Wiki-Prototyp optimiert die Echtzeit-Wartung von Produktionsanlagen
Prof. Dr.-Ing. Jörg Böttcher, Professor für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik an der Universität der Bundeswehr München
Während die Steuerungs- und Regelungstechnik größerer Produktionsanlagen heute einen hohen Grad an Automatisierung und Echtzeit-Vernetzung aufweist, sind die zugehörigen Wartungsprozesse in der Mehrzahl noch durch manuell geprägte Melde- und Informationswege charakterisiert. Weiterhin werden Wartungsprozesse heute weitestgehend isoliert bearbeitet, ohne beispielsweise aus einer den Einzelprozess übergreifenden Auswertung früherer Wartungsszenarien Wissen für zukünftige effektivere Wartungsmaßnahmen zu erlangen.
Hier setzt das Verbundforschungsvorhaben Wikiprod an, das von der Universität der Bundeswehr München seit Herbst 2015 mit einer Laufzeit von 24 Monaten bearbeitet wird zusammen mit vier Unternehmen: der b-plus GmbH (Deggendorf), der Hallo Welt! – Medienwerkstatt GmbH (Regensburg), der Jelba GmbH & Co. KG (Hauzenberg) und der Pilkington Deutschland AG (Werk Weiherhammer). Das Vorhaben wird seitens des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie im Förderprogramm Informations- und Kommunikationstechnik Bayern mit 403 TEUR gefördert. Die Gesamtkosten aller Partner wurden mit knapp 1,3 Mio. EUR geplant.
Ein ganzheitlicher Ansatz
Das im Projekt prototypisch zu entwickelnde Wikiprod-System bietet eine automatisierte technische Lösung für das beschriebene Problemfeld, das einer nachhaltigen Produktivitätssteigerung von Wartungsprozessen entgegensteht. Ziel ist es, ganzheitlich das komplette Wartungsmanagement einer Produktionsanlage durch ein selbstlernendes verteiltes Wissensmanagement-System zu realisieren. Das Wikiprod-System integriert dabei einerseits von den Maschinen erfasste Prozessdaten und Prozessinformationen, andererseits aber auch vom Bedien- und Wartungspersonal getätigte Kommentare, Hinweise und Wartungs-Reports. Insbesondere werden auch visuelle und akustische Informationen – beispielsweise kurze vom Bediener vor Ort an der Maschine eingespielte und mit Sprache hinterlegte Video-Streams, die bestimmte Maschinenfehler erläutern – verarbeitet und bis zu einem gewissen Grad durch entsprechende Algorithmik automatisch ausgewertet.
Wikiprod integriert damit insbesondere auch wesentliche Aspekte zukünftiger „Industrie 4.0“-kompatibler Produktionsumgebungen. Aufgrund der produktionsweiten Vernetzung liegt ein besonderer Schwerpunkt in der durchgängigen Integration fortgeschrittener Sicherheitsmechanismen, so dass Wikiprod selbst sowie die damit verknüpften Anlagenteile effizient gegen unbefugte Eingriffe und Datenmissbrauch geschützt sind. Durch die starke Einbeziehung der in der Produktion tätigen Menschen in das System – insbesondere was deren aktiv geförderte Einbringung von individuellem Wissen und praktischer Erfahrung betrifft – wird auch ein starker sozialer Effekt im Sinne einer höheren Mitarbeitermotivation erzielt.
Datenfusion und Wiki-Techologien
Im konkreten Wartungsfall vernetzt Wikiprod auf Nutzungsebene und in Echtzeit Maschinen bzw. Anlagenkomponenten mit dem Menschen und erlaubt eine effiziente Reaktion und Wartung. Durch neu zu findende komplexe Algorithmen unter anderem aus den Bereichen semantische Datenauswertung und Datenfusion generiert das Wikiprod-System kontinuierlich neues Wartungs-Wissen, indem es das aus sämtlichen bisherigen Wartungs-Szenarien archivierte Datenmaterial laufend neu bewertet und eine Art Wartungs-Regelwerk kontinuierlich fortschreibt.
Wikiprod baut von der Nutzer-Schnittstelle her auf aktuellen Wiki-Technologien auf, seine Funktion basiert jedoch wesentlich auf der Implementierung obiger komplexer Datenauswertungs- und Mensch-Maschine-Vernetzungs-Algorithmen. Auch wenn der Schwerpunkt der Projektarbeiten in der Konzeption und Implementierung von verteilter Software liegt, so residieren die wesentlichen Systemfunktionen in darauf abgestimmten speziellen Hardware-Komponenten, welche im Projekt prototypisch entwickelt werden sollen.
Verteiltes Wissensmanagement-System übernimmt Prozesssteuerung
Bei Wikiprod ist jeder Maschine innerhalb eines Produktionsbereichs eine Wikiprod-Box zugeordnet, die zunächst mit der Maschinen-Steuerung Prozessdaten und Meldungen austauschen kann (siehe Bild 1). Zusätzlich ist insbesondere bei komplexeren Maschinen meist ein so genannter Wikiprod-Interactive Handler installiert, der dem an der Maschine arbeitenden Wartungspersonal interaktive Unterstützung im Wartungsfall bietet. Hierzu verfügt er unter anderem über eine Kamera, einen aussteuerbaren Lichtzeiger, eine Mikrofon-/Lautsprecherkombination und ein kompaktes Vor-Ort-Touch-Display.
Über ein speziell adaptiertes, sicheres Wikiprod-WLAN sind die Wikiprod-Boxen zu einem Gesamtsystem vernetzt (Bild 2). Wartungspersonal kann sich über dieses System auch von einem beliebigen anderen Standort aus – sowohl innerhalb des Produktionsbereiches als auch über das Internet aus der Ferne – virtuell „vor“ eine Maschine begeben, in dem es sich über konventionelle Client-Geräte wie z.B. ein Smartphone einloggt.
Das komplette Wartungs-bezogene Wissen wird primär in den der jeweiligen Maschine zugeordneten Wikiprod-Boxen gespeichert, so dass es sich bei Wikiprod originär um ein verteiltes Wissensmanagement-System handelt. Beim Zugriff auf dieses Wissen werden zwischen den Wikiprod-Boxen semantische Querverknüpfungen dynamisch durchgeführt, so dass an einem beliebigen Standort – entsprechende Nutzerrechte vorausgesetzt – immer das gesamte Wissen im System zur Verfügung steht. Optional ist dennoch ein zentraler Wikiprod-Server anschaltbar, der beispielsweise im Sinne einer globalen Datenfusion das Wissen über den gesamten Wartungsprozess zusammenfasst und der über eine bidirektionale Datenschnittstelle zu einem Produktionsleitsystem verfügt, das den Produktionsbereich steuert.
Intelligente Wartungssoftware vor Ort
Neben weiteren Softwarekomponenten im Wikiprod-Interactive Handler sowie im Wikiprod-Server ist vor allem die in der Wikiprod-Box zu implementierende Software für die Systemfunktionalität zuständig. Wesentliche technologisch-innovative Merkmale hierbei sind:
- verteiltes Maschinen-bezogenes Wissensmanagement-System für den Einsatz in der Produktion
- Anwendung von Wiki-basierten Verfahren im Produktionsumfeld
- komplexe semantische Auswertungen und Verknüpfungen lokal an der einzelnen Maschine wie auch global im gesamten Wikiprod-System
- durchgehende Sicherheitsarchitektur zum Schutz des in Wikiprod abgebildeten Wissens
- flexible Vernetzung über speziell adaptiertes Wikiprod-WLAN
Bild 3 zeigt die vorgesehene grobe Software-Architektur.
Vom Forschungsprojekt zur Produktentwicklung
Die im Forschungsprojekt wirkenden Verbundpartner sind in ihren technologischen Teilbereichen jeweils fachlich überaus erfahren und ergänzen sich zu einem schlagkräftigen Team. Ihre Arbeitsteilung im Projekt sieht folgendermaßen aus:
- Seitens der Universität der Bundeswehr München wirkt die Professur für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik der Fakultät für Elektrotechnik und Technische Informatik (Prof. Dr.-Ing. Jörg Böttcher) federführend im Projekt. Die Universität ist für die interaktive Schnittstelle und den prototypischen Aufbau des Wikiprod-Interactive Handler verantwortlich. Dazu gehört insbesondere auch eine wissenschaftliche Analyse typischer wartungsbezogener Interaktionsprozesse zwischen Mensch und Maschinenwelt in heutigen Produktionen.
- b-plus hat als Produkt- und Systemanbieter für intelligente Industrie- und Automotive-Elektronik langjährige Erfahrungen unter anderem in der Entwicklung von Embedded Systems insbesondere für robuste Einsätze im industriellen Bereich sowie für PKWs und Nutzfahrzeuge. b-plus ist im Projekt primär für die Konzeption und prototypische Entwicklung der Wikiprod-Box zuständig. Dies umfasst eine grundlegende Analyse der seitens der zu erwartenden Software-Komplexität benötigten Rechen-Performance sowie die Implementierung einer hierzu passenden Embedded-Plattform.
- Hallo Welt! ist Vorreiter in der Einführung von Wiki-Technologien zur dynamischen Organisation von Unternehmens-Know-how und zur IT-basierten Unterstützung von Kollaborationsprozessen. Hallo Welt! ist zunächst verantwortlich für den kompletten Entwurf und die prototypische Implementierung der Maschinen-unabhängigen Wikiprod-Software-Module für die Wikiprod-Box. Außerdem gehört zu den Arbeiten die Entwicklung einer Client-App sowie die Implementierung der Wikiprod-Serverfunktionalität inklusive einer Server-Anbindung an ein Produktionsleitsystem.
- Als Sondermaschinenbauer und Fertigungsdienstleister konzipiert, entwickelt und fertigt Jelba u.a. Spezialmaschinen für die Integration in Produktionsanlagen. Bei Wikiprod ist Jelba im Wesentlichen für die Maschinen-nahen Wikiprod-Software-Module der Wikiprod-Box zuständig und bringt hierbei praxisrelevante Erfahrungen im Maschinendaten-Handling und zum Benutzerprofil-Management ein.
- Pilkington betreibt im Werk Weiherhammer eines der größten deutschen Flachglaswerke mit einer Tagesproduktion von ca. 1.600 Tonnen und stellt für Wikiprod mit einer Teilfläche ihrer Produktion eine entsprechende „Experimental“-Umgebung mit unterschiedlichsten Maschinenarten und Wartungsteams aus unterschiedlichen Fachgebieten zur Verfügung. Dazu analysiert Pilkington auch die vielfältigen in der eigenen Produktion an Maschinen anfallenden Wartungssequenzen und definiert in Abstrahierung daraus ein möglichst universelles Wartungsprozess-Modell.
Zunächst sieht sich Wikiprod als Forschungsprojekt, das die Grundlagen für ein zukünftiges Wissensmanagement-System für die produktivere Echtzeit-Wartung von Produktionsanlagen schaffen möchte. Die Verbundpartner wollen jedoch im Falle eines positiven Projektergebnisses unmittelbar nach Projekteende die Serienentwicklung eines solchen Systems „aufsetzen“ und in den Markt einführen.
Prof. Dr.-Ing. Jörg Böttcher führt im Rahmen seiner Professur laufend industrielle Kooperationsvorhaben bevorzugt mit mittelständischen Unternehmen durch. Hierunter fallen technische Studien wie auch Forschungs- und Entwicklungsprojekte. Parallel zu seiner Professur gründete er ein im Bereich der industriellen Mess- und Kommunikationstechnik aktives Ingenieurunternehmen, das er zehn Jahre lang als Geschäftsführer führte. Zuvor war er mehrere Jahre als Entwicklungsingenieur und Produktmanager in einem Unternehmen der Mess- und Automatisierungstechnik tätig
Referenzen
[1] Webseiten der beteiligten Projektpartner: www.b-plus.com, www.hallo-welt.biz, www.jelba.de, www.pilkington.com
