3D-Modell, Bild: EK Automation

3D-Modelle unterstützen Engpässe zu prognostizieren, Ressourcen zu planen, Reihenfolgen und Losgrößen zu optimieren. Bild: EK Automation

Bei der Planung zu einem Transportkonzept mit Fahrerlosen Transportsystemen (FTS) müssen zahlreiche Faktoren beachtet werden. Dazu zählen beispielsweise die Verkehrsführung, die Anzahl der Fahrzeuge, die Taktzahlen der Anlagen und vieles mehr. All diese Faktoren müssen zusammengeführt und aufeinander abgestimmt werden, damit am Ende ein effizientes System entsteht, welches die gewünschte Leistung hervorbringt.

Hier kann sich die Unterstützung durch Experten bezahlt machen, etwa durch E&K Automation. Die 180 Mitarbeiter weltweit haben sich mit hochmoderner Transportrobotik auf automatisierte Materialfluss- und Lagersysteme spezialisiert. Kunden können sich hier mithilfe von Simulationen ein individuelles Konzept ausarbeiten lassen. Dafür wird am Rechner in 2D oder 3D ein Modell der Räumlichkeiten erstellt, in dem die Prozessabläufe in unterschiedlichsten Varianten abgebildet und durchgespielt werden, um eine geeignete Lösung auszuarbeiten und frühzeitig mögliche Probleme zu erkennen. So lässt sich das Transportkonzept auf räumliche Gegebenheiten und Produktivität zuschneiden.

Wie das Experten-Team Simulation bei diesen Projekten vorgeht, erläutert Florian Johannsen, Team Leader Consulting & Simulation bei E&K Automation: „Wir nutzen dazu Tecnomatix Plant Simulation aus dem Hause Siemens, eine besondere Simulationssoftware zur Erstellung derartiger Modelle. Diese haben wir weiterentwickelt und uns einen speziellen Baukasten erstellt, mit dem sich nun die unterschiedlichsten Prozesse gut und schnell abbilden lassen.“ Für eine 2D- oder 3D-Simulation benötigen die Experten von EK Automation möglichst genaue Layoutdaten, also Pläne der Räumlichkeiten, Standort und Maße von Anlagen, Regalen und mehr. Diese werden mit den Daten der gewünschten Fahrerlosen Transportfahrzeuge (FTF) des Unternehmens, mit den Daten zu den im Unternehmen ablaufenden Prozessen sowie den zu leistenden Transportaufgaben ergänzt.

Weitere wichtige Informationen sind etwa Transportströme und deren über den Tag verteilte Schwankungen. Auch Puffergrößen und Maschinenverhalten in angeschlossenen Bereichen werden mit einbezogen. Auf Basis dieser Informationen wird dann ein 2D- oder 3D-Modell aufgebaut. „In unseren Planungen mithilfe der Layoutdaten kommt es auf Zentimeter an, Abweichungen sind oft problematisch. Je genauer die Daten sind, mit denen wir arbeiten, desto verlässlicher ist das Endergebnis“, unterstreicht Florian Johannsen.

Exaktes Datenmaterial durch den Laserscanner

Transportrobotik-Konzept in der Simualtion, Bild: EK Automation
Mithilfe von Simulationen geplant: Transportrobotik-Konzepte für automatisierte Materialfluss- und Lagersysteme. Bild: EK Automation

Weil es vorkommt, dass die vorhandenen Unterlagen nicht verwendbar sind – wenn beispielsweise von einer alten Produktionshalle nur ungenaue Architektenpläne vorliegen – bietet das Unternehmen inzwischen auch an, das millimetergenaue Ausmessen zu übernehmen. „Dafür haben wir extra einen Laserscanner erworben“, erzählt Florian Johannsen.

Mit der 3D-Laservermessung lässt sich die gesamte sichtbare Umgebung eines Raumes erfassen und in einem digitalen Modell dreidimensional abbilden. Aus zahlreichen Einzelscans entsteht die sogenannte Punktwolke eines Raumes, die das genaue Abbild der vermessenen Objekte darstellt. Aus diesen Daten wird am Rechner das Gesamtmodell eines Raumes in 2D- oder 3D-Ansicht erstellt. Auf diese Weise können selbst große und komplexe Gebäude mit ihrem Innenleben höchst präzise dokumentiert werden.

Die berührungslose Vermessung von Formen und Entfernungen macht es möglich, auch schwer zugängliche Bereiche auf große Distanz zu erfassen. Die einmal gesammelten Daten, dazu zählen Längenangaben, Maße von Wänden, Durchgängen, Fenstern oder Türen und noch viel mehr, stehen dann jederzeit „auf Knopfdruck“ für die Erstellung von Simulationen und die spätere Umsetzung der Transportrobotik-Konzepte zur Verfügung.

Am Rechner lassen sich dann die gewünschten Prozessabläufe simulieren und unter Betrachtung einer Vielzahl von Aspekten variieren, wie Florian Johannsen beschreibt: „Wir können die Abläufe zum Beispiel mit einer unterschiedlichen Anzahl von Fahrzeugen, diversen Streckenführungen und verschiedenen Puffergrößen durchspielen. Die Simulationen zeigen dann, wie breit Gänge oder Kurven für die innerbetrieblichen Transportsysteme ausgelegt werden müssen und wie dicht der Verkehr bei der unterschiedlichen Anzahl von FTF sein wird. Auch Blockungssituationen bis hin zu sogenannten Deadlocks, also möglichen Konstellationen, in denen es zu einer nicht lösbaren Stausituation kommt und sich alle Transportfahrzeuge gegenseitig blockieren, werden auf diese Weise offengelegt.“

Begriffserklärung

  • FTF: Fahrerlose Transportfahrzeuge
  • FTS: Fahrerlose Transportsysteme (sprich das gesamte System)
  • ATR: Autonome Transportroboter

Manches ist nur mit Simulation möglich

In der Vielzahl der Möglichkeiten, die mithilfe des Modells durchgespielt werden, gibt es nach Auskunft des Experten neben vielen anderen zwei große Unbekannte, die nur mithilfe der Simulation bestimmt werden können: Die Leerfahrten der Transportfahrzeuge sowie die möglichen Blockungen. Diese gilt es durch Simulation zu identifizieren und zu minimieren.

Des Weiteren ist auch die Abbildung von natürlichen Schwankungen nur mithilfe der Simulation möglich. Dafür müssen häufig auch Zusammenhänge betrachtet werden, die weit über das eigentliche Transportsystem hinausgehen und den Gesamtprozess umfassen, also beispielsweise die Taktzahl der Anlagen oder das Tempo sowie die Pufferkapazität von Förderbändern. Bei der Planung eines neuen Systems lassen sich auf diese Weise unter anderem unterschiedliche Konzepte vergleichen und diverse Transportstrategien entwerfen. Aber auch für bestehende Systeme werden Simulationen eingesetzt. Damit kann unter anderem aufgedeckt werden, an welcher Stelle genau der Engpass im System gesucht werden muss. „In vielen Fällen wird erst durch den Blick auf den Gesamtprozess der Faktor entlarvt, der den Durchsatz tatsächlich limitiert“, beschreibt Florian Johannsen. 

Visualisierung einer Fabrik, Bild: EK Automation
Besondere Stärke der Simulationen: Visualisierung von Abläufen im Zeitraffer und aus der Vogelperspektive. Bild: EK Automation

Planungsrisiken frühzeitig erkennen

Die besondere Stärke der Simulation ist die Visualisierung der Abläufe im Zeitraffer und aus der Vogelperspektive: In der Betrachtung der Prozesse in 50- bis 100-facher Geschwindigkeit können auch Laien komplizierte Zusammenhänge leicht erfassen, was die Zusammenarbeit zwischen den Spezialisten und ihren Kunden vereinfacht. „In enger Zusammenarbeit mit unseren Auftraggebern analysieren wir auf diese Weise Engpässe und können unter anderem Losgrößen und Auftragsreihenfolgen optimieren. Außerdem lassen sich, zum Beispiel bei Erweiterungsvorhaben, die Grenzen eines Systems identifizieren. Anwender erfahren, ob sich ein gewünschtes System mit geringen oder etwa nur mit größeren Umbauarbeiten realisieren lässt. Man kann darüber hinaus verschiedene Transportstrategien ausprobieren. Unsere Kunden nutzen das Verfahren außerdem, wenn sie sich vor Veränderungen an ihren Anlagen absichern wollen, dass die Transportabläufe hinterher noch wie gewünscht funktionieren“, erklärt der Experte.

Er ergänzt: „Am besten ist es natürlich, wenn die Simulation frühzeitig erstellt wird. Denn ein Konzept für ein solches Fahrerloses Transportsystem berührt die unterschiedlichsten Gewerke – vom Regalanbieter bis hin zum Maschinenhersteller. Wenn alles detailliert aufeinander abgestimmt wird, läuft der Materialfluss optimal ab. Insgesamt kann an vielen Stellen damit rechtzeitig korrigiert werden, bevor unnötige Kosten durch Fehlplanungen entstehen.“

3D-Laservermessung, Bild: EK Atomation
Die Punktewolke, angefertigt mittels 3D-Laservermessung, liefert exakte Daten für die Erstellung eines Simulationsmodells in den vorgegebenen Räumlichkeiten. Bild: EK Atomation

Autonome Transportroboter als Schlüsseltechnologie der Industrie 4.0

  • Die Industrie 4.0 benötigt intelligente, vernetzte und flexible Materialflusslösungen für die automatisierte Massenproduktion von individualisierten Produkten und die zielgenaue Beförderung sämtlicher Transportgüter.
  • Die deutsche Industrie geht davon aus, dass ATR das vorherrschende Transportmittel in den intelligenten Fabriken der Industrie 4.0 sein werden, da nur sie die nötige Flexibilität im Materialfluss gewährleisten können. Das gaben 200 Befragte an, von denen rund 40 Prozent aus dem Automobilbau stammen.
  • Die Produkt- und Verfahrensentwicklung von EK Automation verfolgt das übergeordnete Ziel, Quellen und Ziele immer präziser miteinander zu verbinden.
  • Der Weg zum Ziel führt in mehreren Evolutionsschritten von zentral gesteuerten spurgeführten Transportsystemen (FTS) zu autonomen kollaborierenden Robotern als Teilsystem zukünftiger Cyber-physischer Systeme (CPS).

Quelle: Böttner, Andreas. The Impact of Industry 4.0 on the German Automated Guided Vehicle Industry. Hamburg 2017. Unpublished.