesammelt. Und obwohl das Projekt erst seit 2023 läuft, hat Ascon Systems jetzt schon seinen ersten Demonstrator realisiert.  

Das Setup: In einer Testanlage fahren bis zu acht fahrerlose Transportsysteme (FTS) auf einem festen Kurs und transportieren Fahrzeugkarossen. Sie steuern der Reihe nach mehrere manuell und automatisiert betriebene Arbeitsstationen an. Mithilfe von auf den FTS befindlichen Hubtischen werden die Karossen auf verschiedene Höhen eingestellt, so dass Menschen ein ergonomisches Arbeiten ermöglicht wird. 

Für den Demonstrator hat Ascon Systems den Prozess und die Informationsflüsse über digitale Zwillinge modelliert. Die während der Fahrt jedes fahrerlosen Transportsystems anfallenden Daten zur Position und dem Betriebszustand werden im jeweiligen Kontext erfasst und gespeichert. Auswertungen und Analysen werden in einem Dashboard angezeigt. Die Höhe des FTS-Hubtisches kann pro Station über den jeweiligen digitalen Zwilling individuell gesteuert werden. Prozess- oder Parameteränderungen werden vor Ort oder auch remote realisiert. Damit sind die ersten Schritte in der Praxis gemacht und die gesammelten Erfahrungen können für die Realisierung des Werk-4.0-Reallabors genutzt werden. 

Im nächsten Schritt wird Ascon Systems den über die digitalen Zwillinge gesteuerten Demonstrator noch mit dem unternehmenseigenen digitalen Ökosystem MO360 des Automobilherstellers koppeln. Damit wird dann eine Live-Visualisierung und -Interaktion von remote aus möglich, was die Spielräume und Chancen der End-to-End-Digitalisierung zur Flexibilisierung der Produktion, aber auch die für mehr Benutzerfreundlichkeit demonstriert. 

*Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) in der Förderrichtlinie „Digitalisierung der Fahrzeughersteller und Zulieferindustrie“ im Förderrahmen „Zukunftsinvestitionen Fahrzeughersteller und Zulieferindustrie“ gefördert und vom Projektträger VDI Technologiezentrum GmbH betreut. Das Förderkennzeichen des Projekts für Ascon Systems ist: 13IK022G. 

The post Ascon Systems realisiert ersten Demonstrator im Förderprojekt „Werk 4.0“ appeared first on Ascon Systems.

Okt. 24, 2023

Die Fabrik der Zukunft im Industrial Metaverse: Utopie oder Chance?

Author

Steven Vettermann

Share this article

Die Anforderungen an die Fabrik der Zukunft sind hoch: Maximal flexibel soll sie sein, weil nur so Resilienz entsteht und Engpässe bei Ressourcen aller Art nicht zu Stockungen im Betriebsablauf führen. Dazu effizient, schnell, skalierbar, bestenfalls ortsunabhängig steuerbar. Auf der Wunschliste vieler Unternehmenslenkerinnen und -lenker stehen zudem prädiktive Analysen, digitale Dokumentation der Abläufe und ganz wichtig: Nachhaltigkeitsmanagement, Dekarbonisierung und Zirkularität. Erste Vorbilder der Fabrik der Zukunft entstehen gerade in allen Branchen. Die Unterschiede zu herkömmlichen Fabriken sind gewaltig, die Transformationsstufen entsprechend unterschiedlich und weitreichend. Nun kommt mit dem Industrial Metaverse eine Vision ins Spiel, die es einfacher machen könnte, weil sie konkret zeigt, wie die Fabrik der Zukunft aussehen und entstehen kann. Liegt hier das Potenzial, liefert das Industrial Metaverse die Schlüssel und Parameter, die den Weg zur Fabrik der Zukunft ebnen und konkrete Schritte beschreiben?

Was unterscheidet die Fabrik der Zukunft von der heute?

Fertigung und Steuerung von Produktionsprozessen basieren in vielen Unternehmen auf der klassischen Automatisierungspyramide. Sie beschreibt den Weg der Daten vom Ort der Entstehung bis zum Management. Der Aufbau ist hierarchisch: von unten mit Sensoren, über die Ebene der Prozesssignale, zu Prozessleitsystemen und Steuerungsebene bis nach oben zur Betriebsleit- und Unternehmensebene. Diese Architektur ist starr und sie bildet nicht alle Geschehnisse in Fabriken ab. Die Fabrik der Zukunft beruht wiederum auf intelligenten Netzwerken. Sie entstehen durch das Zusammenspiel modernster Technologien und Services. Nur so kann die Fabrik agil und effizient sein, flexibel reagieren und Sprunginnovationen motivieren. Die neue Architektur ändert aber nicht nur die betriebsinternen Prozesse und Abläufe, sondern auch die Rollen und Aufgaben des Menschen darin. Weg von der Produktion, hin zu Planung, Steuerung und Design von bestimmten Bauteilen oder Modulen. Produktentwicklung als Teil der Wertschöpfung wird noch wichtiger. Die tatsächliche Fertigungsarbeit übernehmen die Maschinen dann automatisiert. Steuerungen sind dezentral organisiert, Expertinnen und Experten müssen nicht mehr vor Ort sein, um etwas zu ändern.

Welche Vision der Fabrik der Zukunft liefert das Industrial Metaverse?

Das Industrial Metaverse entsteht gerade. Nicht mit einem großen Knall oder als Marke getrieben von einem Unternehmen, sondern kontinuierlich durch die Veränderungen und Anwendungen in immer mehr Industrie- und Technologie-Unternehmen weltweit. Wir haben in unserem Artikel „Der Weg ins Industrial Metaverse“ detaillierter beschrieben, was die Kennzeichen sind. Eine einheitliche Definition des Industrial Metaverse fehlt bislang. Einigkeit herrscht aber über das Hauptmerkmal: Das Industrial Metaverse verbindet die Realität und die Virtualität – und das gibt es bislang nicht. Was jemand an seinem Tablet oder Computer einstellt, passiert im gleichen Moment in der physischen Fabrik. Die Vernetzung von Informationen und Services erfolgt in einer bisher nicht für möglich gehaltenen Dimension. Das schafft Transparenz und führt zum Abbau von Silos. Im Industrial Metaverse werden menschliches und maschinelles Können sowie mehrere Technologien konvergent zusammen genutzt– Stichwort Hyperkonvergenz. All diese Faktoren zeigen, dass das Industrial Metaverse das disruptive Potenzial hat, die Industrie nachhaltig und langfristig zu verändern.  

Die Ausgestaltung der Fabrik der Zukunft

Das Industrial Metaverse kann 3D-Elemente beinhalten, muss es aber nicht. Was aber sicher dazugehört sind die Digital Twins, vertiefendes Wissen dazu finden Sie in dem Artikel „Digitaler Zwilling: echt oder doch nur ein Schatten?„. Sie spiegeln die realen Zustände der Fabrik in einer digitalen Version wider. Genau das macht das Industrial Metaverse so zukunftsfähig, darin liegt die Vision der Fabrik der Zukunft: Der digitale Zwilling der Fabrik kann auf Basis von historischen Daten und Annahmen über kommende, mögliche Ereignisse oder über gewünschte Änderungen dafür genutzt werden, eine oder mehrere Entwicklungen prädiktiv zu modellieren. Die Planungsdimension „Was wäre, wenn…“ oder „Was passiert, wenn…“ lässt sich so in verschiedenen Szenarien digital testen – bevor Maschinen und Fabriken gebaut oder umprogrammiert werden. Das führt zu immensen Effizienzsteigerungen, spart Kosten und schont Ressourcen. Es ist damit auch ein wichtiger Beitrag zu Nachhaltigkeit und Dekarbonisierung. Ein weiterer Vorteil für die Fabrik der Zukunft im Industrial Metaverse: Menschen können von unterschiedlichen Standorten aus kollaborativ miteinander am Digital Twin arbeiten. Reisen entfallen, die Agilität steigt – und auch hier wieder: Die Kosten sinken und es ist ein Beitrag zur Nachhaltigkeit.

Von den Vorteilen des Industrial Metaverse profitieren kleine genauso wie große Unternehmen. Dies am besten dann, wenn an mehreren Standorten gearbeitet wird, Innovationen entwickelt werden, die Automatisierung vorangetrieben soll, Kriterien zu Klimaschutz und Nachhaltigkeit erfüllt werden müssen, mehrstufige Prozesse in der Fertigung herrschen. Überall dort, wo das Zusammenspiel von Menschen, Maschinen und Technologien eine große Bedeutung hat, ist der Nährboden für das Industrial Metaverse geeignet, um sich zu entfalten.

Autor
Dr. Steven Vettermann, Ascon Systems; Susanne Weller

The post Die Fabrik der Zukunft im Industrial Metaverse: Utopie oder Chance? appeared first on Ascon Systems.