Industrie 4.0 MES-System mit mobiler Betriebsdatenerfassung: Mehr Effizienz für Produktionsbetriebe

Ein Gastbeitrag von Dr.-Ing. Florian Winter*

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Mit seinem MES-System geht Fauser einen großen Schritt in Richtung Internet der Dinge: Mit Hilfe von Bluetooth Beacons werden Lagerorte von Rohstoffen, Halbzeugen und Fertigprodukten geortet. Ein Forschungsprojekt zeigt, wie sich dadurch die Produktionslogistik verbessert.

Die Verknüpfung von Standortinformationen, Kommunikationsmöglichkeiten und aktuellen Entscheidungsgrundlagen verbessert Produktionsabläufe.
Die Verknüpfung von Standortinformationen, Kommunikationsmöglichkeiten und aktuellen Entscheidungsgrundlagen verbessert Produktionsabläufe.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

In Projekten der Industrie 4.0 und des Internets der Dinge spielt der Austausch von Nachrichten zwischen Material, Maschinen und fertigen Produkten eine große Rolle. Bisher beschränkt sich die Erfassung von Betriebsdaten allerdings auf stationäre Terminals, an welchen manuell oder per Barcode Eingaben getätigt werden, die zu den jeweiligen Prozessschritten gehören. Anders ist in dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (kurz: BMWi) geförderten Forschungsprojekt am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (kurz: IFW) der Leibniz-Universität Hannover: Mit den Projektpartnern ATS Electronic als Hersteller von Funktechnologie, Fauser als Entwickler von ERP/MES-Software und einem mittelständischen Fertigungsbetrieb, wurde von Oktober 2019 bis März 2022 ein Lokalisierungs- und Kommunikationssystem zur betriebsbegleitenden Fertigungsplanung und Steuerung für metallbearbeitende Betriebe (kurz: Lokofer) entwickelt. Im Rahmen von Lokofer sollten Positions-, Betriebs- und Maschinendaten in das Manufacturing Execution System (kurz: MES) von Fauser eingepflegt werden.

Neues Transportmedium

Dazu werden die Positions-, Betriebs- und Maschinendaten auf Bluetooth-Sendern gespeichert, die als Transportmedien fungieren. Diese Beacons kommunizieren über Bluetooth Low Energy (BLE) sowie Bluetooth 5. Die Beacons werden zum Auftragsstart über ein Schreib-Lesegerät zur Near Field Communication (kurz: NFC) mit den notwendigen Fertigungsinformationen beschrieben. Dazu gehören Arbeitsplan, technische Zeichnung, Materialbestellung mit Lagerort, Maschinenprogramme, Werkzeuglisten sowie Rüstpläne. Der Beacon wird anschließend mit dem Rohmaterial der Fertigung übergeben und begleitet es über alle Bearbeitungsstationen durch die Fertigung.

Betriebsablauf optimieren

Die erhobenen Bewegungsdaten sollen dazu dienen, den Betriebsablauf zu optimieren und steuerungstechnisch zu unterstützen. Eine automatisierte, betriebsbegleitende Erfassung führt, verglichen mit der üblichen manuellen Eingabe, zu einem engmaschigeren Datennetz, das eine höhere Planungsqualität verspricht. Dazu wurden vier Typen von Bewegungsdaten erfasst:

  • Die Transportzeit eines Auftrags sollte ortsunabhängig, aber arbeitsgangabhängig bestimmt werden können.
  • Die Bearbeitungszeiten sowie die vor und nach der jeweiligen Bearbeitung anfallenden Rüst- und Wartezeiten sollten durch den Ortsbezug maschinen- und arbeitsgangabhängig bestimmt werden.

Auf dem Weg durch die Fertigung passieren die Beacons fest definierte Bereiche, sogenannte Geofences, die eine Zuordnung zu den Arbeitsplatzbereichen und Maschinen erlauben. Der Ein- und Austritt in einen Geofence wird erfasst und bildet eine erste Datenquelle. NFC-Lesegeräte in den Geofences erfassen als zweite Datenquelle weitere Signale. Dabei wird das Signal ausgelöst, sobald der Beacon auf dem NFC-Lesegerät liegt; der Zeitpunkt der Auflage wird festgehalten. Auf diese Weise können Produktionsmitarbeiter arbeitsgangspezifische Zeiten registrieren. Die Maschinendatenerfassung (kurz: MDE) ist die dritte Datenquelle, über die unter anderem der Programmstart, als der Bearbeitungsstart, eines Arbeitsgangs erfasst werden soll.

Drahtlose Maschinendatenerfassung

Zusätzlich wird auf Basis der vorhandenen Maschinensignale zu jedem Prozess der Maschinenstatus protokolliert. Über die NFC-Schnittstelle werden die benötigten Maschinendaten bauteil- oder auftragsbezogen erfasst und an das übergeordnete Planungssystem weitergeleitet. Der erkannte Maschinenzustand wird dort mit der Zeitmessung synchronisiert. Dadurch ist festgehalten, wie lange die Maschine zum Beispiel sich im Wartungs- oder Rüstzustand befindet oder produziert.

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Detaillierte Ergebnisse

Aus der Kombination von Bewegungsdaten des Ortungssystems, der Zeitmessung und den Maschinendaten lassen sich die Gesamtdurchlaufzeit sowie die Anteile der Bearbeitungs-, Rüst-, Liege- und Transportzeiten bestimmen. Die in den Werkzeugmaschinen verwendeten Werkzeuge können ebenfalls berücksichtigt werden. Werden diese Zeiten mit hinterlegten Kostensätzen für Werkzeuge, Maschinenstunden und Liegezeiten zugeordnet, ist eine betriebsbegleitende Kostenkalkulation einzelner Bauteile oder kompletter Aufträge möglich. Dadurch entsteht eine wesentlich bessere Informationsgrundlage für Planungsentscheidungen in der Fertigung. Ein laufender Auftrag kann aufgrund dieser Erkenntnisse umgeplant werden, um eine kostengünstigere Alternativroute durch die Fertigung zu nehmen.

Aussagekräftiges Dashboard

Erleichtert werden solche Eingriffe durch ein übersichtliches Dashboard, das alle eingehenden Informationen aufbereitet und visualisiert. Mithilfe eines horizontalen Balkendiagramms ist es möglich, die jeweiligen Zeitanteile eines Auftrags farblich zu kennzeichnen. In dem Zeitstrahl werden die Zeitanteile Transport (blau), Warten (grau), Rüsten (gelb) und Produktion (grün) chronologisch den jeweils genutzten Ressourcen zugeordnet. Im Vergleich dazu werden die bisher erfassten Betriebsdaten im darunterliegenden Zeitstrahl Standard BDE gegenübergestellt. Der Vergleich zeigt, dass das Lokofer-System eine durchgängige Betriebsdatenerfassung ermöglicht.

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Schnellere Reaktionen

Um schneller und besser auf Kosten- und Terminabweichungen reagieren zu können, haben die Experten eine betriebsbegleitende Fertigungsplanung und -steuerung eingerichtet. Alle möglichen alternativen Arbeitsplätze für einen Arbeitsgang wurden dazu in der Arbeitsplanerstellung im Fauser ERP hinterlegt. Nun lässt sich statt einer konkreten Maschine jeweils eine Gruppe von Maschinen für die Durchführung eines Arbeitsgangs auswählen. Die dadurch entstehenden Entscheidungsspielräume nutzt das Planungssystem für Verbesserungen hinsichtlich der Kosten. Die erreichten Verbesserungen werden tabellarisch für jeden Auftrag sowie als Mittelwert aller Aufträge in Form eines Tachometers angezeigt.

Praxistest

Bereits während der Projektlaufzeit wurde das System bei dem Anwendungspartner aufgebaut. Dabei zeigte sich, dass die Verknüpfung von Standortinformationen, Kommunikationsmöglichkeiten und aktuellen Entscheidungsgrundlagen zu verbesserten Abläufen führt. Zugleich verbesserte sich die Effizienz durch den geringeren Aufwand zur Betriebsdatenerfassung, Material- und Bauteilsuche in der Fertigung und andere Nebeneffekte.

Deshalb wird der Prototyp nun weiterentwickelt und bei Testkunden in der Praxis erprobt. Danach soll die Markteinführung einzelner Software-Module wie auch des Gesamtsystems erfolgen.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal Industry of Things.

* Dr.-Ing. Florian Winter ist Leiter der Forschung und Entwicklung bei Fauser.

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