Der Weg zur digitalen Prozesssteuerung hält einige Tücken bereit: Die vorherrschenden Steuerungsfunktionen in der Automatisierungstechnik sind oft strikt hierarchisch organisiert und über verschiedene Ebenen verteilt. Die Produktion im Sinne von Industrie 4.0 muss sich jedoch schnell an neue Produkt- und Produktionsanforderungen anpassen. Dies erfordert flexible und wandlungsfähige Automatisierungssysteme: Im Gegensatz zu hierarchisch verteilten werden bei heterarchisch verteilten Steuerungsansätzen die Steuerungsaufgaben auf autonome und gleichberechtigte Steuerungseinheiten aufgeteilt, die direkt miteinander kooperieren.

Das digitale Produktgedächtnis erweitert die physische Produktkomponente um eine Cyber-Produktkomponente

Bild 1: Das digitale Produktgedächtnis erweitert die physische Produktkomponente um eine Cyber-Produktkomponente und macht so das herkömmliche Produkt zu einem smarten Produkt. IST

Zukünftige Automatisierungssysteme müssen zudem in der Lage sein, das zu fertigende Produkt jederzeit eindeutig identifizieren und innerhalb des Produktionsprozesses verfolgen zu können. Dadurch ist möglich, die dem Produkt zugeordneten Produktionsparameter individuell zu erfassen und abzuarbeiten. Das individuell zu fertigende Produkt markiert somit den Ausgangspunkt für die Steuerung des Produktionsprozesses. Durch die Kennzeichnung mit einem Barcode oder Data-Matrix-Code wird das Produkt zu einem smarten Produkt und erhält ein digitales Produktgedächtnis. Dadurch kann es den Produktionsprozess selbst aktiv beeinflussen oder autonom steuern.

Das smarte Produkt

Im Allgemeinen besteht das digitale Produktgedächtnis aus einem Mechanismus zur automatischen Produktidentifikation beziehungsweise zum Auslesen der Produktdaten (Auto-ID-Technologie) und einem Leitsystem zur Speicherung, Rückkopplung und Interpretation der hinterlegten Produktdaten. Durch das Konzept des digitalen Produktgedächtnisses wird somit die physische Komponente des Produkts um eine Cyber-Komponente erweitert. In vorliegendem Beispiel findet durch den Informationsaustausch zwischen dem Produkt und dem Leitsystem Orbit 4.0 von IST unter anderem die Anpassung respektive Ausführung der Prozesssteuerung bei Montage- und Prüfprozessen statt. Das herkömmliche Produkt wird somit zu einem smarten Produkt oder cyber-physischen Produkt, das seinen Produktionsprozess selbstständig beeinflusst und steuert (Bild 1).

Das digitale Produktgedächtnis wird typischerweise mit dem jeweiligen Produktionsauftrag initiiert und beinhaltet Informationen, die das individuelle Produkt und seinen Herstellungsprozess näher spezifizieren. Es bildet dabei die Produktinformationen sowohl in zukunfts- als auch in vergangenheitsorientierter Perspektive ab:

  • Allgemeine Produktinformationen: Auftragsnummer, Produktbeschreibung, durchzuführende Herstellungsprozesse, durchzuführende Prüfprozesse, Priorität etc.
  • Episodische Produktinformationen (Page forwarding): abgeschlossene Herstellungsprozesse, verbrauchte Energie etc.

Bei der Implementierung des digitalen Produktgedächtnisses kann darüber hinaus zwischen zwei Arten der Datenhaltung unterschieden werden [1]:

  • Bei der dezentralen Datenhaltung werden die Produktinformationen physikalisch auf dem Produkt selbst hinterlegt (z.B. mittels RFID-Transponder). Die Informationen sind damit orts- und zeitunabhängig am Objekt verfügbar (Bild 2, l.)
  • Bei der zentralen Datenhaltung (auch in der Cloud möglich; nahezu unbegrenzte Datenhaltung) werden die Produktinformationen zentral verwaltet und gespeichert (z.B. in der Cloud). Auf dem Produkt wird lediglich eine Referenz abgelegt, mit der die Informationen aus externer Quelle abgerufen werden können (Bild 2, r.).

 

Literatur und Quellenverzeichnis

[1]        Gorecky, D.; Hennecke, A.; Schmitt, M.; Weyer, S.; Zühlke, D. (2017): Wandelbare modulare Automatisierungssysteme. In: Handbuch Industrie 4.0, Geschäftsmodelle, Prozesse, Technik. Bild 2 gemäß Handbuch Industrie 4.0; S. 559.

[2]        Beitz W., Grote K.-H.: Dubbel, 20. Auflage; S. 101.

Unter den vielzählig vorhandenen Auto-ID-Technologien werden 1D-/2D-Codierverfahren und Verfahren mit Radiofrequenzidentifikation (RFID) unterschieden. Während es sich bei den für die zentrale Datenhaltung geeigneten 1D-/2D-Codierverfahren um optische Verfahren handelt, die auf Sichtkontakt zwischen Lesegerät und Informationsträger angewiesen sind, ermöglichen Verfahren der Radiofrequenzidentifikation (RFID) eine berührungslose Kommunikation mittels eines elektromagnetischen Feldes. Produkte mit RFID-Tag sind insbesondere für Systeme mit dezentraler Datenhaltung geeignet.

Arten der Prozessintegration

 Bild 3: Integration von Anlagen mit dem flexiblen und skalierbaren Leitsystem Orbit 4.0 von IST gelingt problemlos.

Bild 3: Integration von Anlagen mit dem flexiblen und skalierbaren Leitsystem Orbit 4.0 von IST gelingt problemlos.

IST

IST bietet mit ihrem flexiblen und skalierbaren Leitsystem Orbit 4.0 in der diskreten Fertigung ein ideales Instrument zur Erfassung, Visualisierung, Auswertung und Weitersendung aller anfallenden Daten des Produktionsprozesses. Dieses System ist seit über 10 Jahren bei einem führenden und weltweit tätigen Hersteller von Leistungshalbleitern sehr erfolgreich im Einsatz. Im Rahmen von Maßnahmen zur Verbesserung der Produktqualität ist es das Ziel, die Montage- und Prüfprozesse so zu optimieren, dass eine effektivere Produktion zu verbesserten und qualitativ hochwertigeren Prozessen und damit zur Verbesserung von Durchlaufzeiten, Rüstzeiten, Ausbeute und Qualität der Produkte führt. Dieser Schritt hin zur digitalen Transformation wurde durch die Integration der kompletten Fertigung in die digitale Welt (Bild 3), konkret in das Datenmanagementsystem Orbit 4.0 möglich. Dabei wurden auch alle weiteren fertigungsrelevanten Systeme vernetzt, wie etwa das ERP-System, Prüfvorschriftensysteme oder die Produkt- und Prozessdatenbank.

Industrie 4.0 in der Praxis

IST aus Kallmünz vor den Toren Regensburgs beschäftigt sich seit mehr als 10 Jahren intensiv mit dem Thema „Industrielle Digitalisierung“. Zusammen mit Kunden werden Konzepte erarbeitet, um Produkte und Prozesse zu verbessern. Dabei spielen unter dem Überbegriff „Industrie 4.0“ Themen wie Rückverfolgbarkeit, kundenindividuelle Produkte in Losgröße 1, Anlagenkopplung und Automatisierung, Digitalisierung von Prüf- und Prozessvorschriften mit der Möglichkeit, diese an die Anlagen zu projizieren, eine große Rolle. Die Vorgehensweise zur Umsetzung der Digitalisierungsstrategie bei einem mittelständischen Hersteller von Leistungshalbleitern ist in diesem Fachbeitrag vorgestellt.

Ausgangspunkt der Anlagenintegration bei Montage- und Prüfprozessen ist stets die Kennzeichnung der Bauteile mit einem Bar-Code oder einem Data-Matrix-Code. Durch die Erzeugung eines digitalen Zwillings im zentralen Datenhaltungssystem Orbit 4.0 ist somit eine Visualisierung von Produkt- und Prozessinformationen, Arbeitsanweisungen und Prüf- und Prozessergebnissen möglich (Bild 4). Die Datenerfassung wird durch die eingesetzten intelligenten Clients online von den Steuerungssystemen der Produktionsanlagen durchgeführt. Diese Schnittstellen zu Sensoren, Aktoren und PLCs sorgen auch dafür, dass Messdaten und Messkurven dem Bediener über ein HMI einfach und verständlich visualisiert werden und außerdem der Mitarbeiter darüber geführt wird.

Im konkreten Projekt der Leistungshalbleiterfertigung wurde eine Neubetrachtung der Fertigungsprozesse mit dem finalen Ziel der Produktverbesserung vorgenommen. Dabei wird in der Fabrik vor Ort zwischen drei Formen [2] der technischen Integration unterschieden (Bild 5).

Bild 5: In der Fabrik vor Ort werden zwischen den drei Formen der technischen Integration unterschieden: die manuellen, halbautomatisierten und vollautomatisierten Prozesse.

Bild 5: In der Fabrik vor Ort werden zwischen den drei Formen der technischen Integration unterschieden: die manuellen, halbautomatisierten und vollautomatisierten Prozesse. IST

1.     Die Einbindung und Steuerung manueller Prozesse/Arbeitsplätze. Der Mitarbeiter wird dabei über ein HMI mit den relevanten Bauteilinformationen von Orbit 4.0 versorgt. Er führt den Prozess eigenständig anhand von Arbeitsanweisungen und Prüfvorschriften (welche Bedingungen an den Tester angelegt werden sollen) durch. Die Messergebnisse werden manuell in das HMI eingegeben.

2.     Bei halbautomatisierten Prozessen und Arbeitsplätzen bekommt der Operator alle für seinen Arbeitsprozess notwendigen Informationen vom Leitsystem Orbit 4.0, wodurch er dazu befähigt wird, den Montage- oder Prüfprozess auszuführen. Der Mitarbeiter wird also durch Arbeitsanweisungen und Prüfvorschriften auf dem HMI zur Durchführung verschiedenster Aufgaben qualifiziert. Eine vom Tester übermittelte XML-Datei wird eingelesen, wodurch die Messergebnisse in das HMI übertragen werden (keine manuelle Eingabe der Messergebnisse).

3.     Bei vollautomatisierten Prozessen ist die Auswertesoftware im Tester integriert. Der Tester holt sich die notwendigen Informationen vom Leitsystem Orbit 4.0 und erhält dadurch die Messgrenzen, die eingehalten werden sollen. Anhand derer führt der Tester die Bewertung des einzelnen Bauteils durch (Pass oder Fail). Orbit arbeitet rein im Hintergrund und wird über eine DLL-Schnittstelle angesteuert.

Die gezeigte Online-Erfassung erhöht die Datenqualität und erlaubt die Berechnung von Kennzahlen in Echtzeit. In großen Produktionen sammelt Orbit mehr als tausend Messdaten pro Minute. Die Präsentation und Auswertung aller Daten erfolgt mit der Orbit Business-Intelligence-Funktion (Bild 6). Dadurch werden komplexe Daten der Produktion in wertvolle Business Insights verwandelt, die im ganzen Unternehmen geteilt werden können. Somit stehen alle Informationen jederzeit an jedem beliebigen PC im Unternehmensnetzwerk zur Verfügung.

Tabelle 1: Vorteile durch Digitalisierung mit Orbit 4.0.

Tabelle 1: Vorteile durch Digitalisierung mit Orbit 4.0. IST

Gemeinsam mit unserem Kunden haben wir mit Orbit 4.0 ist ein ideales Prozessmanagementsystem für die Industrie 4.0 entwickelt. Orbit 4.0 bietet ergänzend zu den oben erwähnten Charakteristika weitere Vorteile, wie beispielsweise die kundenindividuelle Massenfertigung in Losgröße 1, die Reduzierung von Retouren, mehr Transparenz in der Fertigung, eine Erhöhung der Anlagenauslastung, die Rückverfolgbarkeit bis auf das einzelne Bauteil und die Rückverfolgung von kritischen Materialien (Tabelle).