Pilotfabrik Graz

Agile und datensichere Fertigung

Die smartfactory@tugraz ist die Lernfabrik für agile und datensichere Fertigung der TU Graz

smartfactory@tugraz

Die smartfactory@tugraz ist die Lernfabrik für agile und datensichere Fertigung der TU Graz, in der modernste Fertigungstechnologien und integrierte Prozesse erforscht werden. Sie sollen dafür sorgen, dass Kleinstserien für Unternehmen rasch und rentabel und für den Kunden leistbar hergestellt werden können, ohne dass die Sicherheit dabei zu kurz kommt.

Siemens engagiert sich in dieser Pilotfabrik bei der Datendurchgängigkeit über die gesamte Wertschöpfungskette mit den Product-Lifecycle-Management-Tools, wodurch schnell auf Kundenwünsche reagiert werden kann, der virtuellen Inbetriebnahme von Fertigungszellen auf Basis eines digitalen Zwillings inklusive der Sicherheitskomponenten, beim Edge- und Cloud-Computing, bei der Echtzeit-Lokalisierung innerhalb der Fabrik, der einheitlichen Programmierung von Robotern unterschiedlicher Hersteller via Siemens-TIA-Portal; zusätzlich an der Zusammenschaltung aller drei Pilotfabriken zu einer virtuellen gemeinsamen Fabrik via MindSphere.

Showcases

Hier finden Sie die einzelnen Showcases im Detail
Late Customer Intervention

Kundenwünsche in letzter Minute einfließen lassen

In der Pilotfabrik smartfactory@tugraz wird demonstriert, wie „Late Customer Intervention“ in der Praxis funktionieren kann: Als Beispielprodukt dient ein Getriebe für Roboterarme. Ein Kunde bestellt ein Getriebe mit fünf Schrauben und merkt nachträglich, dass im Roboterarm nur vier Schrauben Platz haben. Nun muss die Fertigung kurz vor der Produktion entsprechend angepasst werden. Dafür wird die Getriebekonstruktion in der Siemens-Teamcenter-Software geöffnet und die Anzahl der Bohrungen geändert. Automatisch wird die Finite-Elemente-Festigkeitssimulation aktualisiert, damit die Festigkeit für die geplante Anwendung auch mit nur vier Schrauben ausreichend ist. Ebenso wird die Programmierung der Werkzeugmaschine automatisch angepasst und am digitalen Zwilling der Werkzeugmaschinen geprüft. So wird sichergestellt, dass der Steuerungscode funktioniert und keine Schäden an der Maschine auftreten. Erst nach dieser Freigabe darf der Steuerungscode über  Siemens ShopFloor Connect direkt zur echten Werkzeugmaschine geschickt und dort ausgeführt werden. Zeitbedarf für die gesamte Produktadaption? Lediglich fünf Minuten.

Das dahinter liegende Geheimnis ist das Designprinzip der Smart Factory: Daten werden nur einmal eingegeben und via Teamcenter allen nachfolgenden Prozessen zur Verfügung gestellt. Daten händisch in nachfolgenden Systemen einzugeben, gilt als absolut tabu. Denn erst die Datendurchgängigkeit ermöglicht, Änderungen in kürzester Zeit umzusetzen und den geplanten Produktionszeitplan einzuhalten.

Agile Fertigung

Mobile Arbeitsstationen lassen sich schnell für neue Fertigungsabläufe anpassen

Als Beispiel dient in der Smart Factory die vollständige Produktion eines kleinen Wellgetriebes, wie es in Roboterarmen eingesetzt wird. Besucherinnen und Besucher können mithilfe eines Produktkonfigurators ihre individuelle Variante des Getriebes definieren, welche in Losgröße 1 gefertigt wird. Die dafür benötigte Datendurchgängigkeit wird durch zahlreiche Hardware- und Softwarekomponenten von Siemens realisiert. Diese hoch agile Infrastruktur ermöglicht, dass völlig neue Produkte schnell realisiert werden können.

Die Smart Factory ist dafür mit mobilen Arbeitsstationen ausgestattet. Diese lassen sich rasch umbauen und zu neuen Wertschöpfungsketten anordnen und verbinden. Sie sind kompakt, standardisiert und funktionieren autark, d.h. anstelle von kabelgebundenen Stromleitungen oder Druckluftleitungen werden sie über Akkumulatoren bzw. Druckluftspeicher mit Energie versorgt. Die Datenversorgung erfolgt über ein abgesichertes WLAN. So entfallen Anschlussarbeiten an die Gebäude- und Medieninfrastruktur und die Arbeitsstationen können schnell konfiguriert werden. Der Boden rund um die mobilen Arbeitsstationen bleibt kabelfrei und bietet nicht nur uns Menschen, sondern auch den autonomen Transportfahrzeugen einen barrierefreien Bewegungsraum.

Virtuelle Inbetriebnahme

Die TÜV-Sicherheitsfreigabe schon am digitalen Zwilling vorbereiten

Es ist heute Stand der Technik komplexere Assemblierungszellen schon mittels digitalem Zwilling am Computer, also virtuell in Betrieb zu nehmen, bevor die Assemblierungszelle überhaupt gebaut ist. So kann man schon sehr früh Fehler finden und mit der Entwicklung und Optimierung der Steuerungssoftware beginnen. Die eigentliche Erstinbetriebnahme beim Kunden vor Ort irgendwo auf der Welt kann dann viel schneller erfolgen. Dadurch spart man zeitintensive Iterationen und Nachrüstungen und letztlich auch Reisekosten der Inbetriebnahme-Mitarbeiterinnen und -Mitarbeiter.

Trotzdem muss nach der technischen Inbetriebnahme die Sicherheitsfreigabe von einer staatlich zertifizierten Stelle z.B. durch den TÜV erfolgen. In dem Showcase zeigen wir, wie die wichtigsten Überprüfungen schon am digitalen Zwilling durchgeführt werden können, um sich bestmöglich auf die TÜV-Freigabe vorzubereiten. Denn am Tag der Sicherheitsfreigabe möchte man keine zeit- und kostenintensive Überraschungen erleben.

Edge Computing

Den Werkzeugbruch erkennen, bevor das Werkzeug bricht

Es ist heute Stand der Technik, die aktuelle Betriebsdaten der Maschinen in die Cloud zu übertragen um mögliche Ausfälle der Maschinen vorhersagen und damit durch vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) den Ausfall zu vermeiden, bevor er eintritt.
 

In vielen Fällen kann man die Qualität der Vorhersage signifikant verbessern, wenn man hochfrequente Maschinendaten zur Verfügung hat. In dem Showcase lesen wir die Stromaufnahme der Maschinenantriebe 500 mal pro Sekunde aus der SINUMERIK-Steuerung aus und haben dadurch viel detailliertere Information über den aktuellen Zustand der Maschine. Dabei entstehen aber so große Datenmengen, dass es nicht wirtschaftlich wäre, alle diese Daten in die Cloud zu schicken. Oft ist es auch aus IT-Sicherheitsgründen nicht erwünscht, dass diese sensiblen Daten das Fabriksgebäude verlassen. Deshalb werden diese Daten direkt bei der Maschine verarbeitet. Man nennt das dann „Edge Computing“.


Im Showcase zeigen wir, wie ein Werkzeugbruch vorhergesagt werden kann. Zwischen der Vorhersage und dem tatsächlichen Bruch des Werkzeugs liegen oft nur ein oder zwei Zehntelsekunden. Da muss man sehr schnell vor Ort entscheiden („Edge Computing“). Würde man mittels Cloud-Computing versuchen, in dieser kurzen Zeit die Daten in eine Cloud schicken, dort zu sammeln und zu bearbeiten, und danach wieder die Entscheidung zurückschicken, dann ist neben der Rechenzeit schon bald die Lichtgeschwindigkeit ein begrenzender Faktor. 

 

Anmerkung: Dieser Showcase ist ein Forschungs-Showcase und ist noch nicht in voller Produktreife verfügbar.

Real-Time Locating System

Wissen, wo sich etwas befindet

Bei allem, was in einer Fabrik nicht fix montiert ist, ist es wichtig zu wissen, was gerade wo ist, um die Fertigungsabläufe an die aktuellen Gegebenheiten anpassen zu können.
 

In der smartfactory@tugraz sind sogar die Arbeitsstationen mobil. Wenn eine Arbeitsstation verschoben wird, dann muss z.B. das fahrerlose Transportsystem die neue Position wissen, um die Teile an die richtige Stelle anzuliefern.

Mit dem Siemens Real-Time Locating System (RTLS) kann die aktuelle Position von allen Objekten erfasst werden, auf denen ein Transponder montiert ist. Tragen auch Mitarbeiterinnen und Mitarbeiten einen Transponder, dann kann der Fertigungsablauf auch in Abhängigkeit derer aktuellen Position angepasst werden.

In der smartfactory@tugraz wird auch die von Siemens in Entwicklung befindliche Safety-Version RTLS F weiterentwickelt.

TIA Portal

Roboter unterschiedlicher Hersteller ansteuern ohne jede einzelne Robotersprache lernen zu müssen

In der smartfactory@tugraz werden Roboter von unterschiedlichen Herstellern eingesetzt. Jeder Roboter hat seine spezifische Programmiersprache, in der er von Spezialistinnen oder Spezialisten programmiert werden muss.
 

In dem Showcase zeigen wir, wie man direkt aus dem Siemens TIA-Portal Roboter von unterschiedlichen Herstellern programmieren kann, ohne jede einzelne Robotersprache erlernen zu müssen.

Wartungsmanagement

Weltweit verteilte Maschinen warten und aus Fehlerursachen lernen

Wenn Fehler in einer Fertigungslinie auftreten, ist es wichtig, dass sie systematisch dokumentiert werden, aber auch, wie sie behoben werden können. Ist es nicht möglich, das Problem gleich mit der Expertise vor Ort zu lösen, wird die zentrale Service-Hotline kontaktiert. Gibt es eine zentrale Dokumentation aller Fehlerbehebungen der weltweit verteilten Maschinen über die Siemens MindSphere App Asset Operations Analytics, dann kann die zentrale Service-Hotline von den bisherigen Fehlerbehebungserfahrungen profitieren. Zusätzlich können aber auch wiederkehrende Fehler erkannt und an die Entwicklungsabteilung rückgemeldet werden. Das ermöglicht dem Maschinenbauer eine kontinuierliche Verbesserung der Maschinen.​

In Zusammenarbeit mit dem KnowCenter wurde in diesem Showcase eine Zusatzfunktion zur Fehleranalyse eingebaut: erkennt man bei den gemessenen Maschinendaten eine besondere Signalform, ermöglicht die TIMEFUSE-Funktion des KnowCenters die Suche in den in MindSphere aufgezeichneten historischen Daten, wo diese Signalform schon bisher aufgetreten ist. So lassen sich Fehlerursachen schnell erkennen und verstehen. 

Datendurchgängigkeit im Goldenen Dreieck

Das reibungslose Zusammenspiel von Entwicklungs-, Geschäfts- und Fabriks-Software (PLM/ERP/MES)

In einer Fabrik gibt es nicht nur Steuerungen, Roboter und Maschinen, sondern auch die für das Geschäft erforderlichen IT-Systeme. Das Siemens PLM-System (Siemens Teamcenter, Siemens NX…) ist für alle Konstruktions- und Planungsdaten verantwortlich – für alles, womit sich die Ingenieure beschäftigen. Im ERP-System (hier ProAlpha) finden sich alle kunden- und auftragsbezogenen Daten. Das Manufacturing Execution System, kurz MES (hier SoliDat), sorgt für die Detailplanung und gibt die Befehle an die Maschinensteuerungen. Es ist also die Verbindung zum Shopfloor. ​

In den meisten Firmen sind die drei Systeme noch getrennt und Daten werden händisch in jedem davon angelegt und gepflegt. In der Pilotfabrik sind sie über einen Enterprise Service Bus (hier: PDM-Webconnector von T-Systems) miteinander verbunden und die Daten werden konsequent nur in einem der Systeme verwaltet. Das Wissen über die dem zugrunde liegenden Prozesse, was wie in welchem der Systeme gemacht wird und welche Daten wann, wie und warum übergeben werden, schafft einen großen Wettbewerbsvorteil: Etwa in Bezug auf Flexibilität, Time-To-Market, Qualität und IT-Security. Dazu birgt es Potenzial für neue Geschäftsmodelle. ​

Der Showcase zeigt das optimale Zusammenspiel der drei Software-Systeme:  Der Kunde kann das Produkt – in dem Fall ein Hochleistungsgetriebe – konfigurieren. Der Auftrag wird im ERP-System erfasst, die Konstruktions- und Fertigungsplanungsdaten werden vom PLM an das ERP übergeben. Das ERP organisiert die Teilaufträge, die für die Herstellung erforderlich sind und übermittelt diese an das MES. Das MES plant die Reihenfolge auf den Maschinen und Mitarbeiter*innen ein und veranlasst die Produktion und Assemblierung am Shopfloor, die mit unseren Steuerungen an den Maschinen und Robotern durchgeführt wird. 

Werkzeugmanagement

Werkzeuge automatisch in Datenbank

In diesem Forschungs-Showcase zeigt die TU-Graz, wie Werkzeuge automatisch in der Siemens Teamcenter Machine Resource Library (MRL) angelegt werden können, wenn es keine fertigen digitalen Zwillinge dazu gibt. Im Showcase wird das Werkzeug mit einem Zoller Voreinstellgerät mittels Laser abgetastet. Danach erfolgt die Umformung der so entstandenen Punktwolke zu einer NX-CAD-Zeichnung. Diese Zeichnung wird so in der Datenbank abgelegt, dass NX-CAM das Werkzeug nutzen kann.

Aus Erfahrung lernen

Automatisches Zurückspielen manueller Korrekturen des Maschinen-Bedieners an die Maschinenprogrammierung

In diesem Showcase zeigt die TU-Graz, wie manuelle Korrekturen durch einen erfahrenen Maschinenbediener während des Fertigungsprozesses aufgezeichnet und über die Schnittstelle NX Open automatisch wieder in NX CAM zurückgespielt werden können. Denn in NX CAM erfolgt die genaue Programmierung des Bewegungsablaufs der Maschine. Mit den berücksichtigten Verbesserungen kann das Maschinenprogramm automatisch gleich so abgeändert werden, dass beim nächsten Durchlauf keine händischen Anpassungen mehr nötig sind.

Fehler vermeiden im Echtbetrieb

CNC-Maschine präzise simulieren – mit dem virtuellen Numerical Control Kernel (VNCK)

Ein NC-Programm wird heute vor der Verwendung an der echten CNC-Maschine in der Simulation getestet. Das geschieht aber meist mit der sogenannten CSE Simulation, die die Anweisungen direkt in der Simulation umsetzt, ohne das genaue Verhalten der Siemens SINUMERIK-Steuerung einzubeziehen.​

Mit der VNCK-Simulation wird auch berücksichtigt, wie die SINUMERIK Steuerung die Anweisungen ausführt. Diese Art der Simulation ist damit viel genauer und zuverlässiger, insbesondere wenn in der Programmierung anspruchsvolle Features der Steuerung eingesetzt werden. Sogar Fehlermeldungen, wie etwa bei der Überschreitung programmierter Begrenzungen, treten dann schon bei der Simulation auf und nicht erst im Echtbetrieb.​

Das spart Zeit bei der Fehlerfindung und reduziert das Risiko von Kollisionen bei komplexen Bewegungsabläufen.​

Siemens System bringt Ergonomie und Sicherheit

Process Simulate Human: Simulation der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine

In diesem Showcase zeigt die TU-Graz, wie Siemens Process Simulate Human verwendet werden kann, um Gefahren in der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine zu identifizieren. So können Kollisionsgefahren rechtzeitig erkannt, die Ergonomie der menschlichen Arbeitsschritte optimiert, aber auch die richtige Programmierung von Sicherheitseinrichtungen überprüft werden: Tritt beispielsweise ein Mensch durch den Infrarot-Sicherheitsvorhang, muss der Roboter stehen bleiben.

Multi-Factory

Drei Fabriken agieren gemeinsam als eine Großfabrik

Bei Großkonzernen mit Fabriken rund um den Globus ist eine Zusammenschaltung der Fabriken wünschenswert, so dass die Fertigung eines Produktes auch auf unterschiedliche Standorte verteilt werden kann. Mit Siemens Teamcenter sind solche Lösungen schon heute bei Kunden im Einsatz. Herausfordernder wird es, wenn sich unterschiedliche Unternehmen zu einer gemeinsamen Fabrik zusammenschalten wollen. Dort sind dann meist verschiedene Datenhaltungssysteme im Einsatz.
 

Am Beispiel der drei österreichischen Pilotfabriken in Wien, Graz und Linz wird gezeigt, wie drei Fabriken unterschiedlicher Unternehmen via MindSphere zu einer gemeinsamen Fabrik zusammengeschaltet werden. Das Szenario: ein Getriebe soll gefertigt werden. Die Fähigkeiten aller drei Fabriken sind bekannt. Nun wird die Anfrage gestellt, welche Fabriken man benötigt um dieses Getriebe überhaupt produzieren zu können, bzw. wie der CO2-Fußabdruck minimiert werden kann. Der sogenannte Knowledge-Graph der drei Pilotfabriken, der das Wissen über die Fähigkeiten jeder einzelnen Fabrik enthält, wird kombiniert und ein Optimierungsalgorithmus ermittelt  unter der Berücksichtigung von Transportkosten/Zeiten/CO2 jene Kombination der drei Fabriken, die am besten für die Produktion geeignet ist.