Informationstechnik in der Fabrik der Zukunft

Informationstechnik in der Fabrik der Zukunft Aktuelle Rahmenbedingungen, Stand der Technik und Forschungsbedarf Karlsruhe, im Juli 2011 Fraunhofer IOSB Seite 2 Inhalt 1  Einführung ........................................................................................................... 3  1.1  Informationstechnik in Produktionsunternehmen ............................................. 3  1.2  Architekturmodell der betrieblichen Informationstechnik .................................. 4  2  Ausgewählte Komponenten des Informationsmodells für die Fabrik der Zukunft .......................................................................................................... 6  2.1  Basisfunktionalitäten in der Produktion ............................................................ 6  2.1.1  MES-Funktionen ..................................................................................... 6  2.1.2  Selbstidentifikation, -beschreibung und -konfiguration sowie plug- and-work-Mechanismen und Funktionen zum Änderungsmanagement ......................................................................... 8  2.1.3  Visualisierung, Leitwarten und Leitstände................................................ 11  2.1.4  Simulationen und virtuelle Inbetriebnahmen ........................................... 12  2.1.5  Maschinen- und anlagennahes Condition Monitoring und Data Mining ................................................................................................... 13  2.2  Methoden und Standards ................................................................................ 15  2.2.1  Kommunikationsstandards...................................................................... 15  2.2.2  Beschreibungsstandards für semantische Interoperabilität ....................... 16  2.2.3  Mechatronische Bibliotheken .................................................................. 16  2.3  ‚Domänen‘-unabhängige Schlüsseltechnologien............................................... 16  3  Forschungsbedarf und Umsetzung in Science-to-business- Kooperationen ..................................................................................................... 17  4  Literatur ................................................................................................................ 18  Fraunhofer IOSB Seite 3 1 Einführung 1.1 Informationstechnik in Produktionsunternehmen Informationstechnik ist eine der Schlüsseltechnologien in der Fabrik der Zukunft – im Sinne einer sog. ‚enabling technology‘. In den grundlegenden Geschäftsprozessen eines produzierenden Unternehmens liegt die Produktion am Schnittpunkt der Prozesse „von der Produktidee zur Produktion“ und „von der Absatzplanung bis zum Service“ (Bild 1). Auftrags- abwicklungsprozess Absatzplanung, Marketing Einkauf Forschung, Produktfindung Auftragssteuerung Entwicklung, Konstruktion Produktionsplanung, Produktion Gestaltung der Fabrik Produkt- und Produktionsentstehungsprozess Vertrieb Service Bild 1: Die Produktion im Strahlenkreuz der Unternehmensprozesse (nach [1]) Als ‚enabling technology‘ ist die Informationstechnik für die Produktion ein Werkzeug, kein Selbstzweck. Sie muss die bekannten Ziele [2] unterstützen, z.B. - vom Kunden geforderte Qualität mit Auswirkungen auf robuste Produktionsprozesse, - Geschwindigkeit und Zeit bezogen auf Innovationen, Durchlaufzeiten und Anlauf von Anlagen sowie - wettbewerbsfähige Herstellkosten mit Auswirkungen auf Investitionen in Anlagen und IT. Diese Ziele sind auch als Restriktionen bei der Gestaltung von IT-Architekturen und – Systemen in Produktionsunternehmen zu verstehen. Aus diesen Restriktionen erklärt sich u.a., warum viele moderne Technologien, die sich im Konsumgütermarkt längst durchgesetzt haben, in der Produktion erst langsam Einzug halten, z.B. die Nutzung von ‚smart phones‘ oder 3D-Visualisierungen. Neben dem bekannten Dreiklang aus Qualität, Zeit und Kosten ergeben sich neue Erfolgsfaktoren für die zukünftige Produktion [3], z.B. aufgrund von Fraunhofer IOSB Seite 4 - Wandlungsfähigkeit für viele neue Produktvarianten mit Auswirkungen auf Integration und Interoperabilität in der produktionsnahen IT, - Echtzeitfähigkeit mit Auswirkungen auf die schnelle Bereitstellung benötigter Informationen an die berechtigten Nutzer, - Netzwerkfähigkeit und damit die Erweiterung des Blickfeldes von einem Unternehmen auf Verbünde von Standorten oder Firmen. Aufgrund ihrer Position am Schnittpunkt der o.g. Unternehmensprozesse ergeben sich außerdem Forderungen nach IT-Unterstützung über den kompletten Lebenszyklus von Produkt und Produktion sowie an die Integration der Produktions-IT in die Gesamt-IT- Architektur eines Unternehmens. 1.2 Architekturmodell der betrieblichen Informationstechnik In der Vergangenheit haben sich verschiedene Ebenenmodelle der Architektur von Infor- mationstechnik in produzierenden Unternehmen entwickelt; eine der bekanntesten ist die Automatisierungspyramide (Bild 2) [4]. Ihr Aufbau resultierte ehemals aus der Menge und dem Bedarf der anfallenden Informationen, sowie deren Zeitanforderungen auf den ver- schiedenen Ebenen, z.B. prozessorientierte Informationsverarbeitung in Echtzeit auf der Fertigungsebene, Batch-orientierte oder benutzerorientierte Informationsverarbeitung auf der Unternehmensleitebene. Aufgrund der zunehmenden Durchdringung mit Informati- onstechnik auf allen Hierarchieebenen der Fabrik kristallisiert sich heute heraus, dass die Informationsströme über alle Ebenen der Fabrik zunehmen und sich damit die Notwendig- keit eines neuen ‚Referenzmodells der industriellen Informationsarchitektur‘ [5] ergibt, das die drei Dimensionen vertikaler und horizontaler Integration sowie die Integration über den Lebenszyklus von Produktionsanlagen abbilden muss. Informationsqualität Unter- nehmens- leitebene Diverse Planungs- und Steuerungsapplikationen Fertigungs- leitebene Informationsmodell Zellen-/ Informationsquantität Prozessführungsebene Produktionsprozess, diverse Feldgeräte und Steuerungskomponenten Fertigungs-/ Feldebene (Quelle: Kegel, G. et. al.) Bild 2: Veränderung der Informationsarchitektur in Produktionsunternehmen (siehe [6]). Beispielsweise ist in Bezug auf die Befähigung von produktionsnahen IT-Systemen zur durchgängigen Kommunikation in den drei genannten Dimensionen ihre systematische Verknüpfung mit Systemen der Digitalen Fabrik (Dimension Lebenszyklus) und der Auto- matisierungstechnik auf der Feldebene (Dimension vertikale Integration) erforderlich, und Fraunhofer IOSB Seite 5 zwar zwingend unter Nutzung ebenenübergreifender Syntax und Semantik. Auch andere Autoren fordern diese Durchgängigkeit, z.B. beim Engineering von Manufacturing Execu- tion Systemen [7]. Bislang ist das in Bild 2 angedeutete Informationsmodell nicht durchgängig beschrieben. Im folgenden machen wir den Versuch, einige Komponenten dieses Modells beispielhaft zu erläutern. Benötigt werden dafür unterschiedliche Bausteine, die in Bild 3 in den fol- genden drei Blöcken zusammengefasst sind: - Basisfunktionalitäten in der Produktion, - Methoden und Standards, - ‚Domänen‘-unabhängige Schlüsseltechnologien.