“Um die Ecke sehen”

Von Michael Ford, Aegis Software

Jeder von uns hat persönliche Grenzen, Stärken aber auch Schwächen. Unsere Zugehörigkeit zu sozialen Gruppen, einschließlich unserer Freunde, Familie, unseres Fußballvereins, Schule, Arbeitsstelle, Stadt, Landkreis und auch unseres Landes ermöglicht es uns, unsere Stärken im Kollektiv zu kombinieren, damit wir auf diese Weise alle unser Bestes geben können. Viele können vieles bewirken. Diese „menschlichen“ Prinzipien müssen wir auf das IIoT, die intelligente Fertigung und die künstliche Intelligenz (KI) anwenden, wenn die nächste Stufe der intelligenten Fertigung erreicht werden soll.

Sehr viele Softwarenentwickler sind damit beschäftigt, KI-Software zu entwickeln, bisher besteht die “Intelligenz” allerdings lediglich in statischen Algorithmen und von wahrer Intelligenz kann noch keine Rede sein, da diese sich im Grunde genommen selbst anpassen würde. Das vielleicht bekannteste Beispiel einer derartigen Software kommt aus der Automobilbranche. Automobilhersteller und deren Ingenieure kombinieren Sensoren und Kameras mit ihrer intelligenten Software und alle verfolgen das Ziel, vollständig autonomes Fahren zu ermöglichen. Aus heutiger Sicht ist das allerdings noch nicht machbar. Unabhängig davon, wie smart einzelne Autos werden, sie werden, wenn sie allein arbeiten, immer die Hilfe von Menschen benötigen, nur für den Fall, dass etwas übersehen wurde und jedes potenzielle Unfallrisiko natürlich weiterhin völlig inakzeptabel bleibt.

Um eine wegweisende Veränderung zu erzielen, die dann auch eine höhere Stufe von Intelligenz bedeutet, müssen autonome Fahrzeuge einfach untereinander kommunizieren können. So können sich Autos einfach mitteilen, was hinter der nächsten Ecke passiert und sie können dementsprechend koordinieren und dann als Gruppe entscheiden, wie sie gemeinsam weiter vorgehen möchten und was in dieser Situation am sichersten und angemessen ist. Es können sogar Informationen von festen Stationen aus abgefragt werden, beispielsweise an Kreuzungen, um an kritischen Punkten weniger abhängig von der aktuellen Verkehrslage zu sein. Somit werden Abhängigkeiten von internen Sensoren vermieden, da Beobachtungen und das Eintreten von Ereignissen aus der Datenerfassung von vielen unterschiedlichen Quellen bestätigt werden können und abweichende oder fehlerhafte Eingaben sofort erkannt werden.

Die Technologie hierfür ist relativ einfach, besonders mit Errungenschaften wie 5G und Wi-Fi 6, die höhere Geschwindigkeiten und Latenzzeiten unterstützen. Uns beschäftigt nicht nur die Frage, wie Daten in dem Netzwerk erfasst werden können, sondern es muss außerdem eine gemeinsame Sprache entwickelt und übernommen werden, in der die Autos miteinander sprechen können und diese muss agnostisch sein. Die Forschung und Entwicklung im Bereich Car2Car-Kommunikation schreitet voran, obwohl immer noch eine gemeinsame Sprache definiert werden muss, wobei der Schwerpunkt vielmehr darauf liegt, zu beschreiben, was die Fahrzeuge machen als darauf, was sie „sehen“.

Ohne eine Standardisierung ist es unwahrscheinlich, dass genügend Autos auf den Straßen unterwegs sind, um gute Arbeit zu leisten. Eine eingeschränkte Kommunikation würde wahrscheinlich den Fortschritt und die Nachhaltigkeit zerstören. Eine derartige Lektion musste die Baugruppenfertigung bereits lernen. Das Merkmal des IIoT-Standards CFX (Connected Factory Exchange) des IPC ist es, dass jedes Thema, jede Nachricht, jeder Datensatz und alle Inhalte von dem Standard selbst erfasst werden, eine Übersetzung oder Konvertierung von CFX-Daten in Form von Middleware ist nicht erforderlich. Man erhält die genauen Fakten, die einer Situation zugrunde liegen und kann unmittelbar darauf reagieren. Damit autonomes Fahren zur praktischen Realität wird, benötigt man eine Sprachdefinition wie CFX, bei der Automobilhersteller kooperieren, um eine interoperable Lösung zu erstellen. Jeder andere Aspekt beim Autofahren wurde bereits standardisiert, beispielweise die Pedalstellung, das Lenkrad, Straßenschilder und Markierungen; hier warten keine Überraschungen auf uns. Der Mensch hat schon immer gerne etwas entwickelt.

Der CFX-Standard des IPC hat viel erreicht, er hat die Barrieren beim Datenaustausch niedergerissen, Zeit- und Geldverschwendung in der Branche im Zusammenhang mit maßgeschneiderten, kundenspezifischen Maschinenschnittstellenverbindungen beseitigt, die der Branche insgesamt Kosten in Höhe von vielen Milliarden Dollar verursacht hätten. Da alle Maschinenlieferanten und Anbieter von Softwarelösungen nun im Prinzip nur noch eine Schnittstelle entwickeln und nativ unterstützen müssen und Middleware nicht mehr länger benötigt wird, demonstriert CFX die Vorteile einer Zusammenarbeit in Schlüsselbereichen der Technologie eindringlich, indem es den Mechanismus aufbaut, auf dem wettbewerbsfähige Lösungen effektiv angeboten werden können, die alle in der Lage sind, Daten angemessen und sicher zu teilen und auszutauschen.

In der Fertigung stehen wir bereits vor der nächsten Stufe der Standardisierung. Unsere Herausforderung besteht darin, Interoperabilität und den Datenfluss über einfache Kommunikation auf Werksebene hinaus zu erweitern. Wir wissen, dass ein einzelnes Unternehmen, unabhängig von dessen Größe, niemals in der Lage sein wird, eine einzige Lösung für Industrie 4.0 oder die intelligente Fertigung zu entwickeln. Dennoch präsentieren einige Anbieter eindringliche, Hollywood-reife 3D Grafiken von Benutzeroberflächen, die jedoch oft nur eine Spielerei sind und die Kunden von der Unzulänglichkeit dieser Lösungen ablenken sollen, fehlenden Tiefgang und Support verbergen sowie von der Tatsache ablenken sollen, dass fast immer extrem teure kundenspezifische Anpassungen vorgenommen werden müssen.

Es ist eine unschöne Praktik vieler Unternehmen in der Branche die wahren Kosten einer Einrichtung und der Nutzung von Lösungen so lange zu verschleiern, bis eine Bestellung bei ihnen eingegangen ist oder eine unwiderrufliche Zusage getroffen wurde. Dies ist kein nachhaltiges Geschäftsmodell und „vergiftet“ den Markt, da diejenigen, die auf derartige Versprechungen hereingefallen sind, auch den Lösungen anderer Anbieter nicht mehr trauen und daher nur sehr zögerlich auf Fortschritt reagieren. In der realen Welt gibt es einfach zu viele unterschiedliche Bereiche in der gesamten Baugruppenfertigung, die man alle bis ins kleinste Detail verstanden haben muss, wie beispielsweise den Vergleich der Verarbeitung von röntgenbildbasierter Echtzeit-Fehlererkennung mit der Notwendigkeit, feuchtigkeitsempfindliche Materialien zu verwalten. Um hier die besten Ergebnisse erzielen zu können, müssen, wie bei unserem Beispiel mit den sozialen Gruppen, die Stärken und Fähigkeiten unterschiedlicher Unternehmen miteinander kombiniert werden.

(Bilder: Aegis/Stockfotos)

Der neue Standard des IPC-2551 Digital Twin, der aktuell entwickelt wird, möchte eine Umgebung der Interoperabilität erstellen, in der Lösungs- und Technologieanbieter zusammenarbeiten, Informationen austauschen und gemeinsam einen derart großen Wert erzielen können, der durch eine einzelne nicht verbundene Quelle niemals erreicht werden könnte. Der Standard Digital Twin des IPC legt eine hierarchische Struktur von oben nach unten fest, durch die Anwendungen aktive und nützliche Elemente digitaler Zwillingsdaten identifizieren und kommunizieren können und das in beliebiger Detailliertheit unter Verwendung von Standardformaten. Die Intention ist, bestehende offene Standards in den unterschiedlich benötigten Detaillierungsgraden zu nutzen und beispielsweise auf bestehende verwandte IPC-Standards, wie IPC-2581 (Digital Product Model Exchange DPMX), IPC-2591 (CFX) und IPC-1782 (Traceability) zu verweisen. Nicht-IPC Standards, wie JEDEC JEP-30 3D Komponentendatenstandards werden ebenfalls berücksichtigt. Es wird erwartet, dass dies die Annahme des Standards Digital Twin des IPC beschleunigen wird, ohne dass die derzeitigen Standards neu erfunden und Datenflusspraktiken radikal geändert werden müssen.

Obwohl die Entwicklung des IPC Digital Twin noch nicht abgeschlossen ist und daher noch Änderungen vorgenommen werden, sieht die Infrastruktur des Digital Twin aktuell aus wie folgt:

Die Wurzelebene des zellularen IPC Digital Twin wird als „globale“ Zelle bezeichnet, die aus drei hierarchischen Wurzelstrukturen besteht, von denen jede folgende Schlüsselbereiche darstellt:

  • Produkt: Der Digital Twin des IPC repräsentiert entweder eine einzige Produktentwicklungsinstanz oder eine Reihe eng verwandter Produktvarianten und Revisionen. Die Informationen beinhalten:
    1. Die Entwurfsabsicht, einschließlich der Spezifikation, Voraussetzungen, Metriken, umgebungsspezifische Einschränkungen etc.
    2. Das mechanische und elektronische Design, einschließlich 3D-Darstellungen.
    3. Die beabsichtigte Stückliste, einschließlich der Lieferantenauswahl, Änderungshistorie, Variantendefinition etc.
  • Fertigung: Beinhaltet die gesamte Hierarchie der Unternehmen im Bereich Baugruppenfertigung, beginnend auf Unternehmensebene bis hinunter zu den Standorten, diskreter Konfigurationen, Linien, Zellen, Maschinen und darüber hinaus, die jeweils in Bezug auf ihre Spezifikation, Fähigkeiten, Leistung und Ertrag auf Grundlage von Konstruktionsmerkmalen modelliert werden.
  • Lebenszyklus: Beinhaltet Details zum Produktversand, Anwendung und Gebrauch, einschließlich Marktdaten wie Reparaturen bis hin zum endgültigen Recycling. Es sind Informationen enthalten, um Produkte miteinander zu verbinden, beispielsweise für den Fall, dass ein Produkt zu einer Unterbaugruppe eines größeren Produkts wird.

Jede Zelle des IPC Digital Twin hat einen eindeutigen Namen, ein indiziertes Inhaltsverzeichnis, welches den Dateninhalt und den Grad, in dem die Daten gefüllt und bestätigt wurden, angibt. Jede Anwendung, die Daten aus dem IPC Digital Twin verwendet, weiß genau, welche Daten zur Verfügung stehen, wie zuverlässig diese sind und kennt Lücken, die aufgefüllt werden müssen, ehe die Daten verarbeitet werden können.

Es gibt buchstäblich hunderte unterschiedlicher Anwendungsfälle für digitale Zwillinge während des ganzheitlichen Fertigungsprozesses, auf die der Digital Twin des IPC angewendet werden kann. Mit bekannten und etablierten Standards, die, wenn möglich, verwendet werden, werden gegebenenfalls neue offene Formate erstellt, um die Lücken zu schließen. Datenstrukturen werden wahrscheinlich mit XML oder JSON kodiert werden. In bestimmten Zellen kann es mehrere Auswahlmöglichkeiten für Datenformate geben, wenn mehrere Standards geeignet und anwendbar sind, z.B. im Bereich der visuellen 3D-Modelldarstellung.

Ein typisches Anwendungsbeispiel, welches die wahre Leistungsstärke des digitalen Zwillings anschaulich verdeutlicht, könnte folgendermaßen aussehen:

  • Ein EMS-Unternehmen erhält von einem Kunden den Digital Twin des IPC als Teil einer Angebotsanfrage, die eine ganze Reihe von Produkten umfasst. Der Kunde möchte Informationen über die Herstellungskosten pro Einheit im Vergleich zur Gesamtmenge, die Vorlaufzeit, die Wahl der Herstellungsorte, Qualitätsverpflichtungen sowie über die Materialien.
  • Das EMS-Unternehmen hat den Digital Twin des IPC seiner Fertigungsorganisation, der mehrere Standorte umfasst. An jedem Standort gibt es viele Produktionslinien und -zellen.
  • Das für die Angebotserstellung zuständige Team des EMS-Unternehmens verfügt über eine Anwendung, die den digitalen Zwilling des Produkts des Kunden hernimmt und gegen seinen internen Digitalen Zwilling in der Fertigung verarbeitet.
  • Diese Anwendung löst Fragen und Antworten an viele Unteranwendungen aus, die beispielsweise in die verschiedenen zugehörigen Bereiche der Fertigung reichen können, bis hin zu immer detaillierteren Angaben. Externe Systeme wie MES und Software, die mit bestimmten Geräten verbunden sind, können als Teil des Prozesses auch automatisch digital kontaktiert werden. Unteranwendungen arbeiten zusammen, um die Daten zu liefern, die zur Analyse beitragen. Einige werden beurteilen, welche Produktionskonfigurationen zur Herstellung des Produkts geeignet sind und was die erwartete Linienrate und Ausbeute usw. wäre. Gleichzeitig bestätigen andere Anwendungen das Material und die Verfügbarkeit der Kapazität.
  • Alle diese Daten werden gesammelt und automatisch an die Angebotsanwendung zurückgemeldet, die dem für die Angebotserstellung zuständigem Team die Auswahlmöglichkeiten einschließlich der Kosten vorschlägt.

Ein weiteres Beispiel könnte ein Fertigungsstandort sein, der die Zuordnung von Produkten zu einer bestimmten Konfiguration, die die Einrichtung von Robotern einschließt, vornehmen lässt und diese dann noch optimieren und simulieren muss. Ausgehend von den anwendbaren Zellen des Digitalen Zwillings des Produkts, zusammen mit den Zellen des Digitalen Zwillings der Fertigung, die die Roboter repräsentieren, erfolgt die entsprechende Analyse mit Hilfe einer Anwendung, die sich mit den Roboteroperationen, einschließlich der Roboterarme, Förderbänder, zugehöriger Werkzeuge usw., befasst, so dass der genaue Betrieb der Linie bewertet werden kann. Diese Anwendung kann aus viele unterschiedlichen Gründen ausgeführt werden, beispielsweise:

  • Man möchte die Verarbeitungszeit eines potenziellen neuen Produkts, wie in oben genanntem Beispiel, wissen.
  • Die Merkmale der Linie müssen bestimmt werden, um kurzfristige Fertigungserwartungen so erfüllen zu können, dass diese optimiert sind in Bezug auf Werkzeuge sowie den Prozessfluss und aus einer Auswahl potenzieller Konfigurationsänderungen gewählt werden kann.
  • Um die beste Sequenz zu finden, die benötigt wird, um die Linie zu betreiben, einschließlich einer Vorhersage von Wartungsereignissen.

Jede dieser hunderten Anwendungen des IPC Digital Twin sind durch die festgelegten Datendefinitionen miteinander interoperabel. Anwendungen werden ohne die Notwendigkeit von Anpassungen und Middleware entwickelt, bereitgestellt und ausgeführt und sind mit anderen Anwendungen von verschiedenen Anbietern dialogfähig.

Mit fortschreitender Entwicklung des IPC Digital Twin werden in den kommenden Monaten solange sukzessive Schichten hinzugefügt, bis jeder Aspekt des Produktdesigns, der Fertigung des Produkts und dessen Lebenszyklus einbezogen ist. Die Geschwindigkeit, mit der dies geschieht hängt stark vom Interesse und der Beteiligung der Branche ab. Da auf dem Markt viele Produkte verfügbar sind, die auf proprietären digitalen Zwillingen basieren, bietet sich ein El Dorado an Möglichkeiten, diese auf jenen Industriestandard auszurichten.

Wie wir bereits bei der Revolution in Bezug auf die Kommunikation auf Werksebene durch den Einsatz von IPC CFX gesehen haben, sind die Barrieren zwischen den Unternehmen hinsichtlich Datenaustausch bei der Arbeitsvorbereitung bis hin zur Fertigung mit IPC-DPMX mit der Erkenntnis beseitigt worden, dass ein wahres gegenseitiges Bedürfnis besteht, Big Data aus vielen Quellen gemeinsam zu nutzen und zu verwenden, um ein gewünschtes Ziel effektiv zu erreichen. Die Interoperabilität, die der Digital Twin des IPC bietet, ermöglicht es Unternehmen, ihren spezifischen Wert an die Kunden weiterzugeben. Dies erfolgt auf eine Art und Weise, die keine bestimmte Zusammenarbeit unter Verwendung von proprietären Datenformaten zwischen Unternehmen erfordert, den Schutz des geistigen Eigentums unterstützt und gleichzeitig eine erhöhte Funktionalität und Fähigkeit bietet.

Genau wie beim autonomen Fahren ermöglicht der Zugang zu Daten außerhalb eines bestimmten Sichtbereichs den Anwendungen “um die Ecke zu sehen” und einen Mehrwert zu schaffen, der weitaus größer ist, als wenn sie durch Daten, die nur aus ihrer eigenen Domäne stammen, oder durch teure Middleware und kundenspezifische Anpassungen begrenzt wären.

In der Zukunft hat Software mit futuristischen 3D-Schnittstellen und großartigen Grafiken eine wahre Substanz, die man bis dato nur von der Zusammenarbeit mit Unternehmen kennt, die führend bei der Erstellung und Nutzung von IPC Standarden sind. Im letzten Schritt wird das Bewusstsein der geschäftlichen Differenzierung, welche diese Art der Technologie in Bezug auf Kosten, ROI, Qualität und Zuverlässigkeit mit sich bringt, den Digital Twin des IPC voranbringen, was der gesamten Branche zugutekommt.

aiscorp.com

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