Inside the Smart Factory – Teil 3

Andrea Gillhuber,

Die Nervenbahnen der Smart Factory

Die Digitalisierung ist das beherrschende Thema in der fertigenden Industrie. Gleichzeitig herrscht große Verunsicherung aufgrund von unterschiedlichen Begriffsdefinitionen und unklaren Abgrenzungen. Die Artikelreihe „Inside the Smart Factory“ klärt über Missverständnisse und Hindernisse auf dem Weg zur digitalen Fabrik auf. In der dritten Folge: fahrerlose Transportsysteme. 

© Shutterstock / julia.m

Vor einigen Monaten verkündete der chinesische Handelskonzern JD die Eröffnung des ersten vollautomatisierten Warenlagers in den Außenbezirken von Shanghai. Wo früher 180 Menschen angestellt waren, bearbeiten nun Roboter und Maschinen rund 9.000 Bestellungen pro Stunde. Die heimlichen Stars in dem dazugehörigen Video-Clip sind die mehreren hundert kleinen Transportroboter, die eigenständig Pakete von den Verpackungslinien in die dafür vorgesehenen Versandbehälter verbringen. Sie stehen sinnbildlich für die Automatisierung der Lagerlogistik und markieren einen der derzeit wichtigsten Technologietrends rund um die Smart Factory.

Doch kann man überhaupt von einem Trend sprechen, wenn die dahinterliegende Technologie bereits seit über 50 Jahren in der Industrie im Einsatz ist? Im Fall von Automated Guided Vehicles (AGV) – oder zu Deutsch: fahrerlosen Transportsystemen (FTS) – muss man das sogar. Denn kaum eine andere Technologie im Industrie-4.0-Umfeld erlebt eine ähnliche Nachfrage, wie etwa das Beispiel von Mobile Industrial Robots zeigt. Der Hersteller kollaborativer, mobiler Roboter hat seinen Umsatz 2018 bereits zum zweiten Mal in Folge mehr als verdoppeln können. Andere Hersteller verzeichnen ähnliche Auftragszuwächse. Was des einen Freud, ist es anderen Leid – so müssen Unternehmen, die ihre Intralogistik mit den ähnlichen Systemen ausbauen wollen, zurzeit oftmals lange Lieferzeiten in Kauf nehmen.

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Für alle Einsatzzwecke das passende Transportsystem

Für die enorm gestiegene Nachfrage nach fahrerlosen Transportsystemen gibt es verschiedene Gründe: Zum einen sind die Kosten für die Anschaffung und den Betrieb von FTS in den vergangenen Jahren spürbar gesunken, was sowohl auf die technische Weiterentwicklung der Systeme als auch auf die Vielzahl von neuen Anbietern, wie etwa den US-Hersteller Kiva Systems, der mittlerweile zu Amazon gehört, zurückzuführen ist. Zum anderen hat die höhere Verfügbarkeit von Rechenleistung in den Fahrzeugen selbst (Stichwort Edge-Computing) dazu geführt, dass die Systeme immer leistungsfähiger und flexibler in der Produktionsumgebung einsetzbar sind. Und letztlich hat auch die Diskussion um die Smart Factory selbst das Interesse an FTS auf Entscheider-Ebene befeuert. Denn für viele Unternehmen gelten FTS als idealer Einstiegspunkt in die Industrie 4.0, da sich durch sie mit relativ geringem Implementierungsaufwand unmittelbare Produktivitätsgewinne realisieren lassen. Anders ausgedrückt: fahrerlose Transportsysteme als Plug-and-Play-Element für die Smart Factory. Doch trifft diese Annahme überhaupt zu?

Fahrerlose Transportsysteme unterscheiden sich grundsätzlich hinsichtlich Größe, Leistungsfähigkeit und Funktionsumfang. Kleinteile etwa werden typischerweise in Kleinladungsträgern befördert. Großteile können entweder in Großladungsträgern oder als Einzelteil auf Sondergebinden transportiert werden. Neben der reinen Beförderung von Lasten können FTS auch zum Heben, Stapeln und dem Einlagern in Regale eingesetzt werden. Moderne FTS werden dabei in der Regel elektrisch angetrieben, wobei die Batterietechnik in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat und Einsatzzeiten von bis zu einer Schicht ermöglicht.

Navigation mittels Umgebungsmerkmalen

Szenario von fahrerlosen Transportsystemen in der Industrie. © Shutterstock / Chesky

Die größten technologischen Weiterentwicklungen finden seit einigen Jahren allerdings im Bereich der Navigation statt. Hierbei handelt es sich gleichzeitig um einen der sensibelsten und wichtigsten Bereiche für den Betrieb von fahrerlosen Transportsystem. Denn nur wenn die Förderzeuge in der Lage sind, sich sicher im Raum zu orientieren und die Aufnahme- und Abgabepunkte zu erkennen, können sie erfolgreich im Rahmen der Intralagerlogistik und Kommissionierung eingesetzt werden. Hier haben sich in den vergangenen Jahren verschiedene Systeme herausgebildet:

Optische, magnetische oder induktive Leitlinien im Bodenbereich:

Bislang verfügbare FTS setzten lange Zeit auf optische, magnetische oder induktive Leitlinien, die in den Hallenboden eingelassen oder aufgeklebt wurden. Auf Grund des vergleichsweise hohen Aufwands bei der Installation und der stark eingeschränkten Flexibilität ist bei den neueren FTS-Generationen diese Technologie so gut wie nicht mehr im Einsatz.

Transponder und Magnete für die Rasternavigation:

Bei der Rasternavigation orientieren sich die Fahrzeuge über Reflektoren, Magnete oder andere Referenzpunkte, die ein Raster über die Lager- beziehungsweise Produktionsfläche bilden. Über das Anbringen neuer Reflektoren können neue Fahrtwege und Änderungen im Layout relativ schnell und einfach berücksichtigt werden.

Lasernavigation:

Das heute am häufigsten eingesetzte Verfahren ist die Lasernavigation, genauer die Laser-Triangulation. Über Reflektoren an den Hallenwänden und -säulen kann die Position in der Fläche ermittelt werden. Die Anpassung und Erweiterung von Fahrwegen erfolgt ausschließlich über die entsprechende Steuer-Software.

Navigation mittels Umgebungsmerkmalen:

Die neueste Generation autonomer AGV (aAGV) erstellt mithilfe von integrierten Laser-Scannern beziehungsweise GPS-Systemen ein vollständiges 3D-Abbild des Hallenplans und ist dadurch in der Lage, sich selbstständig im Raum zu orientieren. Anstatt sich ausschließlich auf vorgegebenen Fahrtwegen zu bewegen suchen aAGVs eigenständig ihre Route, um von A nach B zu gelangen.

Zentrale Voraussetzung für diese Art der „freien Navigation im Raum“ ist eine hohe Rechenkapazität im Gerät, mit dem es in der Lage ist, die durch Sensorik erfassten Daten in Echtzeit zu verarbeiten und seine Route entsprechend zu planen. Diese optimierte Navigation ermöglicht einen wesentlich flexibleren Einsatz von FTS jenseits von vorgegebenen Fahrtwegen und schafft damit die Basis für ein dezentrales beziehungsweise selbstorganisiertes System der Nachschubsteuerung.

Von der zentralen Steuerung zur dezentralen Intelligenz

Ein solches System sieht vor, dass sich die FTS nicht nur selbstständig im Raum orientieren, sondern auch die Vergabe und Zuordnung von Transportaufträgen im Schwarm selbstständig intelligent koordinieren. Derzeit funktioniert diese Auftragsvergabe in der Regel über einen zentralen Leitstand, der, vergleichbar mit einer Taxizentrale, die Transportaufträge an die jeweils verfügbaren FTS verteilt. Leistungsfähige Algorithmen beziehungsweise Software-Agenten sorgen hierbei dafür, dass die Aufträge jeweils an diejenigen freien Fahrzeuge vergeben werden, die sich am nächsten zum zu transportierenden Objekt befinden. Moderne Systeme beziehen dabei nicht nur den nächsten Auftrag, sondern – ähnlich wie ein guter Schach-Computer – weitere anstehende Aufträge in die Berechnung mit ein. Dabei sind verschiedene Systemeinstellungen möglich, je nachdem ob eine gleichmäßige Auslastung der AGVs oder eine bestimmte Maximaldauer für den einzelnen Transportvorgang im Vordergrund steht. Aufgrund dieser vorausschauenden Berechnungslogik sind zentralisierte Systeme der dezentralen Auftragssteuerung aktuell noch überlegen. Denn um die gleiche Berechnungslogik auf schwarmintelligente Systeme anzuwenden, müsste die Rechenkapazität in den einzelnen Fahrzeugen noch wesentlich höher sein. Langfristig ist allerdings damit zu rechnen, dass sich dezentrale Systeme durchsetzen werden, da sie insbesondere in puncto Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit den zentralisierten Systemen überlegen sind.

Die autonome Nachschubsteuerung

Die Produktivitätsvorteile fahrerloser Transportsysteme im Vergleich zu konventionellen Formen der Lagerlogistik sind offensichtlich. Dies betrifft sowohl den Auslastungsgrad der einzelnen Fahrzeuge als auch die Arbeitssicherheit. Wie ein solches System in der Praxis aussehen kann, zeigt das Continental-Werk in Regensburg, das 2015 von ROI mit dem „Industrie 4.0 Award“ ausgezeichnet worden ist. Dort wurde auf KLT-Ebene ein komplett automatisierter Nachschub-Prozess realisiert, bei dem die Maschine die für den jeweiligen Auftrag notwendigen Materialien selbstständig im Lager anfordert. Diese werden anschließend mithilfe von FTS ohne menschliches Zutun bis an die Produktionslinie verbracht.

Betriebswirtschaftliches Gesamtergebnis im Blick behalten

Um allerdings eine vergleichbare Lösung zu realisieren, müssen zunächst die entsprechenden Rahmenbedingungen geschaffen werden. Oft unterschätzen Unternehmen dabei Aufwand und Kosten für die Einführung fahrerloser Transportsysteme. Denn die Fahrzeuge selbst sind nur ein Teil der betriebswirtschaftlichen Gesamtkalkulation. Um diese sinnvoll in die eigenen Logistikprozesse einbinden zu können, ist eine IT-technische Anbindung ebenso unerlässlich wie die Anpassung der relevanten Materialfluss-Schnittstellen, zum Beispiel Übergabepunkte. Als Faustregel gilt daher: Fahrzeugkosten mal zwei ergeben den Gesamt-Implementierungsaufwand.

Werden in dieser Phase Fehler gemacht, geraten FTS nicht selten vom schnellen Effizienzbringer zur technischen Spielerei. Denn in der Fabrik der Zukunft gilt: Warenfluss und Informationsfluss sind nicht mehr voneinander zu trennen. In diesem Sinne müssen auch die fahrerlosen Transportfahrzeuge Teil des Informationsflusses im Werk sein. Nur so werden sie zu den Nervenbahnen der Smart Factory.

Prof. Dr.-Ing. Werner Bick, Generalbevollmächtigter der ROI Management Consulting AG und Professor an der OTH Regensburg / ag

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