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Die Wandlungsfähigkeit von Produktsystemen

Ein Fachbeitrag von Professor Michael ten Hompel und Andreas Trautmann zum Thema „Sensor Clouds und cyberphysische Systeme in Logistik und Produktion“.

Insbesondere in der variantenreichen Serienfertigung mit Tendenz zur „Losgröße 1“ werden in den kommenden Jahren sprunghafte Produktionszyklen, steigende Unsicherheiten bei der Absatzplanung und ein Höchstmaß an Individualisierung die beherrschenden Themen sein. Damit rückt die Wandlungsfähigkeit und Skalierbarkeit zukünftiger Produktionssysteme in den Vordergrund.

Dezentrale, autonome, cyberphysische Systeme in Verbindung mit cloudbasierten Softwaresystemen werden bis zum Ende des Jahrzehnts der Schlüssel für die Wandlungsfähigkeit und Skalierbarkeit von Produktionssystemen. Ihre Einführung führt zu einem Paradigmenwechsel in der Produktionssteuerung: Nach der Maximierung der Produktivität folgt die Maximierung der Wandelbarkeit von Produktion und Logistik. Dies bedingt einen Wechsel von der klassischen und starren Fließfertigung hin zu selbststeuernden Produktionseinheiten, die nach dem Prinzip des Internet der Dinge organisiert sind. Das bedeutet, dass Werkzeuge und Teile durch redundante, autonome Ressourcen, intelligente Sensorik und intermaschinelle Kommunikation ihren Weg eigenständig von Maschine zu Maschine finden. Aufträge werden bedarfsgerecht verteilt und Anlagen stellen durch lokale Entscheidungsfindung effiziente Betriebspunkte eigenständig ein.

Um dies zu erreichen, müssen Maschinen, Teile und Transportsysteme ihre Umgebung über intelligente Sensorik wahrnehmen. Im Zuge dieser Entwicklung zeichnet sich der Einsatz von 3D Kameras als eines der kommenden Themen ab. Mit ihrer Hilfe werden beispielsweise 3D-Konturen erkannt und die Position und Lage von Werkstücken erfasst, um sie automatisiert zu palettieren oder Maschinen zu bestücken.

Das Internet der Dinge liefert bereits heute Lösungen, um entsprechende Daten auf RFID Transpondern am Ladehilfsmittel mitzuführen, vor Ort auszuwerten und zur dezentralen Materialflusssteuerung zu nutzen. Dazu vernetzen sich Elemente automatischer Förderanlagen, Fahrerloser Transportsysteme (FTS) und Regalbediengeräte untereinander, um Routen zu finden und Zielsteuerung zu ermöglichen.

Neben dieser autonomen Steuerung der klassischen, stetigen oder schienengeführten Förderelementen erleben FTS durch die Entwicklung neuer Technologien eine Renaissance. Durch preiswerte Steuerungssysteme, neue 3D Sensoren und immer leistungsfähigere Antriebe und Energiespeicher werden sie zur Alternative gegenüber konventioneller und unflexibler Fördertechnik. Neue FTS wie die „Zellularen Transportsystemen“ des Fraunhofer IML in Dortmund interagieren zu Dutzenden wie ein Schwarm und ersetzen auch die Regalbedientechnik, da sie in der Lage sind, in ein Regal zu fahren, sich einen Lift zu rufen und den gewünschten Behälter auf jeder Ebene ein- und auszulagern.

Diese, auch als vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0) bezeichnete Entwicklung bedingt neben zunehmender Autonomie auf der operativen Ebene ein erheblich komplexeres Beziehungsgeflecht auf der normativen Ebene mit ihren Stamm-, Bestands- und Bewegungsdaten. Um den cyberphysischen Systemen auf der operativen Ebene autonome Entscheidungen zu ermöglichen wird das Datenaufkommen in Summe steigen und es stellt sich die Frage, wie diese Daten gespeichert, verarbeitet und verteilt werden können. Hier zeichnet sich klar der Einsatz cloudbasierter Systeme als Ultima Ratio ab. Eine cloudbasierte IT Architektur stellt Rechen- und Speicherkapazität bedarfsgerecht bereit und kann in weiten Bereichen skaliert werden. Die Bereitstellung der entsprechenden Hard- und Software erfolgt in guten Clouds weitgehend automatisiert und können heute auf Knopfdruck, auf Wunsch auch über die Grenzen eines Rechenzentrums hinweg, gemanagt werden. Neueste Entwicklungen erlauben beispielsweise das „verschieben“ virtueller Maschinen von einem Rechenzentrum in ein ande and A. Wagenitz. Integrierte Versorgungsplanung im Rahmen der digitalen Logistik. In Michael Schenk, editor, Digital Engineering – Herausforderung für die Arbeits- und Betriebsorganisation, pages 175?193. Gito, Berlin, 2009.

[15] E. A. Lee. Cyber physical systems: Design challenges. In International Symposium on Object/Component/Service-Oriented Real-Time Distributed Computing (ISORC), 2008. Invited Paper.

[25] H. Toshihiro, W. Tomotaka, O. Yuuki, U. Norie, M. Kouichi, and O. Hiromi. A Multi-Sensing-Range Method for Position Estimation of Passive RFID Tags. In Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Wireless & Mobile Computing, Networking & Communication, pages 208?213, 2008.

[29] H.P. Wiendahl, J. Reichardt, and P. Nyhuis. Handbuch Fabrikplanung: Konzept, Gestaltung und Umsetzung wandlungsfähiger Produktionsstätten. Hanser, 2009.

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