Arbeitsgruppe "CPS-basierte Automation"

Einleitung

Die grundlegende Eigenschaft von cyber-physischen Systemen ist die Vernetzung von Teilsystemen - untereinander sowie zu Diensten. Im Unternehmensumfeld bedeutet das beispielsweise eine Verbindung von Sensoren oder Aktoren im Produktionsumfeld, also auf Shopfloor-Ebene, mit der Cyber-, also der virtuellen Welt, beispielsweise mit Simulations-, Planungs-, Überwachungs- oder Analyse-Programmen. Die CPS-Basierte Automation bringt auch ausserhalb des Unternehmens entlang der gesamten Supply-Chain erhebliche Vorteile, wie z.B. die vernetzte Infrastruktur durch die auf jede einzelne ihrer Komponenten jederzeit zugegriffen werden kann und somit am Ende die globale Vernetzung der intelligenten Fabrik ermöglicht.

Zielsetzung

Ziel der Arbeitsgruppe ist es zukunftsfähige Konzepte auszuarbeiten die aufzeigen wie die horizontale und vertikale Vernetzung erfolgreich umgesetzt werden kann. Als Orientierung wird von uns das «Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0)» vorgeschlagen. Die Arbeits-Ergebnisse werden in verständlichen und übersichtlichen Formaten veröffentlicht.

Inhalte

Die Arbeitsgruppe «CPS-basierte Automation» fokussiert sich auf Themen, welche dem Werkplatz Schweiz zugutekommen. Folgend Themen sind diesbezüglich im Fokus:

  • Konzepte zur Vernetzung physischer Vorgänge (über Sensoren, Aktuatoren, mobile Geräte) mit digitalen Diensten
  • Studien und Technologieanalysen zum Einsatz von cyber-physischen Systemen
  • Sicherheitsanalysen und Erweiterungen bestehender Sicherheitsarchitekturen für cyber-physische Systeme
  • Beherrschung von Störeinflüssen und Fehlern bei CPS-basierten Systemen
  • Modellierung und Berücksichtigung der kognitiven Fähigkeiten des Menschen in den Mensch-Maschine-Schnittstellen
  • Entwicklung von adaptiven Mensch-Maschine-Schnittstellen, die sich selbständig an die selbst-organisierenden Automatisierungssysteme anpassen
  • Praktische Vorgehensmodelle

Mitglieder

Beat Meili (Sigmatek)
Fabian Frey (Autexis AG)
Philip Hauri (Industrie 2025)
Jürg Krebser (inspire AG)
Urs Güttinger (Bossard AG)
Ralf Dopp (Deloitte)
Rolf Wirz (Rychiger AG)
Dr. Stefan Pauli (Switzerland Innovation Park Biel)
Dr. Robert Montau (FFHS Fernfachhochschule Schweiz)
Andreas Läng (Hilscher Swiss GmbH)

 

Erläuterung CPS

Simple Use Case Motorherstellung mit CPS
Erläuterung CPS

Funktionsbeschreibung CPS System anhand eines digitalen Zwillings im Bereich Antriebstechnik

·         Ein Motorenhersteller liefert seinem Endkunden einen neuen Antriebsstrang, bestehend
aus der Motorsteuerung und dem Motor mit integriertem elektronischem Typenschild

·         Die Motorensteuerung wird mit einem Internet-Router an die Cloud-Plattform des Antriebs-Herstellers angebunden

·         Bei der Inbetriebnahme meldet die Motor-Steuerung alle relevanten Inbetriebnahme Parameter und Daten dem Antriebshersteller in die Cloud. Dieser weiss nun, zu welchem Zeitpunkt der Motor mit welchen Parametern in Betrieb genommen wurde

·         Während dem gesamten Lebenszyklus des Motors übermittelt die Motorensteuerung dem Motorhersteller die wichtigsten Betriebsdaten wie Stromaufnahme, Betriebsstunden etc.

·         Auf Grunde dieser gewonnen Daten ist der Antriebshersteller in der Lage, den Antriebsstrang auf Grund mechanischer Abnützung der Mechanischen Lager etc. immer wieder zu optimieren.

·         Der Motorenhersteller analysiert diese Daten kontinuierlich und kann auf Grund dieser
Analysen frühzeitig eine Wartung in die Wege leiten, bzw. er kann dem Betreiber die benötigten Ersatzteile liefern, bevor der Antriebsstrang defekt ist und ein Produktionsausfall entsteht.

·         Sollte trotzdem ein frühzeitiger Ausfall der Motorensteuerung oder des Motors auftreten,
so kann der Hersteller auf Grund der zwischenzeitlich gewonnen Betriebsdaten den Fehler analysieren und die Qualität seines Produktes kontinuierlich verbessern

 

Funktionsbeschreibung CPS System anhand eines digitalen Zwillings im Bereich Antriebstechnik

  • Ein Motorenhersteller liefert seinem Endkunden einen neuen Antriebsstrang, bestehend
    aus der Motorsteuerung und dem Motor mit integriertem elektronischem Typenschild
  • Die Motorensteuerung wird mit einem Internet-Router an die Cloud-Plattform des Antriebs-Herstellers angebunden
  • Bei der Inbetriebnahme meldet die Motor-Steuerung alle relevanten Inbetriebnahme Parameter und Daten dem Antriebshersteller in die Cloud. Dieser weiss nun, zu welchem Zeitpunkt der Motor mit welchen Parametern in Betrieb genommen wurde
  • Während dem gesamten Lebenszyklus des Motors übermittelt die Motorensteuerung dem Motorhersteller die wichtigsten Betriebsdaten wie Stromaufnahme, Betriebsstunden etc.
  • Auf Grunde dieser gewonnen Daten ist der Antriebshersteller in der Lage, den Antriebsstrang auf Grund mechanischer Abnützung der Mechanischen Lager etc. immer wieder zu optimieren.
  • Der Motorenhersteller analysiert diese Daten kontinuierlich und kann auf Grund dieser
    Analysen frühzeitig eine Wartung in die Wege leiten, bzw. er kann dem Betreiber die benötigten Ersatzteile liefern, bevor der Antriebsstrang defekt ist und ein Produktionsausfall entsteht.
  • Sollte trotzdem ein frühzeitiger Ausfall der Motorensteuerung oder des Motors auftreten,
    so kann der Hersteller auf Grund der zwischenzeitlich gewonnen Betriebsdaten den Fehler analysieren und die Qualität seines Produktes kontinuierlich verbessern

Fragen und Phasen der Integration von CPS in Produktion und Logistik

Vision und Entscheidungsfindung
✓ Welchen Nutzen oder Verbesserungspotentiale sind vorhanden
✓ Was sind die Schlüsselprozesse und Geschäftsmodelle
✓ Kann die Produktion/Firma zu einer intelligenten Fabrik (Smart Factory) entwickelt werden
✓ In welchen Zeitraum und in welchen Phasen kann der Paradigmenwechsel vollzogen werden
✓ Wie kann der Erhalt des Wertbestandes der aktuellen Produktion gesichert werden
✓ Welches Knowhow muss vorhanden sein und welche Weiterbildung muss gewährleistet werden
✓ Wie hoch ist die Standardisierung in Produktion und Logistik
✓ Was sind die Anforderungen an ein Sicherheitskonzept
✓ Was sind die rechtlichen Rahmenbedingungen
✓ Wie ist das finanzielle Fundament

Erfolgsfaktoren
✓ Integration neuer Technologien, bestehende Systeme sollten mit echtzeitfähigen Systemen ergänzt oder ersetzt werden
✓ Die Entwicklungsgeschwindigkeit neuer Produkte und Geschäftsmodelle muss sich der Dynamik der Entwicklung der I4.0 Technologienanpassen
✓ Die Mitarbeiter werden frühzeitig in die innovative Gestaltung der Arbeitsorganisation, Prozessverbesserungen, Weiterbildung sowie die technische Weiterentwicklung einbezogen
✓ Der Aufbau von tragfähigen Geschäftsmodellen in enger Zusammenarbeit mit B2B Partnern zur Optimierung von Innovationszyklen
✓ Aufbau einer Arbeitsgruppe die sich exklusiv mit dem Thema „Modellierung komplexer Systeme“, insbesondere in der Produktionstechnik befasst und geeigneter Richtlinien und Handlungsempfehlungen ausarbeitet.
✓ Innovationsfördernde Firmenkultur etablieren.
✓ Etablierung geeigneter Leuchtturmprojekte – «Think big, start small»
✓ Aufbau eines Sicherheitskonzeptes für produktionstechnische Anlagen und die damit hergestellten Produkte zur Abwehr von Gefahren für Mensch und Umgebung, sowie Schutz der Anlagen und Produkte gegen Missbrauch und unbefugtem Zugriff, insbesondere auf die darin enthaltenen Daten.

Disruptive Aspekte
✓ Einfache und rasche Weiterentwicklung der Produktionslinie entsprechend der Auftragssituation
✓ Integration von Individualprozessschritten in Fertigungslinien
✓ Plug & Produce-Fähigkeit der Fertigungsmodule
✓ Maschinenübergreifender Technologiedatenabgleich mit automatischer Adaption
✓ Automatisierte Technologiedatenbereitstellung auf Basis von Ad-hoc-Sensorik
✓ Unternehmensübergreifender Technologiedatenaustausch über öffentliche Marktplätze
✓ Identifikation von Zustand und Lebenszyklus
✓ Prognostizierbarkeit des Lebenszyklus auf Basis der Betriebsparameter
✓ Automatische Identifikation optimaler Betriebs- und Wartungspunkte durch Analyse der CPS Daten
✓ Echtzeitfähige Produktionsplanung und -steuerung
✓ Selbstregulierende Produktionsplanung und -steuerung
✓ Selbststeuerungsfähigkeit für intelligente Produkte
✓ Kontextsensitive und multimodale Mitarbeiterinteraktion
✓ Dynamische Reaktion auf (un-)vorhersehbare Änderungen im Produktionsablauf
✓ Fehlertoleranz in der Produktionslogistik
✓ Selbstregulierung im gewünschten Umfang
✓ Zulassen von Kundenänderungen zum spätesten möglichen Zeitpunkt im Produktionsprozess
✓ Präzise Terminaussagen auch nach optimierender Funktionsänderung im Produkt
✓ Moderne Geschäftsmodelle durch Einbindung der Kunden und Lieferanten in die Produktentwicklung
✓ Planung des Up-Cyclings der Rohstoffe schon bei der Entwicklung
✓ Dynamische Gestaltung des Lebenszyklus (Bewirtschaftung der Rohstoffe im Feld)
✓ Hohe Komplexität des Zusammenspiels im MTO unter Antrieb des Marktes /Kunden
✓ Synchronisation der Lebenszyklen mitunter sehr aufwendig
✓ Schwieriger Informations- und Wissensfluss durch Trennung der Lebenszyklen

Enabler
✓ Klare Beschreibungen aller Objekte und Prozesse entlang der Supply Chain
✓ Schnittstelle zu vorhandenen CPS und Elementen der Logistikkette
✓ Erarbeitung und Bewertung neuer Geschäftsmodelle
✓ Organisatorische, systemische und methodische Gestaltung der Lebenszyklen
✓ Speicherung und Nutzung der relevanten Daten am Produkt über den gesamten Lebenszyklus
✓ Neue Handhabungsmethoden für den Umfang der Datenmengen
✓ Intelligenz im System für die Ausschöpfung der Informationen & des Wissens aus großen Datenmengen
✓ Dezentralität, Interdisziplinarität unter Wahrung der Bedien- und Handhabbarkeit
✓ Verschleißmodelle in Abhängigkeit der realen Betriebsparameter
✓ Schnittstellenstandards für universell kombinierbare Fertigungsmodule
✓ Fähigkeits- und funktionsorientierte Beschreibung der Bearbeitungsaufgabe
✓ Modulare und selbstkonfigurierende Software

Use Cases
✓ Resiliente Fabrik (Quelle: Festo)
❑ Eine Fabrik mit einem breiten Produktspektrum mit kundenspezifischen
Merkmalen bei hochgradig saisonaler Nachfrage. Durch eine situative Anpassung der Produktionslinien wird eine Just-in-time-Produktion bei optimaler Kapazitätsauslastung erreicht.
✓ Technologiedaten Marktplatz (Quelle: TRUMPF )
❑ Aus Mangel an eigener Technologie und brauchbarer Qualitaet wird durch Zugriff auf internes und externes Technologie-Know-how der Kundenauftrag in der erwarteten Qualität termingerecht abgewickelt.
✓ Intelligentes Instandhaltungsmanagement (Quelle: wbk)
❑ Mit antizipierenden Instandhaltungskonzepten lassen sich die Folgekosten ungeplanter Stillstände deutlich reduzieren.
✓ Vernetzte Produktion (Quelle: iwb)
❑ Die Individualisierung von Produkten führt gemeinsam mit einem turbulenten Marktgeschehen zu komplexen Produktionsabläufen. Angesichts dieser Randbedingungen müssen organisatorische Verluste durch adäquate Planung und Steuerung der Produktion vermieden werden, um die Wettbewerbsfähigkeit des produzierenden Unternehmens zu erhalten.
✓ Selbstorganisierende adaptive Logistik (Quelle: Daimler)
❑ 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.
✓ Kundenintegriertes Engineering (Quelle: IPA)
❑ Durch eine Integration des Kunden in die entwickelnden, planenden und wertschöpfenden Tätigkeiten entstehen eine neue Transparenz und eine reaktive Produktion in idealer Synchronisation aller Beteiligten.
✓ Nachhaltigkeit durch Up-Cycling (Quelle: IPA)
❑ Das Unternehmen seine Produkte nur zur Nutzung verkauft, behält es die Eigentumsrechte an den verwendeten Rohstoffen. Dies wird sinnvoll erst durch direkt im Produkt abgespeicherte Herstellungs-, Montage- und Recycling-Informationen ermöglicht. Durch die umfassende Informationsbereitstellung wird anstelle eines Down- oder Re-Cyclings oftmals ein Up-Cycling ermöglicht.
✓ Smart Factory Architecture (Quelle: IPA)
❑ Die Synchronisation des Lebenszyklus eines Produkts und mitunter auch des Fabriklebenszyklus ist ein aufwendiger Prozess. Die Smart Factory ein eigener Lebenszyklus, welcher je nach Produkt entsprechend gestaltet werden muss und bietet dabei einen umfassenden Lebenszyklus, durch die Ergänzung des MTO-Ansatzes mit IT, in einer übergeordneten Meta-Ebene