Mit der zunehmenden Komplexität von Produkten und Fertigungsprozessen steigt auch die Gefahr menschlicher Fehler bei der Materialverarbeitung und Datenerfassung. Die Integration und Automatisierung der Anlagen, die bei der Ausführung von Fertigungsprozessen verwendet werden, bietet eine Lösung, um solche Fehler zu vermeiden. In der Folge ermöglicht die Integration und Automatisierung von Anlagen eine genaue und rechtzeitige Datenerfassung, Prozesskontrolle und Optimierung.

Vorteile

Vorteile lassen sich für Anlagenbetreiber, Produktionsleiter, Produktionsingenieure und das gesamte Unternehmen ableiten.

Vorteile

Uhrensymbol

Genaue und zeitnahe Datensammlung für datengestützte Entscheidungsfindung.

Bildschirm-Infografik-Symbol

Eine größere Menge an gesammelten Daten und Ereignissen bietet eine solide Grundlage für ausgefeilte Analysen, um Prozessoptimierungen zu ermöglichen.

Mülleimer-Symbol

Reduzierung des Ausschusses und Erhöhung des Ertrages durch automatische Steuerung und Anpassung des Prozesses an der Anlage.

Maschinensymbol

Verbesserte Geräteauslastung durch Beseitigung von Verzögerungen, die durch nicht verfügbare Bediener verursacht werden.

Person-Worker-Symbol

Einsicht in den Zustand der Produktion, so dass die Mitarbeiter schnell erkennen können, wo und warum es in der Produktionslandschaft Probleme gibt.

Grundlegende Konzepte

Hersteller nutzen eine breite Palette von Möglichkeiten zur Prozessautomatisierung und kombinieren in der Regel zumindest ein gewisses Maß an Automatisierung zusammen mit anderen manuellen Tätigkeiten. Der Grad der Automatisierung von Fertigungsprozessen kann von einfacher bis zu hoher Automatisierung reichen. Das Erreichen eines höheren Automatisierungsniveaus in der Fertigung hängt weitgehend von folgenden Faktoren ab:

  • Aktuellen Kommunikationsfähigkeiten der vorhandenen Komponenten
  • Aufwand für die Entwicklung von Fähigkeiten, die derzeit noch nicht vorhanden sind
  • Budget für solche Maßnahmen

Basis Equipment Integration

Die einfache Anlagenintegration beschreibt einen Automatisierungsgrad, bei dem die durch integrierte Anlagen erfassten Daten in eine Richtung gehen. Die Daten werden einfach von einem anderen System, das die Ausführung von Produktionsprozessen erleichtert, etwa einem Manufacturing Execution System (MES), von der Anlage abgerufen. Dies ermöglicht automatisierte Datenerfassung und Zykluszählungen, liefert dem MES oder einem ähnlichen System Informationen über den Zustand der Anlagen und sorgt für eine bessere Rückverfolgbarkeit.

Papierlose Fertigung

Die papierlose Fertigung bezieht sich auf einen Zustand der Digitalisierung, bei dem jegliches Papier in der Produktion erfolgreich eliminiert wurde. In einer papierlosen Fertigungsumgebung ist alles digitalisiert. Es gibt keine Papierlaufzettel, keine schriftlichen oder mündlichen Abschriften, keine Arbeitsanweisungen auf Papier, keine Notizen usw.

Die papierlose Fertigung ist zwar keine Voraussetzung für die Automatisierung von Anlagen, aber die Automatisierung von Anlagen weist ähnliche Merkmale auf wie die papierlose Fertigung, z.B.:
  • Alle Prozesse, Arbeitspläne, Vorgänge und Anlagen müssen im Manufacturing Execution System (MES) modelliert werden.
  • Alles Material muss im MES erstellt und nachverfolgt werden.
  • Geschäftslogik für die Entscheidungsfindung in Bezug auf Verluste, Nacharbeit, Stichproben, Versand, Kompetenzmodelle usw. muss im MES gespeichert und ausführbar sein.

Diese Merkmale sind die Grundlage sowohl für die papierlose Fertigung als auch für die Automatisierung der Anlagen. Dennoch ist es möglich, Anlagen zu automatisieren und trotzdem Papier in der Produktion zu haben, um das Qualitätsmanagement oder andere administrative Aufgaben zu erfüllen.

Automatisierung von Anlagen

Die Automatisierung von Anlagen ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anwendung oder ein System innerhalb der Produktionsumgebung die Aktionen der Produktionsanlagen steuern kann.

Typische Funktionen, die mit der Anlagenautomatisierung einhergehen, sind:

Automatisierte Produktionsprozesse

Ein Produktionsprozess gilt als automatisiert, wenn außer bei der Fehler- und Störungsbeseitigung keine menschliche Interaktion mit dem Produktionsprozess stattfindet. Die Automatisierung von Anlagen erleichtert automatisierte Produktionsprozesse.

Hochgradig automatisierte Produktionsumgebungen

Eine Fertigungsumgebung gilt als hochautomatisiert, wenn die meisten Produktionsprozesse automatisiert sind und die Arbeitsabläufe systemgesteuert sind, wobei die Überwachung durch das Betriebspersonal erfolgt. Üblicherweise sind innerhalb der hochautomatisierten Produktionsumgebung verschiedene Automatisierungsstufen vorhanden. In diesem Stadium verfolgen die Hersteller auch weiterhin umfassende Automatisierungsmaßnahmen.

Hochautomatisierte Produktionsumgebungen profitieren typischerweise von der Nutzung oder Optimierung der folgenden Fähigkeiten:

Grundausstattung
Integration

Ausrüstung
Automatisierung

Automatisierte
Produktionsabläufe

Hohe Automatisierung

Betrachtungen

Bevor die Integration von Anlagen und Automatisierungsmaßnahmen in Angriff genommen werden, ist es wichtig, die folgenden Punkte klar zu definieren:

  • das Hauptziel der Maßnahme, zum Beispiel Fehlervermeidung statt Durchsatzoptimierung
  • bestehende Prozesse, die automatisiert oder verändert werden sollen
  • Standardisierung von Prozessen
  • Verfügbarkeit verschiedener Interessengruppen: insbesondere Produktion, Industrial Engineering, der Anlagentechnik usw., um an der Lösung mitzuwirken und sie zu steuern
  • Verfügbares Budget für Automatisierungsmaßnahmen

Richtig konzipiert, kann die Integration und Automatisierung von Anlagen ein iterativer Prozess sein, bei dem zunächst mit den wichtigsten Dingen begonnen wird, während gleichzeitig die Grundlage für weitere, fortschrittlichere Funktionen gelegt wird, die später implementiert werden können.

Ziele

Die Integration von Fertigungsanlagen mit anderen IT-Systemen und die Befähigung dieser Systeme, Fertigungsanlagen zu steuern, hat folgende Ziele:

Außerdem bietet die Automatisierung einen standardisierten Arbeitsablauf für das gesamte in einer Fabrik verarbeitete Material, der für bestimmte Anlagen, Materialien und Verarbeitungsszenarien angepasst werden kann.

Fehler & Fehlverarbeitungen vermeiden

Die Automatisierung ist entscheidend für die Vermeidung von Fehlern und Fehlverarbeitungen. Im Folgenden sind nur einige häufige, fehleranfällige Szenarien aufgeführt, bei denen sich die Automatisierung als der effektivste Ansatz erwiesen hat.

Rezeptauswahl

Einige Produktionsanlagen erfordern die Festlegung von Einstellungen und Parametern, um sicherzustellen, dass die Anlage so funktioniert, dass sie das Material in einem bestimmten Schritt des Produktionsflusses korrekt verarbeitet. Verschiedene Produkte und verschiedene Schritte im Produktionsfluss können Änderungen der Einstellungen und Parameter der Anlage erfordern. Diese Einstellungen und Parameter werden im Allgemeinen als "Rezept" bezeichnet, wobei eine bestimmte Anlage viele verschiedene Rezepte unterstützen kann. Auf diese Weise kann eine einzige Anlage flexibel eine Vielzahl von Produkten verarbeiten.

Diese Flexibilität birgt das Risiko, dass das zu verarbeitende Material unbrauchbar wird, wenn das falsche Rezept gewählt wird. Um dieses Risiko zu verringern, kann Automatisierungssoftware verwendet werden, die das richtige Rezept auswählt und der Anlage mitteilt, welche Rezepteinstellungen und -parameter verwendet werden sollen. Eine genaue Rezeptauswahl vermeidet die Ursache für Fehlverarbeitungen in vielen Produktionsbereichen.

Kompatibilität von Anlagen und Losen

Bei jedem Schritt im Prozessablauf muss das Material auf einer bestimmten Anlage verarbeitet werden. Die Automatisierung kann sicherstellen, dass es sich um die richtigen Anlagen handelt. Dies geschieht durch Abgleich mit dem Rückverfolgungssystem (häufig ein MES), indem geprüft wird ob die Maschine für ein Los eines bestimmten Produkttyps in einem bestimmten Schritt des Prozessablaufs geeignet ist.

In einer Fertigungslinie mit mehreren Instanzen desselben Anlagentyps kann es noch andere Unterschiede zwischen den einzelnen Anlagen geben, die sich darauf auswirken können, ob das Los dort verarbeitet werden sollte. In diesem Fall kommuniziert die Automatisierung mit den Anlagen, um zu überprüfen, ob die Anlagen derzeit die Prozessfähigkeiten bieten, die das Los im aktuellen Schritt seines Prozessablaufs benötigt. Durch die Automatisierung dieser Überprüfungsprozesse wird sichergestellt, dass die Produktion effizient und korrekt abläuft.

Voraussetzungen und Status von Los und Anlage

Nicht nur, dass Lose und Anlage kompatibel sein müssen, beide müssen sich auch im richtigen Zustand befinden, bevor die Verarbeitung fortgesetzt werden kann. Es kann viele Voraussetzungen geben, die für das Los zutreffen müssen, und viele andere Bedingungen, die für die Anlage zutreffen müssen, bevor ein Los auf einer Anlage verarbeitet werden kann. Diese Bedingungen variieren je nach den Geschäftsregeln des Herstellers. Zu den typischen Beispielen, die durch die Automatisierung geprüft werden können, gehört die Kontrolle, ob das Los nicht zur Überprüfung zurückgestellt wurde oder ob die Anlage nicht wegen vorbeugender Wartung außer Betrieb ist. Wenn man sich darauf verlässt, dass die Automatisierung Informationen aus mehreren Systemen sammelt, um mehrere Bedingungen zu überprüfen, wird die Möglichkeit von Fehlern bei der Verarbeitung erheblich reduziert.

Fertigungsanalysen mit automatisierter Datenerfassung

Papierlaufzettel wurden weitestgehend durch Manufacturing Execution Systeme (MES) für die Prozesskontrolle und die Erfassung von Produkt- und Verarbeitungsdaten wie Produkt, Losnummer, Qualitätsdaten und Zeitstempel für Track-in und Track-out-Vorgänge ersetzt. Während ein MES die Aktualität und Genauigkeit der erfassten Daten enorm verbessert, wird durch die Integration und Automatisierung der Anlagen die automatisierte Erfassung und der Austausch von Informationen zwischen den IT-Systemen der Fertigung weiter optimiert. Die vielen Datenpunkte, die mit der Automatisierung effizient und genau erfasst werden können, bilden die Grundlage für die Fertigungsanalyse, die zu einer Advanced Manufacturing Intelligence führt.

Verbesserung der Produktqualität

Die Integration von Fertigungsanlagen mit anderen IT-Systemen in der Fertigung, wie z. B. Systemen zur statistischen Prozesskontrolle (SPC), die die Erfassung und Verarbeitung der für die Kontrolle der Produktqualität erforderlichen Messdaten übernehmen, ermöglicht den Zugriff auf und die Einsicht in Qualitätsdaten. Diese können vom Automatisierungssystem zur Optimierung der Produktionsprozesse verwendet werden, um die Produktqualität zu verbessern.

Fortgeschrittene Prozesskontrollsysteme (Advanced Process Control = APC) nutzen Sensoren und andere Geräte, um den Zustand der Produktionsanlagen zu überwachen und Überprüfungen vorzunehmen, z.B. um die Temperaturen in einer Ofenkammer zu überprüfen. APC-Systeme ermöglichen eine Prozessoptimierung und liefern Informationen, die für die Bestimmung der notwendigen Wartung der Anlagen erforderlich sind. Die Integration und Automatisierung von Anlagen mit APC-Systemen gewährleistet eine automatische Steuerung der Anlagen in Echtzeit, um Prozessanpassungen auf der Grundlage der Ergebnisse des Produkts in einem bestimmten Stadium vorzunehmen und so die Produktqualität zu garantieren und zu verbessern.

Funktionen

Anlagenintegration und Automatisierung umfasst die Verbindung verschiedener Fertigungssysteme zum Zweck der Orchestrierung und Automatisierung von Prozessszenarien.

Verbindung von Systemen

Ein wesentlicher Vorteil der Automatisierung liegt in der Möglichkeit, Fertigungsanlagen mit anderen IT-Systemen innerhalb der Fertigungsumgebung zu verbinden. Die Automatisierung dient dann als Abstraktionsebene zwischen der jeweiligen Anlagenschnittstelle und dem Rest der Fabrikdatensysteme. Das Ergebnis ist eine enorm vereinfachte Interaktion für den Endbenutzer, da er nicht mehr direkt mit jedem einzelnen System interagieren muss. Er interagiert einfach mit der Automatisierungsschnittstelle, die dann die Interaktion mit allen darunter liegenden Systemen übernimmt.

Industrie 4.0 Equipment Integration & Automation

Die Typen von Produktionsanlagen unterscheiden sich stark in der Art und Weise, wie sie Verbindungsschnittstellen zur Automatisierung bereitstellen und reichen von Industriestandardformaten bis hin zu gar keiner Schnittstelle. Unabhängig von der Art der Verbindungsschnittstelle, die von der Fertigungsanlage angeboten wird, kann die Automatisierung als Brücke zwischen der Anlage und anderen IT-Systemen der Fertigung fungieren. Die Arten von Schnittstellen, die von der Fertigung angeboten werden, sind zahlreich:

  • SECS-GEM
  • OPC UA
  • MQTT
  • Modbus
  • MTConnect
  • Webdienste
  • Dateisysteme
  • proprietäre Protokolle
  • IIoT-Gateways
  • und andere

Orchestrierung von Szenarien

Während das Material eine Fertigungslinie druchläuft, gibt es in der Regel einige gemeinsame Aktivitäten, die unabhängig vom jeweiligen Produkt oder Verarbeitungsschritt des Materials ablaufen. Diese Aktivitäten sind durch die Geschäftsregeln des Unternehmens vorgeschrieben und dienen Zwecken wie der konsistenten Nachverfolgung, der Validierung der Material-ID, der Bestätigung der Betriebsbereitschaft der Anlagen usw. Diese Aktivitäten können in gemeinsamen Szenarien organisiert werden, die von der Automatisierungssoftware bei jedem Verarbeitungsschritt abgearbeitet werden. Durch die Identifizierung und Standardisierung gemeinsamer Szenarien kann die Automatisierung dem Bediener in der Fertigung bei jedem Schritt des Materialflusses eine gemeinsame und vertraute Verarbeitungssequenz präsentieren, die dann zur Automatisierung vieler verschiedener Prozessszenarien eingesetzt werden kann. Ein vereinfachtes Standardszenario könnte wie folgt aussehen:

  1. Zu verarbeitendes Material holen
  2. Das Material an der Anlage identifizieren
  3. Überprüfen, ob sich das Material in der richtigen Fertigungsstufe und Anlage befindet
  4. Prüfen, ob die Anlage bereit ist, das Material zu verarbeiten
  5. Rezept für Material auswählen/herunterladen
  6. Material verfolgen (im MES)
  7. Das Material verarbeiten
  8. Daten zur Verwendung durch MES und andere Systeme sammeln
  9. Material auslesen (in MES) und zum nächsten Schritt transportieren

Wenn ein bestimmter Prozessschritt oder ein bestimmtes Produkt zusätzliche oder außergewöhnliche Aktivitäten erfordert, kann das Standard-Automatisierungsszenario leicht geändert oder erweitert werden, um sie zu berücksichtigen. Die Vorteile des Einsatzes von Automatisierung zur Orchestrierung gängiger Verarbeitungsszenarien sind:

  • Anlagenbediener können leichter auf das allgemeine Szenario geschult werden und leicht einige Ausnahmen erlernen, anstatt für jedes einzelne Produkt und jeden Prozess unterschiedliche Szenarien lernen zu müssen.
  • Die konsequente Anwendung von Geschäftsregeln gewährleistet eine ordnungsgemäße Produktverfolgung und -überprüfung sowie eine Validierung der Betriebsbereitschaft der Anlagen, wodurch die Gefahr von nicht nachverfolgbarem oder falsch verarbeitetem Material verringert wird.

SYSTEMA als Partner

SYSTEMA kennt die Risiken und Herausforderungen, die mit der Implementierung von Automatisierungslösungen in der Produktion einhergehen. Seit mehr als 25 Jahren bieten wir Training, Beratung und erfolgreiche Implementierung von Smart Manufacturing Lösungen an. Auch heute noch implementieren wir Lösungen und passen Funktionen an die Bedürfnisse der Endanwender an. Gleichzeitig bieten wir den nötigen Support, Schulungen und Dienstleistungen an, damit die Anwender die Möglichkeiten ihrer Systeme eigenständig nutzen können.