Einführung 1

Data Science:

Die Auswertung und Analyse von großen Mengen an (Produktions --) Daten und die Bewertung der Ergebnisse führt zur Erkennung von Trends und kann Aufschluss über das zukünftige Verhalten geben.

Robotics

Selbstlernende Systeme zur Prozess automatisierung und zur Unterstützung des Menschen wie z.B. beim Materialtransport werden an der Leuphana erforscht.

Cyber Physical ( Production ) Systems:

Ein System das aus bekannten Informationen und aktuellen Sensordaten eine Reaktion ableitet z.B. zur Optimierung von Produktionsplanung und steuerung. Besonders interessant sind Reihenfolgeplanung und Algorithmen zur Optimierung

Simulation:

Ereignisdiskrete Materialfluss Simulation für die Prozessauslegung sowie die Optimierung und Alternativenbewertung von Prozessen und Strukturen.

Stichwort: Digitaler Zwilling

Die Auswertung und Analyse von großen Mengen an (Produktions --) Daten und die Bewertung der Ergebnisse führt zur Erkennung von Trends und kann Aufschluss über das zukünftige Verhalten geben.

Selbstlernende Systeme zur Prozess automatisierung und zur Unterstützung des Menschen wie z.B. beim Materialtransport werden an der Leuphana erforscht.

Ereignisdiskrete Materialfluss Simulation für die Prozessauslegung sowie die Optimierung und Alternativenbewertung von Prozessen und Strukturen.

Stichwort: Digitaler Zwilling

− Internet of Things (IoT) (dezentral gesteuerter Materialfluss)

− Cyberphysical (Production) Systems (CPS, CPPS)

− Big data (predictive / self-scheduled maintenance)

− Fahrerlose Transportsysteme

− Virtual reality / augmented reality

− Neue Produkte, Dienstleistungen und Geschäftsmodelle

− Vollkommene Vernetzung und Automatisierung der Produktion

„Kerntechnologien entwickeln sich exponentiell“

—> Dies macht die Entwicklungen unberechenbar, gefährlich insb. für Großkonzerne

„Heute kann ein einzelnes Individuum Dinge kreieren,

die ganze Märkte disrupieren können“

—> große Chancen für StartUps und Gründer

So könnte die modulare Montage der Zukunft aussehen

In kleinen Fertigungsinseln produzieren die Mitarbeiter_innen in ihrem eigenen Takt

Kompetenz Inseln ersetzen in Zukunft das Fließband.

Mit der modularen Montage kann Audi die zunehmende Komplexität und Varianten vielfalt besser, flexibler und effizienter handhaben.

Fahrerlose Transportsysteme liefern die Bauteile zur jeweiligen Fertigungsinsel - Sich kreuzende Materialflüsse werden sehr einfach möglich

Mensch und Maschine arbeiten eng miteinander

Virtual Reality hilft beim Erlernen von neuen Arbeitsschritten (die real noch nicht existieren müssen)

Serienwerkzeuge aus dem 3 D Metalldrucker sind bei Audi bereits gelebte Praxis

Eine Drohne liefert das gewünschte Teil direkt an die Produktionsstätte

Automatisierungsgrad in Abhängigkeit von der Zeit

Ernst Burgbacher, Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Parlamentarischer Staatssekretär (MdB)

„Der Wirtschaftsstandort Deutschland ist von seiner starken Industrie geprägt dem Maschinen und Anlagenbau , dem Fahrzeugbau und auch der Energiewirtschaft . Die Umsetzung von Industrie 4.0 ist für die Weiterentwicklung ganz entscheidend, denn Stillstand können wir uns nicht leisten“

LEITMARKT UND LEITANBIETERSCHAFT

Die 4. Industrielle Revolution bietet erhebliche Potenziale für die Industrie in Deutschland. Der verstärkte Einsatz von CPS in deutschen Fabriken stärkt den Produktionsstandort Deutschland durch Effizienzsteigerungen der heimischen Fertigung.

Technische Weiterentwicklung von CPS bietet substanzielle Chancen für den Export von Technologien und Produkten. Zielvorgabe bei der Umsetzung des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 sollte daher sein, die Marktpotenziale für die deutsche produzierende Industrie mittels einer dualen Strategie zu heben:

• durch den Einsatz von CPS in der Produktion einerseits und

• den Verkauf von CPS Technologie und Produkten zur Stärkung der deutschen Ausrüsterindustrie andererseits.

Die Zielsetzungen von Industrie 4.0 werden nur dann optimal erreicht, wenn sowohl die Potenziale der Leitanbieterperspektive als auch jene der Leitmarktperspektive aufeinander abgestimmt und in einer Symbiose zusammengeführt werden. Die Strategie umfasst drei grundsätzliche Elemente

1. Den Aufbau von Wertschöpfungsketten und netzwerken über Firmengrenzen hinweg auf Basis einer horizontalen Integration

2. Ein digital durchgängiges Engineering über die gesamte Wertschöpfungskette des Produkts und des zugehörigen Produktionssystems

3. Den Aufbau und die Realisierung flexibler und rekonfigurierbarer Produktionssysteme innerhalb eines Unternehmens und deren vertikale Integration

Modelle, Konzepte und Realisierungen zur horizontalen Integration über Wertschöpfungsnetzwerke widmen sich der Beantwortung folgender Hauptfrage:

Wie können die Geschäftsstrategie eines Unternehmens, neue Wertschöpfungsnetze sowie neue Geschäftsmodelle nachhaltig auf Basis von CPS unterstützt und umgesetzt werden?

Relevante Themen:

• „Geschäftsmodelle“

• „firmenübergreifende Kooperationsformen“

• „Nachhaltigkeit“

• „Know how Schutz“

• „Standardisierungsstrategien“

• „mittel und langfristige Qualifikations und Personalentwicklung“

1. HORIZONTALE INTEGRATION ÜBER WERTSCHÖPFUNGSNETZWERKE

2. DURCHGÄNGIGKEIT DES ENGINEERING ÜBER DIE GESAMTE WERTSCHÖPFUNGSKETTE

   Heute: Umfangreiche Schnittstellen zwischen den Systemen

   Siemens Ansatz: Verbindung der Softwaresysteme : TeamCenter , NX, Technomatix etc.

Wie können Produktionssysteme unter Nutzung von CPS flexibel und rekonfigurierbar gestaltet werden?

Der Gestaltungsrahmen der vertikalen Integration ist die Fabrik. In der zukünftigen Smart Factory werden die Produktionsstrukturen nicht mehr von vornherein konkret und fest vorgegeben.

Informationstechnische Konfigurationsregeln werden definiert, aus denen fallspezifisch und automatisiert eine fallspezifische Struktur (Topologie3) abgeleitet wird, samt allen damit verbundenen Abhängigkeiten in Bezug auf Modelle , Daten , Kommunikation und Algorithmen

CPS sind Systeme mit eingebetteter Software,

• die über Sensoren und Aktoren verfügen,

• erfasste Daten auswerten und speichern

• mit Kommunikationseinrichtungen untereinander sowie in globalen Netzen verbunden sind,

• weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen und

• über Mensch Maschine Schnittstellen verfügen.

Ein System das aus bekannten Informationen und aktuellen Sensordaten eine Reaktion ableitet z.B. zur Optimierung von Produktionsplanung und steuerung. Besonders interessant sind Reihenfolgeplanung und Algorithmen zur Optimierung

WESENTLICHE MERKMALE VON CPS

Physische Systeme

• die mit allen anderen Systemen vernetzt sind (lokale Netze u./o. Internet)

• mit der Fähigkeit Informationen zu verarbeiten

• dessen physische Handlungen von einer Software initiiert und gesteuert werden

• die ihre Dienste über definierte Schnittstellen bereitstellen (für andere CPS, intelligenten Objekten oder Menschen)

CPS sind vernetzte softwareintensive physische Systeme, die kontextspezifisch, adaptiv, autonom, automatisiert und multifunktional arbeiten

CPS sind Systeme kollaborierender Recheneinheiten, die in intensiver Verbindung mit der sie umgebenden physischen Welt und ihren laufenden Prozessen stehen und gleichzeitig über das Internet verfügbare Datenzugangs- und Datenverarbeitungsdienste bereitstellen und nutzen

Der Begriff cyber-physische Systeme (CPS) bezieht sich auf eine neue Generation von Systemen mit integrierten rechnerischen und physischen Fähigkeiten, die über viele neue Modalitäten mit dem Menschen interagieren können.

Die Fähigkeit, mit der physischen Welt zu interagieren und deren Fähigkeiten durch Berechnung, Kommunikation und Steuerung zu erweitern, ist ein wichtiger Faktor für künftige technologische Entwicklungen. Zu den Möglichkeiten und Forschungsherausforderungen gehören der Entwurf und die Entwicklung der nächsten Generation von Flugzeugen und Raumfahrzeugen, Hybrid-Elektrofahrzeuge, vollautonomes Fahren in Städten und Prothesen, mit denen Gehirnsignale physische Objekte steuern können.

CPPS dominieren zukünftige Produktions und Logistikszenarien als

• intelligente Produkte

• intelligente Betriebsmittel

  
  

CPPS ermöglichen

• eine dezentrale, reaktionsfähige, kontextadaptive Produktions und Logistiksteuerung,

• die verstärkte Nutzung dezentral verfügbarer Sensorinformation,

• situationsbedingte, lokale Regelkreise, die Entscheidungsalternativen z.B. mit Hilfe virtueller Modelle der physikalischen Realität absichern.

Cyber pysical production systems Enhancement of productivity and flexibility by networking of intelligent systems in the factory Komplexität und Variantenvielfalt setzt aktuelles und hochdetailliertes Wissen über Zustände von Produkten, Produktionsanlagen, Transportvorgängen und so weiter voraus (Jünemann & Beyer): Die Menge dieser Informationen ist ohne eine große Zahl unterstützender Computersysteme kaum beherrschbar. Dies gilt im Planungsprozess und auch in der Produktion . Hierzu muss die nicht exklusive und systemübergreifende Nutzung von Informationsquellen Sensoren und andere Kontextquellen) und Rechenservices zur Nutzung von Erfahrungswissen und komplexen Softwaresystemen ermög licht werden

In der vernetzten Produktion sind zuverlässige Produktionslogistikprozesse ausschlaggebend für den reibungsarmen , fehlerfreien Wertschöpfungsprozess.

In Zukunft werden die Anforderungen an Stückzahl und Variantenflexibilität weiter steigen, Engpässe und Belieferungsfehler werden wahrscheinlicher.

Durch CPS können Material und Teilebewegungen transparent gemacht werden. Sie bilden damit die technische Grundlage für eine dynamische Intralogistiksteuerung in einer flexiblen Fabrik.

In komplexen Produktionssystemen durchlaufen Zuliefer und Unfertigerzeugnisse mehrere Transport --, Fertigungs und Montageschritte

Insbesondere zur Steuerung von Montageprozessen ist die Kenntnis des Aufenthaltsorts von Material, Baugruppen, Aggregaten oder endmontierten Produkten entscheidend.

Durch CPS werden die momentanen Aufenthaltsorte der Objekte erfasst und Prognosen des weiteren Verlaufs durch den Transport abgeleitet. Durch die Traceability der Bauteile wird der Montageprozess inklusive der vor und nachgelagerten Produktionslogistikprozesse vollständig transparent

Durch CPS entfallen administrative Bestandsführungs --, Buchungs und Inventurprozesse . Die papierlose Produktion kann somit für den Logistikbereich in bestehenden Produktionssystemen nachgerüstet werden.

Die Einführung von CPS ergänzt statische Kanban Prozesse um dynamische Methoden zur kurzfristigen Anpassung von Beständen, Transportmengen, Zyklen und Transportzielen durch die Produktionsablaufsteuerung , zum Beispiel beim Auftreten eines Fehlerfalls, Versorgungsengpasses oder alternativen Belieferungsszenarios.

Durch Verknüpfung von fahrerlosen Transportfahrzeugen mit dezentralen CPS und mit zentraler Leitstandsteuerung entstehen autonom agierende Transportsysteme, die mehr als eine dedizierte Transportaufgabe erledigen können in Richtung einer staplerfreien Intralogistik im Werk.

Die Mitarbeiter werden von einem durchgängigen , skalierbaren und mobilen Assistenzsystem auf allen Prozessebenen der Logistik, vom Transport über Umschlag und Bestandsmanagement bis hin zur Kommissionierung, unterstützt.

*Erinnerung SEW USECASE Ähnliche Ideen

Dynamische Reaktion auf (un --)vorhersehbare Änderungen im Produktionsablauf

• Fehlertoleranz in der Produktionslogistik

• Selbstregulierung in begrenztem Umfang

Ad hoc vernetzbare Sensoren zur temporären und zur permanenten Anwendung

• Traceability und Echtzeitsystemabbild

• Schnittstelle zu vorhandenen CPS und Elementen der Logistikkette

• Verschmelzung der physischen Welt der Produktion mit der virtuellen Welt der Informationstechnologie und des Internets.

• Menschen, Maschinen, Objekte und Systeme sind über IKT und das Internet miteinander verbunden und kommunizieren dynamisch, echtzeitoptimiert und selbstorganisiert.

• In diesen intelligenten Produktionssystemen sind alle Instanzen der Wertschöpfungskette vom Lieferanten über die Logistik bis zum Kunden unternehmensübergreifend verbunden.

• Die industrielle Produktion kann individualisierte Kundenwünsche auf dem bekannt hohen Qualitätsniveau umsetzen und erreicht dabei eine höhere Flexibilität und Robustheit sowie eine optimale Ressourcenallokation.

  
  

• Der Mensch spielt die entscheidende Rolle in der vernetzten Fabrik

• Entscheidungen auf Basis kontextbezogener digitaler Informationen

• Beherrschung der Komplexität durch neue Wege der Visualisierung und Bedienung

Neue Wege des Lernens

• Individuelle Einbindung des Mitarbeiters in den Arbeitsprozess

• Assistenzfunktionen und Fähigkeitsverstärker für den Menschen

• Gesundheit und Wohlbefinden durch adaptive Arbeitsplatzergonomie

Weitere Ziele der Produktionslogistik

− Verbesserung von Fertigungsabläufen

− Verbesserung von Transportabläufen in der Fertigung

− Erhöhung der Material-, Maschinen- und Betriebsmittelverfügbarkeit

− Verbesserung der Flächen- und Raumvolumennutzung

− Erhöhung der Transparenz

− Erhöhung der Flexibilität im Hinblick auf Produktveränderungen etc.

Verschwendung von Ressourcen

• Überproduktion

• Wartezeit

• Unnötige Bearbeitung/Bewegung

• Instabile/ungesteuerte Prozesse

• Lagerhaltung

• Unnötiger Transport

• Ausschuss (Fehler) und Nacharbeit

• Keine Weiterentwicklung des Personals

Zielkriterien bleiben prinzipiell gleich

• Logistikleistung vs. Logistikkosten

• Gestaltung einer wertstromoptimierten Fabrik

• Ausrichtung am Kundentakt

• Vermeidung von Verschwendung (8 Muda)

  
  

Produktionsorganisation ändert sich (in den smart factories

—> Produktionsmanagement wird sich entsprechend anpassen müssen

Die BPS-Prinzipien bilden die Grundlage für das Handeln und die Zusammenarbeit der verschiedenen Funktionen bei der Gestaltung eines nachhaltig verschwendungsfreien und agilen Auftragsabwicklungsprozesses.

Pull-Prinzip - Wir produzieren und liefern nur das, was der Kunde will.

Fehlervermeidung - Wir vermeiden Fehler durch präventive Maßnahmen, um fehlerfreie Produkte an den Kunden zu liefern.

Prozessorientierung - Wir entwickeln und optimieren unsere Prozesse ganzheitlich.

Flexibilität - Wir passen unsere Produkte und Dienstleistungen schnell und effektiv an den aktuellen Kundenbedarf an.

Standardisierung - Wir standardisieren unsere Prozesse und implementieren Best-in-Class-Lösungen.

Transparenz - Unsere Abläufe sind selbsterklärend und einfach; Abweichungen vom Soll-Zustand sind sofort erkennbar.

Kontinuierliche Verbesserung - Wir entwickeln uns kontinuierlich und zielgerichtet weiter.

Eigenverantwortung - Wir kennen unsere Aufgaben, Kompetenzen und Verantwortungen und führen sie aktiv und selbständig aus.

The BPS principles form the basis for action and cooperation among the various functions in the design of a sustainably waste free and agile order fulfillment process.

Pull principle - We produce and supply only what the customer wants.

Fault prevention - We avoid errors by means of preventive measures in order to deliver flawless products to the customer.

Process orientation - We develop and optimize our processes holistically.

Flexibility .- We adapt our products and services quickly and effectively to current customer

Standardisation - We standardize our processes and implement best in class solutions.

Transparency - Our procedures are self explanatory straightforward; deviations from the target situation are immediately apparent.

Continuous improvement - We are developing continually and in a targeted way.

Personal responsibility - We know our tasks, competencies and responsibilities and carry them out actively & independently

• Es gibt nicht mehr den einen Idealwertstrom

• Komplexität steigt

• Quantitative Methoden notwendig

• Simulation

• Reihenfolgeplanung

Unsere Verfahren sind selbsterklärend und geradlinig; Abweichungen von der Soll-Situation sind sofort erkennbar.

Bewertung:

Nutzen: 

• Genaue Daten in Echtzeit verfügbar

• "Datenhistorie" für detaillierte Analysen verfügbar

Risiko:

• Die Datenaufbereitung ist nicht umfassend genug, um das heutige Werkstattpersonal in allen Aspekten des KVP zu unterstützen

• Noch weniger "Go to Gemba" als heute

Gemba=“der eigentliche Ort”

—-

Our procedures are self-explanatory and straight forward; deviations from the target situation are immediately apparent.

Evaluation:

Benefit: 

Accurate real-time data available

“Data history” for detailed analysisavailable

Risk:

Data preparation is not comprehensive enough to support today’s shopfloor personnel in all aspects of CIP

Even less “Go to Gemba” than today

Industrie 4.0 unterstützt nicht von Natur aus die Transparenz, sondern kann sie eher verstärken oder abschwächen!

Erhöhung der Transparenz

• Verbesserung der Datenqualität durch sensorische statt manuelle Erfassung

• Hochfrequente, quasi kontinuierliche Datenerfassung

• Zeitnahe, quasi-echtzeitliche Datenbereitstellung

• Erfassung des gesamten Wertstroms von Rampe zu Rampe oder Lieferant zu Kunde

• einfache Verfügbarkeit der Datenhistorie

• alles bei geringem Personalaufwand

  
  

Abnehmende Transparenz

• Komplexität steigt in einem für den Menschen umfassenden Maße

• System agiert ohne Wissen des Bedieners

• Erfasste Daten sind für CIP-Verantwortliche nicht nachvollziehbar (CIP=computer integrated purchasing)

• Industrie 4.0 in unreifem Wertstrom implementiert (mehrdeutig, uneinheitlich, instabil)

• Papierbasiertes Shopfloor Management wird abgeschaltet, bevor Industrie 4.0 zuverlässig angewendet wird

Industry 4.0 does not naturally support transparency; rather it may enhance ordiminish!

Enhancing transparency

• Improve data quality due to sensory instead of manual capturing

• High frequency, quasi continuous data gathering

• Timely, quasi real time data provision

• Recording of whole value stream ramp to ramp or supplier to customer

• easy availability of data history

• all at low personnel effort

Disminishing transparency

• Complexity rises to a degree in comprehensive to humans

• System acts without knowledge of operator

• Collected data is incomprehensive to CIP responsible

• Industry 4.0 implemented in immature value stream (ambiguous, unstandardized, instable)

• Paper-based shopfloor management shutdown before industry 4.0 reliably applied

WARUM BRAUCHT BOSCH DATA MINING UND KÜNSTLICHE INTELLIGENZ?

- Produkte und Systeme müssen lernfähig sein

- Mobilität (z.B. autonomes Fahren)

- Industrie (z.B. Maschinensteuerung)

- Bessere Vorhersage von Kundenanforderungen

- Künstliche Intelligenz wird für persönliche Assistenzsysteme immer wichtiger.

Lean Production bildet auch in einer vernetzten Fabrik den Rahmen für eine verschwendungsfreie Produktion.

Standardisierung ist ein Schlüsselfaktor für die erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0

Data Mining und Künstliche Intelligenz haben disruptives Potenzial für die vernetzte Produktion

——

Lean production also forms in a connected factory the frame work for a waste-free production.

Standardization is a key factor for  successful implementation of Industry 4.0

Data Mining and Artificial Intelligence have  disruptive potential for connected production

Die Leistungsprobleme eines solchen CPPS, das eine stochastische Mischungsvariabilität zulässt, im Vergleich zu den derzeitigen reinen schlanken JiT TFL nach dem TPS bei vergleichbaren Kapazitätskosten werden jedoch höchstwahrscheinlich sein

- längere PLT (Prozessdurchlaufzeit)

- geringere PCE (Process Cycle Efficiency)

- variabel und daher im Allgemeinen niedriger ER (Exit Rate), d.h. Kapazitätsverlust

- geringere OEE'OEE' (korrigierte Gesamtanlageneffektivität, einschließlich der Nutzungsrate)

- geringere OTD (On Time Delivery) Die Folge der erhöhten Flexibilität, die ein solches automatisiertes System bietet, ist TFL Transferlinie TPS Toyota Produktionssystem JIT Just in time

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