Echtzeitfähiger Informationsfluss in der maritimen Ausrüstung - Ein System zur datenbasierten Abbildung des Produktionsprozesses

Konrad Jagusch, Jan Sender und Wilko Flügge

Um dem starken Zeitdruck bei der Entwicklung eines Schiffs zu begegnen, werden Prozesse parallelisiert. Der eigentliche Fertigungsstart liegt aufgrund dessen, wie in der Unikatfertigung üblich, vor der finalisierten Produktdefinition und der Fertigstellung aller Produktionsinformationen. Simultaneous Engineering bedingt einen hohen Grad an Kommunikation und einen stetigen Informationsfluss. Diese Datenrückführung aus der laufenden Produktion gilt es durch eine kontinuierliche, produkt- sowie prozessbezogene Datenerfassung zu befriedigen. Es ist daher notwendig, eine Methode zu entwickeln, die trotz Losgröße 1 den Bedarf an prozessbegleitenden Daten deckt. Eine große Herausforderung stellen dabei gering automatisierte oder gänzlich manuelle Prozesse wie die Ausrüstung von Schiffen dar, die einen zeitlichen Mehraufwand bei der Datenerfassung bedingen.

Bei der Fertigung von Unikaten, wie beispielsweise Schiffen, entsteht ein enormer Zeitdruck. Die Komplexität des Endprodukts und die Kundenorientierung, geprägt durch die eingeräumte Einflussnahme über den gesamten Entstehungsprozess, bedingen lange Durchlaufzeiten [1]. Diesem Sachverhalt wird durch die Parallelisierung von Prozessschritten, dem Simultaneous Engineering, entgegengewirkt [2]. Doch mit zunehmender Projektlaufzeit steigen Änderungskosten progressiv [3], sodass diese Änderungen auf noch nicht gefertigte oder nur zum Teil bearbeitete Komponenten abzielen müssen, um die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Der vorgezogene Produktionsstart erschwert jedoch diese Maßgabe. Eine interdisziplinare Kommunikation wird daher essenziell, um den Ist-Stand der Produktion abbilden zu können. Trotz der allgemeinen Zunahme elektronischer Betriebsdatenerfassungs-Systemen (BDE) [4], war die Ausgangslage in der Fertigung bei einem deutschen Schiffbauunternehmen ungenügend, um den Prozess abzubilden und dadurch steuern zu können. Ferner war eine Rückmeldung der Prozessdaten aus der Fertigung in übergeordnete Ebenen wie der Konstruktion zeitverzögert und unvollständig bzw. gänzlich ausgeblieben. Hervorgerufen wurde dieser Missstand wie in Bild 1 dargestellt, durch einen medienbruchdurchzogenen Informationsfluss, der meist eine papiergebundene Datengenerierung und -bereitstellung vorsah. Somit konnte weder die benötigte Echtzeitfähigkeit, noch die Datendichte erreicht werden, die fundierte Aussagen über den laufenden Produktionsprozess zulassen.


Zielstellung

Bezugnehmend auf die beschriebene Ausgangssituation und die damit einhergehende Nichterreichung der definierten Ziele, bestand die Notwendigkeit, ein ganzheitliches System auszulegen. Hierzu zählt unter anderem eine in den Prozess integrierte BDE, um den Ist-Stand darzustellen, auf dem nachträgliche Modifikationen des Endprodukts ausgerichtet werden können. Da die Unikatfertigung von manuellen Fertigungsprozessen geprägt ist, um die benötigte Flexibilität zu erreichen [5, 6], muss die Datengenerierung in den Prozess implementiert werden. Unzureichende BDE-Systeme mindern die Akzeptanz und reduzieren den Mehrwert durch zusätzliche Nebenzeiten erheblich [7]. Trotz der Zunahme an technischen Systemen erfolgt in der klassischen Fertigung die Datengenerierung oftmals an festen Orten zu festen Zeitpunkten [8], wobei der Ort und der Status nach der Datenerfassung weiter intransparent bleiben [4]. Auf Basis der zu erfassenden Daten gilt es ein Abbild des aktuellen Zustands der Produktion abzuleiten, um dieses wiederum in übergeordnete Ebenen zu kommunizieren und datenbasierte Entscheidungen treffen zu können. Primäres Ziel des Systems muss daher die Transparenzsteigerung sein, die sich über die Prozessebenen erstreckt.

 


Bild 1: Medienbruchdurchzogener Informationsfluss während der Produktentstehungsphasen.

Lösungsansatz

Zunächst bedarf es einer Prozessanalyse, auf deren Grundlage die Definition strategischer Datenerfassungspunkte erfolgt. Es gilt, den Prozess datentechnisch vollumfänglich zu erfassen. Nur so sind fundierte Aussagen über den aktuellen Zustand möglich. Auf Basis eines geeigneten Auto-Identifikationssystems (Auto-ID-System) wird die Datengenerierung während des eigentlichen Wertschöpfungsprozesses beschleunigt. Zur Speicherung von Informationen werden 2D-Barcodes eingesetzt, die sich besonders für das direct part marking (DPM) und den Einsatz in rauen Umgebungen eignen [9, 10]. Die Abdeckung der nicht erfassten Zustände zwischen den Start- und Endzeitpunkten der Bearbeitungsprozesse sind mit einer echtzeitfähigen Ortungstechnologie zu erreichen, wobei sich hier ein Ultrabreitband-System (engl. Ultra-wideband UWB) empfiehlt.
Basierend auf den erfassten Daten wird ein erster Ansatz eines digitalen Abbilds abstrahiert. Es wird eine gemeinsame echtzeitfähige Datenbasis generiert, auf die mehrere Produktionsbereiche Zugriff haben [11]. Entscheidungen sind daraufhin datenbasiert und ein Ist-Modell der Produktion wird gebildet [12]. Ein Datenerfassungssystem, das simultan für die Informationsbereitstellung eingesetzt wird, bildet die Grundlage für die Generierung des erforderlichen Informationsflusses.
 

Datengenerierung und -bereitstellung während der laufenden Produktion

Ein System, das die erforderlichen Daten generiert, muss an der vorliegenden Prozesskette ausgerichtet werden. Strategisch geeignete Punkte sind Arbeitsstationen in dem schiffbaulichen Anwendungsfall, an denen maßgebliche Wertschöpfungsprozesse bzw. für die Prozesssteuerung relevante Schritte durchgeführt werden. Neben der reinen Datenerzeugung muss die Datenbereitstellung ebenfalls Berücksichtigung finden. Eine Parallelisierung der Produktionsprozesse bedeutet eine prozessbegleitende Konstruktionsphase. Anpassungen bzw. vervollständigte Konstruktionsdaten müssen in der Fertigung bereitgestellt werden. Durch die angestrebte Digitalisierung des Informationsflusses besteht die Möglichkeit der echtzeitfähigen Darstellung der Stammdaten über installierte Erfassungsterminals [13]. Die Bereitstellung der für den Werkenden relevanten Daten basiert auf der Identifikation des jeweiligen Bauteils. Zur Identifikation dient zum einen ein auf Barcodes ausgelegtes Auto-ID-System und zum anderen ein echtzeitfähiges Ortungssystem.

Es empfiehlt sich die Verwendung von 2D-Codes, die direkt in das Material eingebracht werden. Vorteilhaft ist die Vermeidung der Aufbringung von Labels oder für Radio-Frequency-Identification (RFID) benötigte Tags, die sich während der Bearbeitung ablösen können. Aufgrund von eingebrachten Redundanzen können trotz einer Beschädigung von 25 % die Codes gelesen werden [14]. Für das Lesen der Codes mithilfe des DPM werden spezielle Lesegeräte benötigt. Diese sind kostenintensiver als bei einer Verwendung von 1D-Codes bzw. aufgebrachter Label. Jedoch reichen sie nicht an die Kosten eines RFID-Systems heran [10]. An Stationen, die eine Bewegungsfreiheit der Werkenden voraussetzen, werden kabellose Endgeräte eingesetzt. Örtlich begrenzte Arbeitsräume ermöglichen die Installation kostengünstigerer, kabelgebundener Scanner. Die jeweilige Verarbeitung der Daten erfolgt über die an den Stationen installierten BDE-Terminals, über die gleichzeitig die Informationsbereitstellung realisiert wird. Zu den erfassten Daten zählen der gescannte Auftrag durch die Teileidentifikation sowie der Start- und Endzeitpunkt des jeweiligen Prozesses. Hinzukommt die potenzielle Meldung von eintretenden Störungen, wodurch papiergebundene Fehlermeldungen vermieden werden, die potenzielle Verspätungen in der Verarbeitung mit sich bringen [13].

Nach der Bearbeitung einzelner Bauteile findet eine Kommissionierung dieser in verfahrbaren Ladungsträgern statt. Über die digitale Verknüpfung der Bauteile mit dem jeweiligen Ladungsträger und der Speicherung in einer Datenbank wird im Anschluss lediglich dieser identifiziert und/oder geortet. Diese Art der weiteren Datengenerierung bzw. des Informationsabrufs ist hinreichend genau, da die Einzelkomponenten zu einer Gesamtisometrie zu
sammengeführt werden. Zur Ortung wird ein UWB-System eingesetzt, das mithilfe an den Ladungsträgern angebrachter Tags eine echtzeitfähige Lokalisierung ermöglicht. Ferner wird ein Scan des Codes überflüssig, indem virtuelle Räume genutzt werden, um Ereignisse auszulösen. Start- und Endzeitpunkt der Bearbeitung sind mit dem Ein- und Austritt des Ladungsträgers an den Arbeitsstationen verknüpft. Der Informationsabruf erfolgt ebenfalls durch den Eintritt des digitalen Raums an dem jeweiligen BDE-Terminal. Durch die flächendeckende Ortung entfallen zudem Suchprozesse an den Pufferstationen. Weiterhin wird das System zur Datenerfassung zwischen den einzelnen Single Points verwendet, wodurch Aussagen über Stehzeiten und Fahrwege der Ladungsträger getroffen werden.

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