Digitaler Zwilling vor dem Rollout bei Airbus
Klare Sicht in der Montage
Produktionsplanung und -steuerung lassen sich besser synchronisieren, wenn man die digitalen Modelle von Produkt und Fertigungslinien mit Echtzeitdaten aus dem Shopfloor füttert. Wie das im Flugzeugbau aussehen könnte, demonstriert der Synced Factory Twin bei Airbus. Doch bis das echtzeitfähige digitale Abbild der Fabrik flächendeckend bei der Flugzeugmontage hilft, ist noch einiges zu tun.
Bild: ©2017 www.ralfkopp.bizDer Synced Factory Twin wurde unabhängig von, aber in enger Abstimmung mit den laufenden Forschungsvorhaben am Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) entwickelt. Eines dieser Projekte nennt sich AIR-X und hat die Gestaltung eines IoT-fähigen End-to-End-Daten-Backbones zum Ziel. Da sich Datenströme schwer sichtbar machen lassen, sollte der Demonstrator am Beispiel einer realen Arbeitsstation der Final Assembly Line (FAL) im Flugzeugbau veranschaulichen, wie Shopfloor-Daten in Echtzeit verarbeitet werden können, um daraus Vorhersagen für die Optimierung der Montageabläufe abzuleiten.
Die digitale Transformation muss bei Airbus und anderen Flugzeugherstellern von langer Hand geplant werden. Das hängt mit den strengen Nachweispflichten im Flugzeugbau zusammen und mit dem, was Eckard Gatzmanga, Leiter CAD/DMU Backbone/ICT Develop bei Airbus Operations in Hamburg, das Brownfield nennt: Die gewachsene IT-Landschaft, die von Flugzeugprogramm zu Flugzeugprogramm unterschiedlich ist, und die im Prinzip über den gesamten Lebenszyklus der Baureihe aufrechterhalten werden muss. Und das können 70 Jahre und mehr sein. Zehn Jahre dauert es, ein neues Flugzeug zu entwickeln, das dann mindestens 30 Jahre gebaut wird. Weitere 30 Jahre vergehen, bis die letzte ausgelieferte Maschine ihren Dienst einstellt. Solange müssen die Unterlagen aufbewahrt werden. Zudem berücksichtigt die EASA bei der Zertifizierung der Flugtauglichkeit einer Maschine die IT-Systeme, mit der die Unterlagen erstellt und verwaltet werden. Bei einem Systemwechsel müsste neu zertifiziert werden, was die Kosten für eine neue Lösung in die Höhe trebt. Der Business Case rechne sich nicht, sagt Gatzmanga, weshalb die IT-Landschaft immer nur beim Start eines neuen Programmes umgebaut werden könne. Bei Airbus kommt hinzu, dass bis zum Jahr 2000 jede Landesgesellschaft, kurz Natco, ihre eigene IT-Infrastruktur hatte. Der A350 ist überhaupt das erste Programm mit einer konzernweit einheitlichen PLM-Bebauung, die jetzt als Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung der IT-Infrastruktur mit Blick auf Themen wie Industrie 4.0 dient. Am Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) in Hamburg laufen derzeit 29 Projekte, in denen Airbus zusammen mit Partnern neue Fertigungsmethoden und -prozesse für kommende Programme erforscht. Ihr übergeordnetes Ziel ist es, die laufenden Kosten und die Durchlaufzeiten durch mehr Automatisierung zu reduzieren.
Bild: ASConÜberblick im Shop Floor
Airbus hat ein Problem, von dem andere nur träumen können. Mit fast 6.900 Aufträgen ist die Produktion für die nächsten zehn Jahre ausgelastet, und der Backlog wächst zurzeit schneller als die Zahl der Auslieferungen. "Wir müssen es deshalb schaffen, mehr Flugzeuge in unterschiedlichen Varianten auszuliefern", erläutert Eckart Frankenberger, der als Leiter Industrial Architecture & Manufacturing Strategy für die Optimierung der Fertigungs- und Montageabläufe in den Airbus-Werken verantwortlich ist. Ein gemeinsam von Airbus und dem Softwarehersteller Ascon Systems in einem Prostep ivip-Projekt entwickelter Digital Twin soll dazu einen wichtigen Beitrag leisten, indem der die Trennung zwischen der realen Fabrik und ihrem virtuellen Abbild aufhebt. Das IT-basierte Abbild soll für mehr Transparenz auf dem Shop Floor sorgen, damit die Produktionsverantwortlichen bei Planabweichungen im laufenden Takt ein dynamisches Line Balancing durchführen können. Heute vergeht bei Airbus eine relativ lange Zeit zwischen der Ausführung einer Work Order und ihrer Rückmeldung, wie Frankenberger weiter ausführt. "Wir haben dadurch keine Transparenz über den tatsächlichen Ablauf einer Installationsfolge mit ihren hochkomplexen Teileflüssen, die sich über fünf, sechs Tage hinziehen kann. Bei Schwierigkeiten versuchen wir, durch Governance auf dem Shopfloor Lösungen zu finden. Das Problem ist nur, dass unsere Aircraft Manager 80 Prozent der Zeit damit verbringen, den Zustand zu erfassen und das Problem zu erkennen, und entsprechend wenig Zeit haben, es zu lösen, geschweige denn die Lösung zu überwachen. Unser Kernthema ist deshalb, immer zu wissen, was auf dem Shop Floor los ist." Der Digital Twin von Ascon erreicht diese Transparenz dadurch, dass die Arbeitsfortschritte im Werk über Sensorik erfasst und nachfolgend semantisch aufbereitet werden, ohne dass die Mitarbeiter die einzelnen Arbeitsgänge zurückmelden müssen. Das wäre nämlich viel zu zeitaufwendig und würde bei den relativ autonom operierenden Teams auf wenig Gegenliebe stoßen, da sie genau wissen, was sie zu tun haben. Schließlich werden Single Aisle-Maschinen wie der Airbus A319, A320 und A321 schon seit vielen Jahren in Hamburg gebaut.
Bild: Redaktionsbüro Michael WendenburgAbbildung der Fertigungslogik
Für die sensorgestützte Erfassung der Arbeitsfortschritte gibt es grundsätzlich drei Ansatzpunkte, wie Kilian Grefen, Geschäftsführer der Ascon Systems GmbH erläutert: "Ich kann mir entweder anschauen, ob die Voraussetzungen für die wertschöpfende Tätigkeit gegeben sind, das heißt Material und Werkzeug zum Arbeitsplatz bewegt werden, oder ob sie stattgefunden hat, weil bestimmte Objekte wieder entfernt werden. Drittens kann ich die Wertschöpfung direkt erfassen, zum Beispiel über das Drehmoment am Schrauber." Entscheidend ist, dass nicht jeder Prozessschritt überwacht werden muss, um zuverlässige Aussagen über den Bauzustand des Flugzeugs machen zu können. Bestimmte Arbeitsfortschritte lassen sich indirekt über die Kombination verschiedener Sensordaten erschließen. Mit der Erfassung der Sensordaten ist es allerdings nicht getan - sie müssen im richtigen Kontext interpretiert werden. Ob ein bestimmtes Material vorhanden ist oder nicht, sagt ja noch nicht viel aus. Erst wenn das System weiß, dass genau dieses Material Voraussetzung für einen bestimmten Arbeitsschritt ist, kann es daraus Schlüsse ziehen, etwa dass die Arbeitsschritte neu organisiert werden müssen, weil ein Material fehlt. Deshalb muss zum einen die Logik der Montageabläufe in der Lösung abgebildet sein, so wie sie in der Produktionsplanung vorgedacht wurden, zum anderen muss diese Logik mit der Semantik der Sensorsignale verknüpft werden, um ihre Bedeutung für die Montageabläufe bewerten zu können. Was auf den ersten Blick recht aufwendig erscheint, ist es nicht, weil bestimmte Situationen an den Arbeitsstationen wiederkehrend sind. "Wir können die Logik, wie bestimmte Ressourcen- oder Werkzeugbewegungen interpretiert werden, in wieder verwendbaren Blöcken beschreiben", erläutert Grefen. Dargestellt werden die Arbeitsfortschritte am 3D-Modell des Flugzeugs beziehungsweise der betreffenden Rumpfsektion, was den Vorteil hat, dass man sie bei Besprechungen mit der Werksleitung sehr einfach visualisieren kann. Dazu muss nicht zwingend die komplette Montagelinie in 3D aufgebaut werden, was aber laut Gatzmanga kein Problem darstellt, da die Produktionsmittel in aller Regel als 3D-Modelle vorliegen: "Prinzipiell wollen wir künftig alles in 3D abbilden, um zu jedem Zeitpunkt einen digitalen Snapshot der realen Fabrik zu haben. Heute erzeugen wir 3D-Modelle für die Produktionsplanung, die aber in dem Moment obsolet sind, in dem die Montagelinie angeschaltet wird, weil sich ständig etwas verändert."
Signalverarbeitung in Echtzeit
"Der im Synced Factory Twin-Projekt gebaute Digital Twin zeichnet sich dadurch aus, dass Sensorsignale und Logik nahezu in Echtzeit verarbeitet werden können. Herzstück des Systems ist die von Ascon Systems entwickelte Semantik-Engine" sagt Mathias Stach, Sprecher der Geschäftsführung der Ascon Systems. Mit hochskalierbarer, auf Internet-Technologie basierender Komponenten für die parallele Informationsverarbeitung ist sie in der Lage, in wenigen Millisekunden die entsprechenden Ergebnisse zu liefern. "Grundsätzlich ist unser Digital Twin produktiv einsetzbar. Seine industrielle Reife stellen wir derzeit im Rahmen mehrerer Pilotprojekte unter Beweis", sagt Stach. Die Echtzeit-Fähigkeit ist eine wesentliche technische Hürde für die Implementierung des Digital Twins in einer der Final Assembly Lines (FAL) bei Airbus, da die Informationen entsprechend schnell bereitgestellt werden müssen. Was bei einem Demonstrator einfach war, weil die Daten einmal geladen werden konnten, erfordert im operativen Betrieb die Integration in das bestehende Brownfield. "Wir müssen also live auf die Informationen aus SAP ERP und anderen IT-Systemen zugreifen", sagt Gatzmanga. Dabei stellt sich die Frage, in welchen Formaten die Daten in Echtzeit bereit gestellt werden können. Das OPC UA-Protokoll ist zum Beispiel nicht echtzeitfähig. Zudem sind die Bandbreiten der industriellen Netze nicht für die Übertragung großer Datenmengen ausgelegt. Also muss geklärt sein, welche Daten maschinennah ausgewertet werden können, um nur die kritischen Werte zu übertragen. "Ein wichtiges Thema ist auch die Sicherheit", sagt Gatzmanga. "Wenn ich Daten in Echtzeit nutze, muss ich sicher sein, dass sie nicht manipuliert werden können. Stellen Sie sich vor, ein mit Sensoren ausgestatteter Drehmomentschlüssel wird gehackt und zieht eine kritische Schraube im Flugzeug nicht mit dem vorgesehenen Wert an, meldet aber genau diesen Wert zurück. Im Fehlerfall kann ich die Ursache kaum noch nachverfolgen."
Bild: Airbus S.A.S; H. Goussé / Master FilmsFür die Ausrüstungsmontage
Noch ist nicht klar, wenn und wo der Digital Twin bei Airbus produktiv zum Einsatz kommen wird. Geplant ist auf jeden Fall, die Pilotfabrik im ZAL, in der die Ergebnisse laufender Forschungsvorhaben zusammenfließen werden, damit auszustatten. An kritischen Arbeitsstationen in der Endmontage kann die Lösung schon jetzt eingesetzt werden, und zwar dort, wo es schnell Nutzen verspricht. Großes Potenzial sieht Frankenberger vor allem in der Ausrüstungsmontage, in der Tausende von Komponenten in einer Vielzahl möglicher Arbeitsfolgen in das Flugzeug eingebaut werden. Die Komplexität im Major Component Assembly (MCA) sei noch größer als in der FAL. In der Strukturmontage, in der die großen Rumpfsegmente und Flügel zusammengefügt werden, lassen sich die Arbeitsfortschritte einfacher nachvollziehen, weil die Teile sehr groß sind und oft nur an einem bestimmten Bauplatz montiert werden können. Hier wäre es jedoch interessant, das Extended Enterprise in die Betrachtung einzubeziehen und anhand bestimmter Check Gates im Vorfeld zu prüfen, ob die Zulieferkomponenten rechtzeitig auf dem Shop Floor zur Verfügung stehen werden. Man könnte bei Teilen mit mehreren Tage Zulaufszeit schon die Verladung und den Transport verfolgen, um die Ankunft abzuschätzen.
20 Prozent schneller ans Ziel
"Die Abläufe werden heute extrem gestört durch fehlende Lieferungen oder andere Probleme, die sich eigentlich schon länger vorher andeuten", sagt Frankenberger. Der Prozess von der Vormontage über die Struktur- und Ausrüstungsmontage bis zur finalen Integration dauert bei einem Airbus A321 heute zwischen 32 und 33 Tagen. Vorsichtig geschätzt ließen sich durch die automatische Erfassung der realen Situation auf dem Shop Floor und mit dynamischem Line Balancing etwa 20 Prozent der Zeit sparen, wie Frankenberger sagt. "Noch höher wären die Kosteneinsparungen, denn wir müssen heute einen enormen manuellen Aufwand treiben, um den Bauzustand der Flugzeuge festzustellen. Deshalb würde ich den Factory Twin lieber heute als morgen im Einsatz sehen."
Bild: ASConÜberblick im Shop Floor
Airbus hat ein Problem, von dem andere nur träumen können. Mit fast 6.900 Aufträgen ist die Produktion für die nächsten zehn Jahre ausgelastet, und der Backlog wächst zurzeit schneller als die Zahl der Auslieferungen. "Wir müssen es deshalb schaffen, mehr Flugzeuge in unterschiedlichen Varianten auszuliefern", erläutert Eckart Frankenberger, der als Leiter Industrial Architecture & Manufacturing Strategy für die Optimierung der Fertigungs- und Montageabläufe in den Airbus-Werken verantwortlich ist. Ein gemeinsam von Airbus und dem Softwarehersteller Ascon Systems in einem Prostep ivip-Projekt entwickelter Digital Twin soll dazu einen wichtigen Beitrag leisten, indem der die Trennung zwischen der realen Fabrik und ihrem virtuellen Abbild aufhebt. Das IT-basierte Abbild soll für mehr Transparenz auf dem Shop Floor sorgen, damit die Produktionsverantwortlichen bei Planabweichungen im laufenden Takt ein dynamisches Line Balancing durchführen können. Heute vergeht bei Airbus eine relativ lange Zeit zwischen der Ausführung einer Work Order und ihrer Rückmeldung, wie Frankenberger weiter ausführt. "Wir haben dadurch keine Transparenz über den tatsächlichen Ablauf einer Installationsfolge mit ihren hochkomplexen Teileflüssen, die sich über fünf, sechs Tage hinziehen kann. Bei Schwierigkeiten versuchen wir, durch Governance auf dem Shopfloor Lösungen zu finden. Das Problem ist nur, dass unsere Aircraft Manager 80 Prozent der Zeit damit verbringen, den Zustand zu erfassen und das Problem zu erkennen, und entsprechend wenig Zeit haben, es zu lösen, geschweige denn die Lösung zu überwachen. Unser Kernthema ist deshalb, immer zu wissen, was auf dem Shop Floor los ist." Der Digital Twin von Ascon erreicht diese Transparenz dadurch, dass die Arbeitsfortschritte im Werk über Sensorik erfasst und nachfolgend semantisch aufbereitet werden, ohne dass die Mitarbeiter die einzelnen Arbeitsgänge zurückmelden müssen. Das wäre nämlich viel zu zeitaufwendig und würde bei den relativ autonom operierenden Teams auf wenig Gegenliebe stoßen, da sie genau wissen, was sie zu tun haben. Schließlich werden Single Aisle-Maschinen wie der Airbus A319, A320 und A321 schon seit vielen Jahren in Hamburg gebaut.
Redaktionsbüro Michael Wendenburg
Dieser Artikel erschien in IT&Production November 2017 - 08.11.17.Für weitere Artikel besuchen Sie www.it-production.com
