Bosch kombiniert Industrie 4.0 mit dem IIRA-Modell

Standards für die vernetzte Industrie

Gemeinsam mit Partnern führt Bosch die technischen Standards der deutschen Plattform „Industrie 4.0“ und des „Industrial Internet Consortiums“ IIC zusammen. „Industrie 4.0 ist ein internationales Thema“, begründete Geschäftsführer Dr. Werner Struth auf der Bosch-Konferenz „Connected World“ diesen Schritt. Ihren vollen Nutzen könne die Digitalisierung nur entfalten, wenn sie weder am Werkstor noch an nationalen Grenzen gestoppt werde.

  • Bosch-Wissenschaftler Dr. Lothar Baum arbeitet an Verfahren, um aus großen Datenmengen nützliche Informationen zu ziehen

  • Dr. Werner Struth, in der Bosch-Geschäftsführung auch für den Bereich „Industrial Technology“ und für das Produktionssystem verantwortlich

  • Im Bosch-Werk in Stuttgart-Feuerbach arbeitet ein Mitarbeiter mit einem automatischen Fertigungsassistenten (APAS) zusammen. Der Roboterarm ist mit einer Sensorhaut überzogen, die einen sich nähernden Menschen erkennt.

  • In Stuttgart-Feuerbach analysieren Mitarbeiter in der Fertigung Daten aus der laufenden Produktion mithilfe des Active Cockpit. Es vereint zahlreiche Informationen in Echtzeit. Dies trägt dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit zu stärken.

  • Bosch-Chef Dr. Volkmar Denner: „Die IoT-Cloud ist das letzte Puzzleteil in unserer Softwarekompetenz.“

Angestrebt ist eine Kombination des deutschen Referenzarchitekturmodells RAMI4.0 mit der von den amerikanischen IT-Konzernen geprägten „Industrial Internet Reference Architecture“ (IIRA), denn bislang erschwert die fehlende „gemeinsame Sprache“ die internationale Vernetzung von Fertigung, Logistik, Gebäude- und Energiemanagement.

Industrie 4.0 über Landesgrenzen hinweg

„Auf dem Weg hin zur vernetzten Industrie kommen jetzt zwei Welten zusammen“, sieht Struth darin einen wesentlichen Fortschritt. „Durch die Kombination beider Standards ergeben sich zahlreiche neue Geschäftsmöglichkeiten mit Industrie 4.0-Lösungen über Landesgrenzen hinweg sowohl für Bosch als auch für andere internationale Unternehmen.“ Deshalb engagiert sich Bosch – wie auch SAP und andere deutsche Unternehmen – ebenfalls im IIC und bei IIRA.

Auf dem von Bosch organisierten Branchentreffen in Berlin wurde das Projekt vorgestellt, in dem die beiden Referenzarchitekturen RAMI4.0 und IIRA erstmals zusammengeführt werden. Im Bosch-Werk Homburg wird die Fertigung von Hydraulikventilen mit Hilfe von nun kombinierbaren Vernetzungslösungen so gesteuert und optimiert, dass der besonders teure Spitzenstromverbrauch vermieden wird.

Denn laufen alle energieintensiven Maschinen gleichzeitig, entsteht in Spitzenzeiten ein sehr hoher Stromverbrauch. Die Stromkosten steigen und verteuern die Produktion der Hydraulikventile. Durch die softwarebasierte, möglichst vorausschauende Steuerung der Produktion und damit des Stromverbrauchs können der Energiebedarf optimiert und Spitzenlasten um bis zu zehn Prozent gesenkt werden. Möglich wird diese Einsparung durch das Zusammenspiel der RAMI4.0-basierten Produktionsanlage mit dem IIC-basierten Energiemanagement.

Den Stromverbrauch der Fabrik senken

Am Homburger Projekt sind auch SAP, Dassault Systèmes und Tata Consultancy Services (TCS) beteiligt. Bosch erfasst kontinuierlich Daten aller Maschinen des Werkes und generiert so Informationen über den Stromverbrauch bei der Produktion der Hydraulikventile für Landmaschinen. Der 3D-Experte Dassault liefert ein multidimensionales Abbild aller Maschinen und Funktionen im Werk, darunter auch starke Stromverbraucher wie große Werkzeugmaschinen oder Hydraulik-Prüfstände.

So entsteht ein digitaler Zwilling des Werks, in dem sowohl Produktionsprozesse als auch Stromverbräuche visualisiert sind. In der SAP-Datenbank werden alle Daten gespeichert und in Echtzeit ausgewertet. Bosch steuert dann auch Software für das Energiemanagement bei, während TCS an der Integration aller Systeme arbeitet.

Die Ankopplung des IIRA-basierten Energiemanagements an die Produktionsanlage erfolgt mittels RAMI4.0; der softwarebasierte Datenaustausch zwischen Produktionsanlage und Energiemanagement ist möglich, da die Standards von RAMI und IIRA jetzt aufeinander abgestimmt und kompatibel sind.

Zwei Ansätze, ein Ziel

Die Plattform Industrie 4.0 vereint Unternehmen, Politik und Wissenschaft beim Umsetzen der vernetzten Fertigung in Deutschland, während das international aufgestellte IIC einen breiteren Ansatz verfolgt, der sich über die industrielle Produktion und den Maschinen- und Anlagenbau hinaus auf das Internet der Dinge im weiteren Sinne erstreckt. Soll  Industrie 4.0 die technischen Rahmenbedingungen für die vernetzte Fertigung schaffen, fokussiert das IIC auf die branchenübergreifende Vernetzung im Internet der Dinge, beispielsweise Energie und Gebäudemanagement. Weltweit hat Bosch insgesamt bereits mehr als 100 solcher Digitalisierungs-Projekte umgesetzt. Hier eine Auswahl:

Eine Fertigungslinie, 200 verschiedene Hydraulikmodule

Auf einer Multiproduktlinie in Homburg kann Bosch aus 2.000 verschiedenen Komponenten, die dank Vernetzung rechtzeitig und automatisch geordert werden, 200 verschiedene Hydraulikmodule herstellen. Die Module steuern die Arbeits- und Fahrhydraulik in Lkw oder Traktoren, etwa um Ladeflächen zu kippen oder den Pflug zu heben.

Die neun Stationen der Multiproduktlinie sind intelligent miteinander vernetzt. Über einen RFID-Chip am Werkstück erkennen sie, wie das fertige Produkt zusammengestellt sein muss und welche Arbeitsschritte dafür notwendig sind. Das ermöglicht die effiziente Produktion auch in geringen Stückzahlen. Diese Flexibilität ist nötig, weil einige Module häufiger, andere seltener nachgefragt werden (Details).

Mehr Produktivität bei ABS/ESP-Bremssystemen

Durch den Einsatz von Industrie 4.0-Lösungen stieg die Produktivität bei der Fertigung von ABS/ESP-Bremssystemen im internationalen Fertigungsverbund von Bosch innerhalb von einem Jahr um fast ein Viertel. Eine der Grundlagen der Produktivitätssteigerung: Bosch sammelt die Daten von Sensoren, die zu Tausenden in den Fertigungsstraßen des Werks verbaut sind.

Sensoren erfassen die Bewegung von Zylindern, Taktzeiten von Greifern sowie Temperaturen und Drücke im Fertigungsprozess. Alle diese Informationen gelangen strukturiert in große Datenbanken. Auch der interne Warenfluss wird dank RFID-Funktechnik digital abgebildet. Das Ergebnis: Im Rechner entsteht auch hier ein virtuelles Abbild der realen Fabrik, der „digitale Zwilling“. Diese digitale Abbildung ermöglicht Transparenz über den gesamten Wertstrom.

Eine andere Lösung kommt in der Wartung des Maschinenparks zum Einsatz: Hier erkennt Software Abweichungen vom Sollzustand der Leistung von Maschinen und Anlagen und gibt rechtzeitig Hinweise darauf, dass eine Wartung erforderlich wird. Bei der Fehlersuche und -behebung unterstützt das System die Mitarbeiter mit Anleitungen zur Reparatur: Auf dem Tablet sind beispielsweise Videos zum Austausch von Teilen abrufbar. Lässt sich ein Fehler nicht auf Anhieb beheben, kann über eine WLAN-Verbindung Videokontakt zu Experten aufgenommen werden, die aus der Ferne helfen.

Data Mining verkürzt Prüfzeit

Die Prüfzeit von Hydraulikventilen im Werk Homburg wurde durch die gezielte Auswertung von Daten aus der Fertigung um 18 Prozent verkürzt. Bei einem Fertigungsvolumen von beispielsweise 40.000 gefertigten Ventilen pro Jahr summieren sich die Einsparungen auf 14 Tage im Jahr. Beim Blick in die Produktionsdaten von 30.000 gefertigten Hydraulikventilen zeigte sich, dass zeitlich später in der Prüfreihenfolge angesiedelte Schritte entfallen konnten, wenn mehrere früher angesiedelte Prüfungen positiv ausfielen.

Das Resultat der späteren Prüfschritte ließ sich zuverlässig aus der Analyse der vorausgehenden vorhersagen. Solche – und zumeist wesentlich komplexeren – Zusammenhänge aufzudecken, spart Zeit und Geld. Bei Millionen Teilen summieren sich selbst wenige Sekunden zu Tagen – und Centbeträge zu mehreren Millionen Euro. Voraussetzung für diese Suche nach neuen Zusammenhängen – das sogenannte „Data Mining“ – ist, dass Daten über lange Zeit im Unternehmen gesammelt und intelligent ausgewertet werden. Bosch tut dies seit vielen Jahren  (Details).

Vorausschauende Wartung der Werkzeugmaschinen

In den Werken in Stuttgart-Feuerbach und im tschechischen Jihlava produziert Bosch auch Hochdruckpumpen für Einspritzsysteme. Während des Herstellungsprozesses der Gehäuse aus Aluminium werden präzise Löcher gebohrt und weitere Teile gefräst. Dafür kommen große Werkzeugmaschinen zum Einsatz, deren motorgetriebene Antriebseinheit als Spindel bezeichnet wird.

Diese wiegen etwa 50 bis 70 Kilogramm und drehen sich mit 30.000 bis 40.000 Umdrehungen pro Minute. Sensoren erfassen Vibrationen während des Betriebs dieser Spindel. Die Daten werden gespeichert und von einer Software ausgewertet.

Erkennt das System, dass sich die Vibrationsintensität über einen bestimmten Schwellenwert hinaus verändert, gibt es ein Signal an den zuständigen Mitarbeiter der Instandhaltung. Der kann dann darüber entscheiden, ob und wann die Spindel ausgetauscht werden muss. So lässt sich das Instandhalten besser planen – die Verfügbarkeit der Maschinen steigt. Dieses beständige Überwachen von Maschinenteilen wird auch als „Condition Monitoring“ bezeichnet, das geplante, vorausschauende Warten als „Predictive Maintenance“.

Ultraschall-Handschuhe für die Qualitätssicherung

Eines der Geschäftsfelder des Werks Reutlingen ist die Elektromobilität. Die Fertigung der dafür nötigen Leistungselektronik besteht aus vielen manuellen Tätigkeiten. Zur Unterstützung der Mitarbeiter wurde ein System eingeführt, das die Handbewegung von Mitarbeitern registriert. Grundlage sind spezielle Handschuhe für die Mitarbeiter.

Die Position der Handschuhe wird mithilfe von Ultraschall erfasst. Auf diese Weise lässt sich erkennen, ob der Mitarbeiter eine Handbewegung korrekt ausgeführt hat und welcher Arbeitsschritt gerade vorgenommen wird. Der aktuelle Arbeitsvorgang wird Schritt für Schritt auf dem Bildschirm angezeigt, bis dieser zu Ende ausgeführt wurde. Dies trägt zur Qualitätssicherung bei.

Transparenz im Warenstrom

In vielen der weltweit mehr als 250 Bosch-Werke sind Kunststoffkisten für den Transport von Teilen und fertigen Produkten mit RFID-Funketiketten ausgestattet. An den Hallentoren stehen entsprechende RFID-Lesegeräte. Fährt ein Transportwagen von einer zur anderen Halle, werden die Etiketten automatisch und berührungslos erfasst.

Auch damit entsteht ein digitales Abbild – diesmal der Warenströme im Werk. Zu jeder Zeit ist somit bekannt, wann Teile voraussichtlich an der Fertigungsstraße ankommen, wann wie viele fertige Produkte verpackt werden müssen, welches Teil sich wo befindet oder wie groß der Lagerbestand ist. Das System weiß zudem, wie viele Verpackungskartons nötig sind und kann diese automatisch nachbestellen. Dank RFID-Einsatz erreichte der Werk Homburg einen Produktivitätsfortschritt in der Intralogistik von zehn Prozent und verringerte die Lagerhaltung in der Produktion um fast ein Drittel.

RFID verkürzt Inventur in China um 97 Prozent

Im Bosch-Werk im chinesischen Suzhou wurde bisher in jedem Jahr ein großer Aufwand betrieben, um das Maschineninventar zu zählen. Im Werk gibt es vier Fertigungsbereiche mit jeweils bis zu 2.500 Maschinen, Prüfständen und Messtechnik. Allein in der ABS-Fertigung hat sich das Zählen manchmal über einen Monat hingezogen. Teilweise wurden Listen ausgedruckt, mit deren Hilfe die Maschinenbestände händisch erfasst wurden.

Dank intelligenter Vernetzung lässt sich die Inventur nun in vier Stunden erledigen. Dafür wurden alle Maschinen und Geräte mit RFID ausgerüstet. Gegenstände lassen sich nun berührungslos erkennen. Jetzt werden RFID-Rollwagen mit einem Laptop und Antennen durch die Fertigung geschoben. Nach und nach erkennen sie die Maschinen und Geräte dank RFID automatisch. So werden 97 Prozent der Zeit für die Inventur gespart, das entspricht 440 Mannstunden.

Transporter mit Schwarmintelligenz

Entwickler im Bosch-Werk Nürnberg haben ein fahrerloses, selbstnavigierendes Transportsystem mit Schwarmintelligenz geschaffen und diesen sogenannten Auto Bod erfolgreich getestet. Der zweirädrige Auto Bod, ergänzt um vier kleine Stützräder, holt das zuvor automatisch bestellte Produktionsmaterial eigenständig am Lagerort ab und transportiert es zur Fertigungslinie.

Das System navigiert mit Hilfe eines Lasersensors auf Basis einer zuvor bei seiner ersten Fahrt aufgezeichneten Karte. Hindernisse werden erkannt und umfahren. Die Information über Hindernisse geben die Auto Bods via WLAN an andere Transportroboter weiter.

Für das Schwarmverhalten werden Informationen über den Standort, den Ladezustand des Elektroantriebs oder den Wartungszustand der verschiedenen Transporter genutzt. So bekommt jener Auto Bod den Auftrag, der dem Abholort der Ware am nächsten ist, gerade keinen Transportauftrag ausführt und ausreichend Batteriekapazität besitzt.

Diese Intelligenz unterscheidet den Auto Bod von fahrerlosen Transportsystemen, die ihre einprogrammierte Route nicht verlassen können. Anders als sie muss für den Auto Bod keine teure Infrastruktur in den Werkhallen installiert werden, Transportaufwand, Flächenbedarf und Bestände deutlich verringern kann.

Die Transportkiste lässt sich überwachen

Während bei der Herstellung die Qualität der Produkte bereits nahezu lückenlos überwacht wird, bleiben die Bedingungen in den übrigen Abschnitten der Lieferkette oft im Dunkeln. Hier setzt Bosch mit seiner Industrie-4.0-Lösung „Tracking and Quality“ (TraQ) an. Mit Hilfe dieser Sensor-Lösung kann die Produktqualität innerhalb der gesamten Lieferkette verfolgt werden kann – bis hin zum Kunden.

Dabei erfassen Sensoren, die in die Transportverpackung oder auch in das Produkt integriert sind, qualitätsrelevante Informationen wie Temperatur, Erschütterung, Licht oder Luftfeuchtigkeit, und senden diese an die Cloud. Die Software-Anwendung in der Cloud gleicht die Messwerte mit den zulässigen Grenzwerten ab. Bei Überschreitung wird eine Warnung ausgelöst, die Kunden, Lieferanten und Dienstleister in Echtzeit informiert.

Zudem liefert der Sensor Positionsdaten, die Auskunft über die voraussichtliche Ankunftszeit geben und somit eine Basis für die Transportsteuerung bilden. Durch zeitnahe Information können bei Problemen schnell Maßnahmen eingeleitet und so Folgekosten, etwa Produktionsausfälle, minimiert werden.

Das letzte Puzzleteil?

Sensoren im Produkt selbst helfen dabei, Schadensursachen besser aufzuklären – während des Transports und gegebenenfalls auch während des Gebrauchs durch den Endanwender. Diese Sensor-Lösung soll voraussichtlich 2017 auf dem Markt kommen. Die internetbasierten Services liefert Bosch aus der eigenen IoT-Cloud; der erste Cloud-Standort wurde jetzt in einem eigenen Rechenzentrum nahe Stuttgart eröffnet.

„Die IoT-Cloud ist das letzte Puzzleteil in unserer Softwarekompetenz“, sagte Bosch-Chef Dr. Volkmar Denner am Mittwoch vor den rund 1.000 Teilnehmern der Konferenz in Berlin. Er positioniert Bosch als weltweit einziges Unternehmen, das auf allen drei Ebenen des „Internets of Things“ aktiv sei. Als Full-Service-Provider biete man die Schlüsseltechnologien wie Sensorik und Software für die Vernetzung an und entwickle gleichzeitig darauf basierend neue Services. Zunächst komme die neue IoT-Cloud für eigene Lösungen zum Einsatz; ab 2017 stehe sie auch anderen Unternehmen als Service zur Verfügung.

Cloud-Standort Deutschland

Denner betonte die bewusste Entscheidung für den Cloud-Standort Deutschland: „Verbraucher wollen wissen, ob ihre Daten geschützt und sicher sind. Wir bieten unseren Kunden daher den jeweils aktuellen Stand der Technik in Sachen Sicherheit an.“ Den rechtlichen Rahmen dafür bildet grundsätzlich der deutsche beziehungsweise europäische Datenschutz. Denner sieht in dem deutschen Standort einen Wettbewerbsvorteil für seine IoT-Cloud.

Softwarekern der IoT Cloud ist die unternehmenseigene IoT-Suite. Sie identifiziert internetfähige Dinge, orchestriert ihren Datenaustausch und ermöglicht durch Big-Data-Management die Analyse großer Datenmengen. Ziel sei es, die Geräte, Anwender und Unternehmen zu vernetzen, so Denner. In der IoT-Suite können auch Regeln für automatisierte Entscheidungen hinterlegt werden – wann zum Beispiel Maschinenzustände Verschleißmuster erkennen lassen, so dass präventiv eine Instandhaltung eingeleitet wird.

Denner betonte, dass die digitale Transformation nicht als Bedrohung wahrgenommen werden dürfe. „Die digitale Transformation und zunehmende Vernetzung sind für uns Riesenchancen.“ Gerade Unternehmen mit einer starken industriellen Basis und ausgeprägter Kompetenz in Hardware könnten sich Perspektiven sowohl für ihre klassischen Bereiche als auch in ganz neuen Feldern erschließen. „Wesentliche Voraussetzung dafür sind eigene Software- und IT-Expertise. Bosch baut diese seit Jahren aus.“

Bildquelle: Bosch

www.bosch.com

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