Fraunhofer IWU - SmARPro

SmARt Assistance for Humans in Production Systems: Plattform zur Mensch-, Maschinen- und Prozessintegration für die dezentrale Fertigungssteuerung

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    • 250 - 5000 Mitarbeiter
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    • Sachsen
Mit Hilfe der SmARPro-Wearables werden Informationen dem Mitarbeiter kontextbasiert und abhängig von seiner aktuellen Position – bspw. in Form einer Augmented Reality Darstellung – bereitgestellt.
Mit Hilfe der SmARPro-Wearables werden Informationen dem Mitarbeiter kontextbasiert und abhängig von seiner aktuellen Position – bspw. in Form einer Augmented Reality Darstellung – bereitgestellt. Ziel ist es, Informationen mit direktem Bezug zum betreffenden Objekt bereitzustellen.
© Fraunhofer IWU

Welche Herausforderungen galt es zu lösen und welcher konkrete Nutzen ergab sich?

Im Zuge technischer Weiterentwicklungen sind sowohl Fertigungsprozesse als auch Produktionssysteme durch eine wachsende Komplexität gekennzeichnet. Parallel bewirkt die stetig zunehmende Durchdringung der Produktionstechnik mit modernen Komponenten der Informations- und Kommunikationstechnik, dass bereits heute eine große Menge unterschiedlicher Daten mit einem direkten oder indirekten Bezug zur Produktion für die Erfassung und Verarbeitung zur Verfügung stehen. Aber wie lassen sich diese Daten verarbeiten und als Informationen so zur Verfügung stellen, dass diese in komplexen Produktionsszenarien unterstützend wirken? SmARPro entwickelt ausgewählte Befähiger, durch die Mitarbeiter in komplexen Produktionsumgebungen verstärkt in die Entscheidungsfindung einbezogen werden können, indem die richtigen Informationen als kontextbezogenes "Wissen" und als Entscheidungsbasis bereitgestellt werden – fokussiert auf Wertschöpfung in neuen Geschäftsmodellen.

Ein vom globalen Wettbewerb geprägter Markt erfordert neue beziehungsweise verbesserte Problemlösungen zur Beherrschung der zunehmenden Komplexität von Produkten und Produktionssystemen – sowohl für Anlagenhersteller als auch für Anlagenbetreiber. Die Erhöhung der Fertigungstransparenz – bspw. durch die Messung und das Monitoring geeigneter Kennzahlen – ist eine Voraussetzung für fortlaufende Verbesserungen in der Produktion. Dies bedeutet im Allgemeinen, sehr große Datenmengen aus unterschiedlichsten Quellen zuverlässig und hoch performant zu erfassen, zu analysieren und gewonnene Informationen zeitgerecht auf allen benötigten Geräten und für alle Funktionsebenen in der Produktion bereitzustellen und zu visualisieren. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Verfügbarkeit immer größerer Datenmengen große Potentiale bietet, gleichzeitig aber auch geeignete Ansätze zu deren Verarbeitung erfordert. Einerseits steigt die Vielfalt gezielter Auswertungen auf den zur Verfügung stehenden Datenbeständen, andererseits wächst die Gefahr, dass riesige "Datenfriedhöfe" entstehen, deren Inhalte nicht weiterverarbeitet werden.

Ein entscheidend erhöhter Mehrwert lässt sich erzielen, wenn bereits erfasste und abgespeicherte Daten über deren ursprünglichen Erfassungsgrund hinaus weiterverarbeitet werden. Indem bisher zumeist in Einzelsystemen verwaltete Daten miteinander in Beziehung gesetzt werden, ermöglicht der Einsatz geeigneter Auswertemethoden die Ableitung neuer Informationen. Dabei sind neue Methoden und Ansätze zu entwickeln, um die Fülle an Daten so zu verknüpfen und zu konzentrieren, dass der Mensch in der Produktion die richtigen Entscheidungen treffen kann. Das ist eine Voraussetzung, um schneller agieren und produktiver arbeiten zu können, ohne ihn auf Grund zusätzlich bereitgestellter Informationen zu überfordern.

Wie lässt sich der Industrie 4.0-Lösungsansatz beschreiben?

Die „Ressource Daten“ gewinnt stetig an Bedeutung. Um diese im Umfeld der Produktion jedoch nutzbringend anwenden zu können, sind stets neue Methoden und Lösungen für eine flexible Erfassung, Verwaltung und deren problemorientierte Auswertung erforderlich. Ziel ist es, schnell und aufwandsarm Aussagen zum aktuellen Stand der Produktion, gegebenenfalls mit einer zuverlässigen Vorausschau in die nahe Zukunft durch geeignete Prognoseansätze, bereitzustellen.

Um die bestehenden Anforderungen erfüllen zu können, sind geeignete Informations- und Kommunikationssysteme zur Aufzeichnung und Bereitstellung entsprechender Daten – insbesondere der daraus abgeleiteten Informationen – notwendig. Dementsprechend rücken flexible IT-Infrastrukturen in den Fokus der Forschung und der Umsetzung in den Unternehmen.

Neben flexiblen Lösungen zur Anbindung von Maschinen (Brown- und Greenfield) als Datenquellen (SmARPro-SmartDevices) stehen die SmARPro-Platform als zentrale Datendrehscheibe, SmARPro-Wearables als innovative Visualisierungslösungen sowie Lösungen zur Ortserkennung im Fokus der Entwicklungen. Es werden Lösungen zu folgenden Fragestellungen entwickelt:

  1. Wie können alle Maschinen Daten liefern?  SmARPro-SmartDevices – befähigt Maschinen zu CPPS
  2. Wie werden notwendige Daten verwaltet?  SmARPro-Platform – Datentechnisches Bindeglied
  3. Wie werden Informationen bereitgestellt?  SmARPro Wearables – Informationen mobil bereitstellen

Was konnte erreicht werden?

Ein entscheidend erhöhter Mehrwert bei der Nutzung produktionsrelevanter Daten lässt sich erzielen, wenn bereits erfasste und abgespeicherte Daten über deren ursprünglichen Erfassungsgrund hinaus weiterverarbeitet werden. Indem bisher zumeist in Einzelsystemen verwaltete Daten miteinander in Beziehung gesetzt werden, ermöglicht der Einsatz geeigneter Auswertemethoden die Ableitung neuer Informationen. Dabei sind neue Methoden und Ansätze zu entwickeln, um die Fülle an Daten so zu verknüpfen und zu konzentrieren, dass der Mensch in der Produktion die richtigen Entscheidungen treffen kann.

Mit welchen Maßnahmen wurde die Lösung erreicht?

Die SmARPro-Platform stellt als eine Daten- und Dienstplattform, einen integralen Baustein auf dem Weg zur Umsetzung innovativer Lösungen zur Unterstützung flexibler Produktionsstrukturen dar. Sie integriert und verknüpft domänenübergreifende Daten, beispielsweise bezüglich:

  • Struktur, Aufbau und Zusammenhänge vorhandener Maschinen/Produktionssysteme,
  • Zielvorgaben zur Steuerung des Fabrikbetriebes (PPS, ERP),
  • Kennwerten und Sensorinformationen laufender Prozesse, Bearbeitungsständen und -ergebnissen gefertigter Produkte (MES),
  • Ressourcenverbrauch von Komponenten der Produktion, Produktions- und Gebäudeinfrastruktur (Leitsysteme).

Unter explizitem Einbezug des Menschen in der Produktion erfüllt die SmAR-Pro-Plattform, neben der Integration bestehender Softwaresysteme, verschiedene Aufgaben, um typische Anwendungen im Produktionsumfeld, wie beispielsweise das Monitoring oder die Fertigungssteuerung, zu unterstützen. Ziel ist es, domänenspezifisch verwaltete Daten entsprechend vorgegebener Anforderungen zur Ableitung neuer Informationen oder angefragten Wissens miteinander zu verlinken. Diese Daten werden kontextbezogen über definierte Schnittstellen und in Abhängigkeit vorhandener Anfragerollen bereitgestellt. Um die Flexibilität in der Anwendung und den Administrationsaufwand zu minimieren, existieren weiterhin für die einzelnen Komponenten der Fabrik Mechanismen zur Selbstbeschreibung (plug and play), die eine dynamische Erweiterbarkeit erlauben.

Für die softwarebasierte Umsetzung der SmARPro-Platform werden am Fraunhofer IWU Prinzipien des Semantic Web genutzt (W3C). Ziel des Semantic Web, als eine Erweiterung des World Wide Web, ist es, die Verarbeitung von Daten durch Maschinen mithilfe geeigneter, eindeutiger Beschreibungen und Regeln zu ermöglichen beziehungsweise zu erleichtern. Eine wichtige Eigenschaft dieses Vorgehens ist die formale, und damit durch Computer verständliche Repräsentation von Informationen unter Verwendung definierter Vokabulare. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden unterschiedliche Anwendungsszenarien identifiziert, deren Unterstützungslösungen sich derzeit in Umsetzung befinden:

  • Fertigungssteuerung unter Nutzung verknüpfter Informationen aus unternehmensinternen und -externen Datenquellen,
  • Mobile kontextbasierte Assistenzsysteme zur Erhöhung der Produktqualität,
  • Lösungen zur Überwachung, Steuerung und Visualisierung von Produktionsprozessen,
  • Mobile Lösungen zur Wartungs- und Instandhaltungsunterstützung.

Was können andere davon lernen?

Industrie 4.0 steht für die Vernetzung von Daten und Produktionstechnik, für die Verbindung moderner Informations- und Kommunikationstechnologie mit Fertigungstechnologien. Das SmARPro-Gesamtsystem baut auf dieser Entwicklung auf und überträgt sie auf die Fabrikebene. Ergebnisse des Forschungsprojektes SmARPro finden in der E³-Forschungsfabrik des Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU im Rahmen des E³-Konzeptes Anwendung. Das E³-Konzept setzt die Betrachtungsebenen von Technologien und Anlagen, von Logistik- und Fabrikprozessen sowie von der Einbindung des Menschen in die Produktion in einen neuen analytisch-methodischen Kontext. Dieser veränderte Blickwinkel eröffnet durch die Anwendung, Ausnutzung und Umsetzung von Synergien neue Möglichkeiten für konkrete Lösungen zentraler produktionstechnischer Herausforderungen.

Das Vorhaben "SmARPro – SmARt Assistance for Humans in Production Systems" wird aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Rahmen der Ausschreibung »Virtuelle Techniken für die Fabrik der Zukunft - Ein Beitrag zum Zukunftsprojekt Industrie 4.0« gefördert (Förderkennzeichen 01IM14004).
Kontakt
Dr.-Ing. Tino Langer Abteilungsleiter "Digitalisierung in der Produktion" Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen
und Umformtechnik (IWU)
Reichenhainer Straße 88,  09126 Chemnitz
www.smarpro.de

Weiterführende Informationen

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