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Selbstorganisierende Produktion

Fachartikel von Dr. Olaf Sauer
Einer der Anwendungsfälle von Industrie 4.0 ist die »Selbstorganisierende Produktion«. Schon in den ersten Dokumenten zu Industrie 4.0 findet sich die Vision, dass »intelligente Produkte (…) durch ihre Ad-hoc-Vernetzungsfähigkeit sowie durch Mitführung einer digitalen Produktbeschreibung dazu befähigt (sind), sich eigenständig durch dieProduktion zu steuern«. Das IOSB entwickelt dafür Algorithmen.


Einer der Anwendungsfälle von Industrie 4.0 ist die »Selbstorganisierende Produktion«. Schon in den ersten Dokumenten zu Industrie 4.0 findet sich die Vision, dass »intelligente Produkte (…) durch ihre Ad-hoc-Vernetzungsfähigkeit sowie durch Mitführung einer digitalen Produktbeschreibung dazu befähigt (sind), sich eigenständig durch die Produktion zu steuern« [1]. Um die Jahrtausendwende war diese Idee einer selbststeuernden Produktion schon einmal aktuell, ausgelöst von der damaligen Technologie sog. Softwareagenten [2, 3]. Allerdings waren damals die Rechnerleistung und das Vertrauen in selbstorganisierende Einheiten in der Fabrik zu gering.
Effiziente Planung und Steuerung von Produktionsbetrieben oder kleineren Einheiten wie Werkstätten, Fertigungssegmenten oder -inseln ist seit langem Gegenstand von Forschung, Entwicklung und praktischer Anwendung. Im Kern geht es immer darum,
·         Termine einzuhalten, zu denen Kunden ihre bestellten Waren geliefert bekommen oder gar die Lieferzeiten zu reduzieren. Dabei beeinflussen beispielsweise Rüstzeiten und/oder Bestände an Zwischenprodukten oder Fertigwaren die Durchlaufzeit in Fertigung und Montage.
·         Bauteile oder Endprodukte in der Qualität herzustellen oder zu liefern, die die Kunden erwarten und dabei womöglich den Verschnitt, den Ausschuss oder die Nacharbeit zu verringern und/oder
·         zu wettbewerbsfähigen Herstellkosten zu produzieren und auch die sie beeinflussenden Faktoren, z.B. Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen, immer weiter zu verbessern.
Aus diesen drei Zielen haben sich im Lauf der Zeit für die verschiedenen Arten der Fertigung (Großserien-, Kleinserien- oder Einzelfertigung) passende Steuerungsprinzipien entwickelt.
Typisch für die Werkstattfertigung ist die losweise Fertigung und deren Feinplanung mit einem Feinplanungssystem. Der zeitliche Ablauf der Fertigung ist an Lose gebunden: Erst wenn das letzte Werkstück eines Loses bearbeitet ist, werden alle Teile des Loses zur nächsten Verrichtung transportiert. Die Feinplanung erfolgt meist im Nachgang zu einer MRP II-Planung (Manufacturing Ressource Planning), deren Ergebnisse terminierte Fertigungsaufträge sind. Kurzfristige Reaktionen auf Änderungen in der Fertigung sind in der Feinplanung heute kaum möglich. Der Grad der Autonomie ist gering, da die Fertigung den durch einen Feinplanungsalgorithmus automatisch berechneten oder durch einen Disponenten manuell angepassten Plan ausführen muss.
Mit dem Aufkommen der »Lean Production« in den 1990er Jahren setzte sich das Prinzip der Pull-Steuerung vielfach in Fertigungsbetrieben durch. Sein charakteristisches Kennzeichen ist, dass nur gefertigt wird, wenn ein echter Kundenbedarf vorliegt. Losgrößen werden auf Tageslose heruntergebrochen. Die produzierende Stelle erhält ein Signal, welche Teile in welcher Menge zu welchem Zeitpunkt bei der verbrauchenden Stelle benötigt werden. Dieses Prinzip wird auch als KANBAN-Prinzip bezeichnet.
In der Forschung existieren seit einiger Zeit Arbeiten zur Modularisierung und Flexibilisierung von Fertigungsstrukturen. Kernidee ist es, statt spezialisierter Produktionseinrichtungen, die teilweise eine eigene Infrastruktur erfordern, z.B. Einschienenhängebahnen und Schubpalettenförderer, eher universell nutzbare Maschinen und Anlagen zu installieren und auf Spezialeinbauten im Hallenboden oder in einer Fördertechnikebene zu verzichten. Die universell nutzbaren Produktionsanlagen werden vielmehr für eine bestimmte Aufgabe konfiguriert und können bei Bedarf schnell für neue oder geänderte Aufgaben umkonfiguriert werden. Dies erfordert natürlich wandlungsfähige »Hardware«, z.B. Roboter und Manipulatoren, vor allem aber auch geeignete Software sowie Steuerungs- und Kommunikationstechnik. Dieses Prinzip ist von einzelnen Linien auf ganze Fertigungsstätten übertragbar. Eines der bekanntesten Beispiele ist die mehrfach ausgezeichnete Fabrik von SEW Eurodrive in Graben-Neudorf, in der das komplette Layout und selbst bislang als nicht-teilbar geltende Ressourcen wie Lackieranlagen modularisiert wurden.
Am FraunhoferIOSB ist die für eine Selbstorganisation erforderliche Kommunikationstechnik und Algorithmik heute schon vorhanden: Die verfügbaren Werkzeuge ermöglichen das Prinzip der Selbstorganisation durch verteilte Planung. Basis ist ein Modellierungsansatz, der nahtlos von der detaillierten Abbildung physikalischer Prozesse bis hin zu Lieferbeziehungen zwischen Unternehmen skaliert. Für zu modellierende Szenarien nutzen wir einen Algorithmus zur Optimierung sequentieller Entscheidungen. Der Algorithmus verbindet Techniken für die kombinatorische und die kontinuierliche Optimierung: Je nach Szenario kann der Algorithmus kombinatorische Fertigungsfeinplanung (Scheduling) vornehmen oder weltweite Lieferbeziehungen unter Einbezug von Unsicherheiten und Risiken optimieren. Auch verteilte Entscheidungen sind möglich: Jeder teilnehmende Agent hat einen lokalen Handlungsraum, in dem er den Systemzustand beobachten und handelnd eingreifen kann. Die Agenten handeln kooperativ. Sie sind also an der Maximierung des Gesamtnutzens über alle Agenten hinweg interessiert. Die verteilte Planung zur Nutzenmaximierung über unabhängige Agenten hinweg wird mittels des eigens entwickelten Verfahrens zur sogenannten Nutzenpropagation gelöst. Dieses ist an die erfolgreichen Prinzipien der »Belief Propagation« Verfahren angelehnt[4]. In dem Zusammenhang bietet das Fraunhofer IOSB Beratungs-, Spezifikations- und konkrete Implementierungsleistungen für die selbstorganisierende Produktion an.
Literatur
[1]      acatech (Hrsg.): Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 - Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0, April 2013
[2]      Sauer, O.; Sutschet, G.: Production Monitoring linked to object identification and tracking – a step towards real time manufacturing in automotive plants. In: Teti, R. (Ed.): Proceedings of the 5th CIRP International Seminar on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, Ischia (Italy): 2006, pp. 321-326.
[3]      Bussmann, S.; Schild, K.: Self-Organizing Manufacturing Control: An Industrial Application of Agent Technology. In Proc. of the 4th Int. Conf. on Multi-agent Systems (ICMAS'2000), Boston, MA, USA, 2000, pp. 87-94.
[4]      Pfrommer, J.: Distributed Planning for Self-Organizing Production Systems. Dissertation KIT, Juli 2019.


erstellt am 09.03.2020

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