Innovationsverbund Synus: Methoden und Werkzeuge für die synergetische Konzipierung und Bewertung von Industrie 4.0-Lösungen

Fragestellung und Motivation

Die zielgerichtete Digitalisierung der Wertschöpfungskette gilt als wesentliche Voraussetzung für die Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft deutscher Industrieunternehmen. Vereinfacht wird hierunter die Erfassung, Verarbeitung und Bereitstellung von Informationen zur Vernetzung von Menschen, Maschinen und Objekten in einem Echtzeitsystem verstanden. Durch die Erfassung, Analyse und zielgerichtete Nutzung dieser Informationen wird die Planung, Entwicklung und Steuerung von Produkten und Prozessen entlang der gesamten Wertschöpfungskette verbessert. Grundlage hierfür sind Industrie 4.0-Lösungen, die in verschiedenen Unternehmensbereichen implementiert und angewendet werden. Trotz der vielfältigen Potentiale dieser I4.0-Lösungen sind insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) bisher zurückhaltend bei der Einführung und Nutzung digitaler Technologien. Dies lässt sich auf folgende Hürden zurückführen:

  • mangelnde Kenntnis über verfügbare I4.0-Lösungen an sich, als auch über die durch spezifische Lösungen beeinflussten Unternehmensbereiche wie Produktentwicklung, Vertrieb und Produktion
  • hohe Erstinvestitionen und unbekannte Folgekosten (z.B. für den Betrieb, die Instanthaltung oder notwendige Weiterbildung von Mitarbeitern)
  • unzureichende Abschätzbarkeit der positiven und negativen Auswirkungen, die sich aus der Einführung einer spezifischen I4.0-Lösung für das eigene Unternehmen ergeben

Als Grundlage für die zielgerichtete Einführung von I4.0-Lösungen in die Wertschöpfungsprozesse von KMU sind daher Methoden und Werkzeuge erforderlich, um Veränderungen von Informations-, Energie- und Materialflüssen in den unterschiedlichen Unternehmensbereichen aufgezeigen und bewerten zu können. Nur durch die umfassende Analyse der unternehmensspezifischen Vorteile und Herausforderungen können die Risiken der Einführung von I4.0-Lösungen abgeschätzt und belastbare Investitionsentscheidungen getroffen werden.

Vorgehensweise und Projektziel

Der Innovationsverbund Synus wird in Zusammenarbeit der TU BraunschweigTU Clausthal und Ostfalia HaW und mit Beteiligung verschiedener Industrie- und Transferpartner aus der Region Braunschweig und Göttingen durchgeführt. Ziel des Innovationsverbundes ist es, die durch I4.0-Lösungen veränderten Informations-, Material- und Energieflüsse innerhalb von Unternehmen bereichsübergreifend abzubilden. Hierdurch sollen Potentiale, aber auch Hemmnisse, durch die Implementierung von I4.0-Lösungen ermittelt und Investitionsentscheidungen abgesichert werden. Zur Erreichung dieser Zielsetzungen werden Modellierungs-, Simulations- und Bewertungsmethoden und Werkzeuge die integrierte Konzipierung und Beurteilung von I4.0-Lösungen erforscht, prototypisch ausgearbeitet und praktisch angewendet. Folgende Teilziele stehen hierbei im Fokus:

  • Identifikation und Charakterisierung von bestehenden I4.0-Lösungen für die Unternehmensbereiche Produktentwicklung, Produktionsplanung und Produktion
  • Erarbeitung eines Potentialmodells, welches Unternehmen einen Überblick der Wechselwirkungen zwischen spezifischen I4.0-Lösungen, sowie deren verschiedene Wirkungsfelder und Zielkriterien (quantitative und qualitative) bietet.
  • Konzeption einer multiskalaren Modellierungsmethodik und Erarbeitung einer Modellbibliothek, um unternehmensspezifische Informations-, Material und Energieflüsse auf verschiedenen Ebenen (z.B. physikalische Ebene, Informationssystem und eingebettete Systeme) abbilden zu können.
  • Entwicklung einer Simulationsplattform für Produktionssysteme, die auf die zuvor erstellte Modellbibliothek zugreift und durch die Quantifizierung von Informations-, Material und Energieflüssen die Grundlage für eine quantitative Beurteilung der Potentiale spezifischer I4.0-Lösungen schafft.
  • Entwicklung einer Bewertungsmethodik zur Beurteilung der durch I4.0-Lösungen erzielbaren Mehrwerte unter Zuhilfenahme der quantitativen Simulationsergebnisse, qualitative Kriterien auf den Ebenen Produktentwicklung, Produktionsplanung und Produktion sowie bestehender Unsicherheiten (z.B. Robustheit oder Verfügbarkeit von Technologien)

Als Ergebnisse stehen ein multiskalares Werkzeugset sowie ein umfassender Leitfaden für die Modellierung, Simulation und Bewertung von I4.0-Lösungen zur Verfügung. Mithilfe dieses Werkzeugsets sollen Potentiale und Aufwände der Nutzung von spezifischen I4.0-Lösungen aus den Perspektiven Produktentwicklung, Produktionsplanung und Produktion aufgezeigt und anhand quantitativer und qualitativer Kriterien beurteilt werden können. Die Konzipierung und Anwendung des Werkzeugsets im Rahmen von Fallstudien soll für Industrieunternehmen nutzbare Simulations- und Bewertungswerkzeuge hervorbringen. Diese versetzen KMU mittelfristig in die Lage ausgehend von der bestehenden Infrastruktur, organisatorischen Rahmenbedingungen und strategischen Planung die unternehmensspezifischen Potentiale von I4.0-Lösungen beurteilen zu können. 

Ziele und Vorgehensweise der Teilprojekte

Zielstellung: 
Mithilfe der Automatisierungspyramide ist in den letzten Jahren erfolgreich die Brücke zwischen technischen Prozessen und den darüber befindlichen unternehmerischen Geschäftsprozessen geschlagen worden. Sie umfasst dabei alle notwendigen Funktionen der Automatisierungstechnik und teilt diese in vier Schichten ein. Das Teilprojekt der TU Clausthal zielt darauf ab, ein Konzept für modulare I4.0-Modelle zu erforschen, welches die unterschiedlichen Schichten der Automatiaisierungspyramide verknüpft und einen modularen Aufbau von Produktionsmodellen ermöglicht. Im Vordergrund steht hierbei die IT-Architektur zwischen den einzelnen Ebenen der Automatisierungstechnik. 

Vorgehensweise: 
Um zu einer aussagekräftigen Beurteilung der Potenziale von I4.0-lösungen zu gelangen, ist die Quantifizierung von Informations-, Material- und Energieflüssen auf der Ebene der Produktion unerlässlich. Um dies mit einem für KMUs vertretbaren Aufwand zu ermöglichen, wird innerhalb des Teilprojektes der TU Clausthal eine ausführbare Simulationsplattform entworfen. Sie erlaubt das Zusammenstellen und die integrierte Simulation modularer Modelle aus der Modellbibliothek in einem Produktionsmodell. Hierdurch wird das virtuelle Gegenüberstellen des Ist-Zustands mit verschiedenen I4.0-Zuständen im Kontext der bereits vorhandenen Systemlandschaft möglich.