Modularisiertes und standardisiertes Vorgehen in der Auslegung von Montageanlagen hinsichtlich der Maschinendatennutzung auf Basis des digitalen Zwillings

Abstract

Die Automobilindustrie steht vor großen Herausforderungen. Eine steigende Anzahl Wettbewerber in einem sich wandelnden Markt hin zu alternativen Antriebskonzepten üben einen Kostendruck auf etablierte Automobilkonzerne aus. Damit einhergehend wächst die Produktpalette, um den wachsenden Kundenanforderungen gerecht zu werden. Die Produktion steht vor der Aufgabe Kosten zu reduzieren und gleichzeitig in neue Produktionsanlagen und -prozesse zu investieren, um eine steigende Variantenvielfalt und neue Antriebstechnologien abdecken zu können. Diesen gegenläufigen Anforderungen wird mit einer steigenden Automatisierung, flexiblen Strukturen und anpassungsfähigen Produktionsanlagen begegnet. Aufgrund dieser Veränderungen steigt sowohl die Menge an erzeugten Daten als auch die Anzahl an Anwendungsfällen, die eine strukturierte Datenbasis benötigen. Mit diesem Handlungsfeld befasst sich die Industrie 4.0. Physische Anlagen und alle die Anlage betreffenden Daten, sowohl statische als auch dynamische Daten, müssen strukturiert und zugänglich gemacht werden. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Frage inwieweit Datenstruktur, -ablage und -zugang in der Theorie und in der Praxis berücksichtigt und umgesetzt werden. Dafür wird eine Literaturrecherche zu bestehenden Normen und Referenzarchitekturen durchgeführt und ein Defizit in der aktuellen theoretischen Landschaft von Datenstandards aufgezeigt. Außerdem werden aktuelle Datenstandards in der automobilen Montage untersucht. Auch hier weist der Umgang mit Anlagendokumentationen, Wartungsplänen, Laufzeitdaten und weiteren Datenarten ein Defizit auf. Eine mögliche Lösung auf die Defizite zu reagieren ist die Nutzung eines neuen Industrie 4.0 Ansatzes, der Verwaltungsschale. Diese soll als Umsetzung des digitalen Zwillings die Produktionsanlage virtuell repräsentieren und den Anwendungsfällen Zugang zu benötigten Daten ermöglichen. In einem zweiten Teil der Arbeit wird die Verwaltungsschale im Detail untersucht und aktuelle Ansätze zur Implementierung und Umsetzung in der Industrie analysiert. Da kein Ansatz die spezifischen Anforderungen einer automobilen Montage abdeckt, wird eine neue Methodik vorgestellt, um eine Verwaltungsschalenstruktur in der Montage umzusetzen. Dabei wird die Verwaltungsschale mit einem weiteren Konzept kombiniert, um neben der Anlage auch das Produkt und den Prozess datenseitig abzudecken. Abschließend wird die Methodik prototypisch anhand einer Pilotanlage angewendet und kritisch bewertet.

The automotive industry is facing major challenges. An increasing number of competitors in a changing market towards alternative drive concepts are exerting cost pressure on established automotive groups. At the same time, the product range is growing in order to meet increasing customer requirements. Production is faced with the task of reducing costs and at the same time investing in new production facilities and processes in order to be able to cover an increasing number of variants and new drive technologies. These conflicting requirements are being met with increasing automation, flexible structures and adaptable production systems. As a result of these changes, both the amount of data generated and the amount of use cases that require a structured database are increasing. Industry 4.0 deals with this field of action. Physical plants and all data relating to the plant, both static and dynamic data, must be structured and made accessible. The first part of this thesis deals with the question of the extent to which data structure, storage and access are considered and implemented in theory and in practice. To this end, a literature review of existing standards and reference architectures is carried out and a deficit in the current theoretical landscape of data standards is identified. Current data standards in automotive assembly are also examined. Here, too, the handling of plant documentation, maintenance schedules, runtime data and other types of data shows a deficit. One possible solution to the deficits is the use of a new Industry 4.0 approach, the asset administration shell. As an implementation of the digital twin, this should virtually represent the production plant and give the use cases access to the required data. In a second part of the thesis, the asset administration shell is examined in detail and current approaches to implementation and realization in the industry are analyzed. Since no approach covers the specific requirements of automotive assembly, a new methodology is presented for implementing an asset administration shell structure in assembly. The asset administration shell is combined with another concept in order to cover not only the plant but also the product and the process on the data side. Finally, the methodology is applied prototypically using a pilot plant and critically evaluated.