Cyber Physical Production Systems in der Praxis

Die Planung von Kundenaufträgen basierend auf einer klassischen Fließbandfertigung stößt mit der Losgröße Eins und der zunehmenden Produktkomplexität und -Variabilität immer mehr an ihre Grenzen. Produktionsinseln, wie sie unter anderem das Konzept Lean Production propagiert, schaffen zum Teil Abhilfe, nämlich in Hinblick auf die geforderte höhere Flexibilität. Modulare Fertigungskonzepte auf Basis von Cyber Physical Production Systems (CPPS) sind zusätzlich allerdings auch wandlungsfähig, das heißt, in einem gewissen Rahmen flexibel und leicht rekonfigurierbar, wenn breitere Produktänderungen bewältigt werden müssen.

Flexibilität und Wandlungsfähigkeit

Für das bessere Verständnis, was die modularen Produktionssysteme ausmacht, zunächst mal eine Begriffsbestimmung: Flexibilität geht in Richtung Quantität, also das Reagieren auf Nachfrageveränderungen im Markt. Hier setzt auch die Inselfertigung aus dem Lean-Bereich ein. Eine höhere Produktionsmenge lässt sich erstmal über die Anzahl an Schichten regulieren. Weitere Ansatzpunkte sind die flexible Besetzung der einzelnen Produktionsinseln mit Mitarbeitern.

Wandlungsfähigkeit hingegen geht in Richtung Variabilität der Produktion, in unserem Sinne in Richtung der Produktvariation. Die Automobilhersteller beschäftigen sich in der heutigen Zeit notgedrungen mit dem Thema. Es gilt, die einzelnen Produktionsstandorte unabhängig von der Nachfrage nach einzelnen Modellen möglichst hoch auszulasten.

BMW beispielsweise kann in jedem seiner Werke jedes Modell fertigen - zumindest prinzipiell. Das BMW-Produktionssystem wurde in diese Richtung entsprechend optimiert. Mit dem Aufkommen der e-Mobilität stoßen aber diese Ansätze an ihre wirtschaftlichen Grenzen. Immer mehr Modellvarianten in Kombination mit konventionellem Antrieb, Hybrid- und e-Antrieb treiben den Produktionsverantwortlichen die Sorgenfalten auf die Stirn. Der Grund liegt unter anderem in den sehr unterschiedlichen Fertigungsschritten je Antriebsart.

Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Punkt ist die Fähigkeit von Produktionsanlagen, auf neue Produkte zu reagieren. Stichwort: Time to Market. Auf Grund der immer kürzeren Produktlebenszeiten spielt diese Eigenschaft eine immer wichtigere Rolle für Unternehmen. Hier kommt nun die modulare Produktion - also das Aufbrechen starrer Linienstrukturen zugunsten modularer Arbeitsstationen - ins Spiel. Prozessketten inklusive logistischer Materialflüsse folgen in Echtzeit dem aktuellen Betriebszustand des Produktionssystems. Die Steuerung erfolgt mittels CPPS (also Cyber Physical Production Systems), auch als Cyber Manufacturing Systems (kurz CMS) bezeichnet.

Modulare Produktion ist längst keine Utopie mehr

Allerdings ist aktuell die Definition von CPPS/CMS noch etwas unscharf. Sie basieren im Wesentlichen auf CPS (also Cyber Physical Systems), deren Steuerung mittels dezentraler/zentraler Ansätze (vielfach aus der Cloud) erfolgt. Die modulare Produktion galt jahrelang als Utopie, respektive als Spielwiese für Universitäten und Forschungseinrichtungen. Dies hat sich mittlerweile geändert. Alle führenden deutschen Automobilhersteller und deren Zulieferer arbeiten intensiv an derartigen Konzepten.

Laut Audi lassen sich hiermit Produktivitätsgewinne von rund 20 Prozent realisieren. Wer nun als erster einen derartigen Ansatz erfolgreich umsetzt, verfügt nicht nur über einen wirtschaftlichen Vorsprung, sondern auch einen technologischen. Somit sind die Anstrengungen der Unternehmen verständlich.

Derartige Ansätze, wie auch andere Anstrengungen rund um die Smart Factory, finden seit geraumer Zeit Einzug in die jeweiligen Produktionssysteme und haben somit die Ebene der Pressemitteilungen schon lange verlassen. Dies gilt auch für die modulare Fertigung. Erste praktische Erfahrungen im produktiven Alltag sind bereits vorhanden.

Bestandteile eines modularen Produktionssystems

Die logischen Bestandteile eines Produktionssystems für die modulare Fertigung sind in Abbildung 1 dargestellt. Hierbei konzentrieren wir uns ausschließlich auf hierfür spezifische Elemente. Derartige Ansätze sind im Wesentlichen zweigeteilt: reale und digitale Welt. In der realen Welt sind CPS das zentrale Element. Sie zeichnen sich durch Logik/Intelligenz, Vernetzung und entsprechende Sensoren/Aktoren inklusive Hardware aus (siehe Abbildung 2).

Die Anordnung und das funktionale Design der einzelnen Arbeitsstationen entscheiden maßgeblich über die Produktivität des Ansatzes. Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF, also ebenfalls CPS) bilden das "Rückgrat" der zukünftigen Produktion, in Form von Teile- und Materialbewegungen einschließlich des zu produzierenden Produktes durch die gesamte Fertigung. Deren Steuerung erfolgt über FTS (Fahrerlose Transportsysteme) aus der digitalen Welt.

Das Vorhandensein eines MES (Manufacturing Execution System) in Abbildung 1 mag hier vielleicht etwas überraschen. Der Funktionsumfang eines MES unterscheidet sich zu aktuell bestehenden Systemen, wie sie etwa in der VDI 5600 festgelegt sind. Es übernimmt auch weiterhin die operative Überwachung der Produktion. Die komplexen planerischen Aufgaben werden durch das FTS übernommen. Es steuert die einzelnen FTF durch die Produktion.

Wichtig ist hierbei, ob die Steuerung zentral oder dezentral erfolgt. Die Antwort auf diese Frage orientiert sich anhand der Anzahl an Arbeitsstationen einschließlich deren Komplexität (und damit auch der des zu produzierenden Produktes) und der notwendigen Transportwege. Steuert also in letzter Konsequenz das Teil den Prozess oder der Prozess das Teil (wie in bisherigen klassischen linienorientierten Ansätzen)?

Planung im Minutenbereich

Ferner ist der Planungshorizont sehr wichtig. Zeiträume im Minuten- oder Stundenbereich sind hier zu verwenden, im Gegensatz zu aktuelle Planungszeiträumen im Tagesbereich. Ein derartiges Planungs-Tool, in der Welt der starren Linienfertigung würde man es Advanced Planning und Scheduling (APS) nennen, übernimmt die operative Steuerung der FTF. Es muss auch vorausschauend mögliche Stausituationen der Fahrzeuge, die anstehenden und bereits in der Fertigung befindlichen Aufträge und deren Fertigungsstatus und -fortschritt erkennen. Darüber hinaus gehört es zu seiner Aufgabe, den Fluss der einzelnen Produkte durch die Fertigung zu optimieren.

In letzter Konsequenz handelt es sich hierbei um ein mathematisches Optimierungsproblem, das es zu lösen gilt. Viele Aufgaben sind somit analog zu bestehenden Planungs-Tools. FTF und damit die hohe zeitliche Dynamik führen allerdings zu einer erheblichen Komplexitätssteigerung. Der verkürzte Planungshorizont im Minuten- respektive Stundenbereich trägt diesem Sachverhalt Rechnung.

In Summe gilt es, den digitalen Zwilling der jeweiligen Produkte (also etwa der zu produzierenden Autos) mit seinem realen Gegenüber zu synchronisieren. Das klingt in der Theorie einfach. In der Praxis hingegen kann das durchaus zu einer erheblichen Herausforderung werden. Siehe hierzu auch den Artikel "Wie Unternehmen von einem digitalen Zwilling profitieren". Die Steuerung der einzelnen Zwillinge erfolgt über die angesprochenen Mechanismen und Tools.

Zur Optimierung der gesamten Produktion und von Teilaspekten finden Big-Data-Systeme in Kombination mit Advanced Analytics (AA), respektive Machine-Learning (Predictive Maintenance und Quality, Smart Quality) Anwendung.

Radikales Umdenken erforderlich

Es dürfte nicht überraschen, dass der Umstieg zu einer modularen Fertigung komplex ist und entsprechende Vorarbeiten erfordert. Bei einer derartigen Transformation treten naturgemäß Probleme auf. Bekannte Problemlösungsmuster führen leider vielfach in die Irre. Sie sind unter anderem auslastungsorientiert und umfassen die Problematik einer modularen Fertigung nicht einmal ansatzweise. Ein radikales Umdenken ist hingegen erforderlich, was am Ende des Tages oftmals Zeit und Geld kostet.

Ein Grund hierfür ist, dass vielfach die Planungsabteilungen technologisch für derartige innovative und radikale Ansätze unzureichend vorbereitet sind. Die Produktions- und Arbeitsplanung erfolgte in der Vergangenheit sehr hardwarezentriert und auf Basis von Lean-Konzepten. IT-Themen haben eine eher untergeordnete Rolle gespielt. Dementsprechend entstehen Fehleinschätzungen, etwa in Form von zu kurzen Projektlaufzeiten, zu geringen Budgets und einer fehlenden Mitarbeiterqualifizierung.

Bei der Planung eines derartigen Vorhabens gilt es, wie schon in der linienorientierten Fertigung, zuerst den Materialfluss und das Layout der zukünftigen Fertigung festzulegen. Klassische Lean-Ansätze sind als Ausgangspunkt das Mittel der Wahl. Sie gilt es aber auch an die neuen Gegebenheiten anzupassen und digital zu erweitern. Hierzu gilt es unter anderem die Aufteilung der Produktion in einzelne (flexiblen) Arbeitsstationen vorzunehmen.

Das Mehrfach-Nutzen einzelner Stationen führt zwar zu einer Platzreduzierung und einer gesteigerten Flexibilität, auf der anderen Seite sind Stausituationen im operativen Betrieb kaum vermeidbar und sie führen auch zu einer Erhöhung der Gesamtkomplexität des Systems. Dies beinhaltet die deutlich komplexere Maschinensteuerung. Es gilt ja etwa festzustellen, ob das Produkt nun das erste oder zweite Mal durch die Anlage gefahren ist.

Anschließend gilt es das An- und Abdockverhalten zu analysieren. In der Fahrzeugendmontage treten derartige Fragestellungen nicht auf, im Komponentenbau sind sie leider von zentraler Bedeutung. Sind die An-/Abdockzeiten in einer ähnlichen Größenordnung wie die Transportzeiten von einer Arbeitsstation zur nächsten, so leidet die Durchlaufzeit erheblich und die Produktivität wird gegebenenfalls hinter jenen einer klassischen starren Linienfertigung zurückbleiben. Somit ist die Endmontage in der Automobilproduktion sicherlich ein deutlich besseres Anwendungsszenario im Vergleich zur Komponentenfertigung.

Nichtsdestotrotz können sich auch hier entsprechende Potenziale ergeben - vor allem in Bezug auf die Wandlungsfähigkeit, was praktische Beispiele auch zeigen. Die Konstruktion der Arbeitsstationen ist hierbei nicht zu unterschätzen. Sie bergen das Potenzial für Kostenexplosionen in Form von konstruktiven Anpassungen. Anforderungen im Millimeterbereich gilt es tunlichst zu vermeiden.

Die Aufteilung der Funktionalitäten zwischen FTS (in Kombination mit dem FTF), MES, smarten Maschinen und Anlagen und zu guter Letzt auch dem zu produzierenden Produkt ist die nächste große Aufgabe. Hier kann auf bekannte Ansätze aus dem Bereich des Enterprise Architecture Management (EAM) in Form der jeweiligen Funktionalitäten zurückgegriffen werden. Wie so oft gilt es, pragmatisch vorzugehen.

All diese Überlegungen kulminieren sich im Simulations-Tool. Hier erfolgt nicht nur die Simulation der einzelnen Fertigungsschritte, sondern auch des Planungs- und Steuerungsalgorithmus. Über diesen kann auch eine automatische Modellgenerierung mit entsprechenden Simulationsläufen erfolgen, etwa auf Basis von Arbeitsplänen, Maschinenbeschreibungen und dem Produktionsprogramm. Das Simulations-Tool ist auch das zentrale Werkzeug für weitere Optimierungsschritte. Der Aufbau geht somit weit über die bisher aus der starren Linienverkettung bekannten Aufwände und Ansätze hinaus.

Zeitnah gilt es auch eine Testumgebung für Hard- und Software aufzubauen. Eine Testumgebung ausschließlich für die Softwarekomponenten ist zwar besser als nichts, aber leider nicht ausreichend. Speziell die Interaktion von Hard- mit Software (vor allem mit den FTF) bereitet erfahrungsgemäß die größten Schwierigkeiten.

Erkenntnisse aus der praktischen Projektarbeit

In einem ersten Schritt sollte aber nicht gleich in die "Vollen" gegangen werden. Trotz der Versprechungen diverser Hersteller ist der Einsatz von FTF in der Logistik aktuell noch immer eine Herausforderung. So ist etwa das Ausweichen von Hindernissen und der effiziente Einsatz (etwa das Navigieren auf engen Raum) nicht selbstverständlich. Auch die Verfügbarkeit derartiger Systeme genügt nicht immer den Anforderungen, um nur einige Themen zu adressieren. Spätestens im Outdoor-Bereich mit seinen spezifischen Herausforderungen trennt sich die "Spreu vom Weizen".

Zum effizienten Einsatz gehört übrigens auch die Verwendung von RFID als Kennzeichnungs-, aber auch als Speicher- und Steuerungsansatz. Hierauf lassen sich der Zustand des Produktes (IO oder NIO) und weitere wichtige Produktionsdaten speichern (Stichwort digitaler Zwilling). Für Shopfloor-Mitarbeiter wird hierüber die Identifizierung und gegebenenfalls die Fehlerbehebung deutlich erleichtert.

Das Change-Management nicht vergessen

In der Praxis fällt die schon fast fahrlässige Missachtung des Change-Management auf. Natürlich fallen etwa durch automatisierte Routenzüge Arbeitsplätze weg. Die Ankündigung allein, dass keine betriebsbedingten Kündigungen ausgesprochen werden, reicht nicht aus. Vielmehr sind konkrete Aussagen bezüglich der zukünftigen Tätigkeiten angesagt - und diese Aufgaben sollten zum Qualifizierungsprofil der Mitarbeiter passen, was leider auch nicht immer gegeben ist.

So darf es nicht verwundern, dass sich die Mitarbeit der betroffenen Kollegen in derartigen Projekten teilweise deutlich in Grenzen hält. Auch müssen die Mitarbeiter auf ihre zukünftigen Arbeiten sorgfältig vorbreitet werden, da sich Steuerung und Überwachung erheblich von linienorientierten Systemen unterscheiden.

Das manuelle Eingreifen der Mitarbeiter ist zwar vor allem in der Anfangsphase oftmals durchaus sinnvoll, führt aber auf der anderen Seite zu entsprechenden Problemen. Derartige Systeme zeigen eben ein grundlegend anderes Verhalten. Vermeintliche Stausituationen lösen sich im "Automatikbetrieb" nach kurzer Zeit scheinbar in Luft auf. Greifen hier Mitarbeiter zu frühzeitig ein, kann das zu einer "Verschlimmbesserung" der Situation führen.

Aufwand und Kosten nicht unterschätzen

Aus den Ausführungen wird sicherlich klar, dass Aufwands- und Kostenschätzungen vielfach zu optimistisch ausfallen. Die aktuell vorhandenen Technologien sind oftmals leider noch nicht für derartige produktive Einsätze in einer "harten" Produktionsumgebung ausgelegt. Um die Herausforderungen in Grenzen zu halten, sollte daher auf Anbieter aus dem industriellen Umfeld zurückgegriffen werden.

Startups bieten zwar vielfach interessante "neue" Ansätze, verfügen aber andererseits kaum über entsprechende Produktions- und Projekterfahrung und führen in letzter Konsequenz zu entsprechenden Verzögerungen respektive Kostensteigerungen. Der Kauf beziehungsweise die Beteiligung an derartigen Unternehmen ist hingegen durchaus empfehlenswert, da in diesen Systemen sehr viel Wissen über die eigene Fertigung implizit hinterlegt wird, beziehungsweise ein entsprechender Know-How Transfer stattfindet.

Die klare funktionale Trennung der einzelnen beteiligten Systeme ist hier nicht zu unterschätzen. Neben dem ERP-System sind das MES, das Warehouse-System und das FTS (in Verbindung mit dem Planungs- und Steuerungssystem) beteiligt. Der Kommunikationsaufwand ist hier zu minimieren und eine klare Systemarchitektur ist zu erstellen. Werden diese Überlegungen nicht ausreichend berücksichtigt, so führt dies zu langen Kommunikationszeiten (also keine Echtzeitkommunikation) und zu einer Erhöhung der Gesamtkomplexität. Als Konsequenz kommt es zu einer inflationären Verwendung von Plausibilitätsprüfungen respektive zu einem fehlerhaften Kommunikations- und damit Gesamtverhalten.

Fazit

Trotz der mannigfaltigen Herausforderungen existieren erste praktische und operativ eingesetzte Beispiele für diese neuartigen Produktionsansätze bereits. In den nächsten Jahren werden sie die Fertigung und Produktion gravierend verändert. Somit gilt es die eigenen Anstrengungen entsprechend zu intensivieren.

Was die vielfach nur unzureichende Echtzeitfähigkeit in der Kommunikation anbelangt, gibt es einen Silberstreif am Horizont. Stellen die hohen Latenzzeiten bim operativen Arbeiten derzeit noch ein gravierendes Problem dar, verspricht der Einsatz von 5G hier durchaus Abhilfe.