Anwendungsfall für die Produzierende Industrie
Taktzeitoptimierung
Erhöhung der Produktivität von Maschinen und Anlagen durch eine Verbesserung der Taktzeit.
Typische Problemstellung in der Produktion
In der automatisierten Serienfertigung durchlaufen Werkstücke und Teile in der Regel einen mehrstufigen Prozess, der dadurch gekennzeichnet ist, dass unterschiedliche Arbeitsgänge und Bearbeitungen auf verschiedenen Maschinen durchgeführt werden. Zwischen diesen Fertigungsstufen und Stationen erfolgt der Weitertransport. Teilweise sind sogar Qualitätskontrollen oder eine Zwischenlagerung als Puffer zwischengeschalten.
Gemeinhin ist die Zykluszeit, also die Zeitdauer der Bearbeitung auf den einzelnen Fertigungsstufen unterschiedlich lang. Für eine maximale Produktivität und einen kontinuierlichen Material- und Produktionsprozess werden deshalb die Abläufe an den Prozessschritten oder Maschinen mit den längsten Zykluszeiten ausgerichtet. Für zeitintensive Arbeitsgänge werden zudem oft zwei oder mehr Stationen parallel in den Produktionsprozess integriert. Damit wird zwar die Bearbeitungskapazität erhöht und damit die Taktzeit verkürzt, aber auch die Komplexität in der Aussteuerung des Fertigungsprozesses vervielfacht.
Bei der Planung und Auslegung der Bearbeitungszeiten werden zudem für jeden Arbeitsgang gewisse Reserven eingerechnet, damit in der Praxis die vertraglich geforderten Zeitdauern oder Mengeneinheiten sicher erreicht werden. Auch ein nicht optimaler Materialtransport oder selbst kleinere Störungen können sich ganz wesentlich auf die reale Taktzeit auswirken. Außerdem sollten weitere Einflussfaktoren berücksichtigt werden, die zu Störungen führen könnten z. B. das Verkanten von Teilen oder der Wiederanlauf nach dem Fahren gegen eine Begrenzung. Bei alldem müssen immer auch die Leistungsfähigkeit und die mechanischen und thermischen Grenzen der Bauteile und Aggregate, bspw. Servomotoren beachtet werden.
Es wird deutlich, dass sich durch die Summe der Einflussfaktoren die Optimierung der Taktzeit in der Praxis als sehr komplex herausstellt. Deshalb ist eine Taktzeitoptimierung aufgrund von Erfahrungen oder „nach Gefühl“ in der Praxis häufig anzutreffen. Dieses Vorgehen hat jedoch klare Grenzen hinsichtlich der Optimierungsmöglichkeiten und die vielfältigen Korrelationen finden nur in geringem Maße Beachtung.
Wie kann also eine nachhaltige Optimierung gelingen?
Taktzeitoptimierung mittels IIoT-Technologien als Lösung
Als Grundlage für die Datenerhebung und Überwachung der Prozesse ist es notwendig, alle Prozessstufen sowie die relevanten Durchgangspunkte zu den einzelnen Stationen mit Sensoren und entsprechenden Lesegeräten auszustatten. Dafür können Werkstückträger und Trays mit RFID-Transpondern (engl. radio-frequency identification) ausgerüstet werden, die – wie der Name besagt – mithilfe elektromagnetischer Wellen das Erkennen der zu- und ablaufenden Warenträger ermöglichen.
Als weitere wichtige Datenquelle dienen die Steuerungen der Maschinen und Roboter. Über sie können die tatsächlichen Prozesszeiten ausgelesen und in produktive Arbeitszeiten für wertschöpfende Bearbeitungen und Prozesse sowie unproduktive Bewegungs- und Nebenzeiten wie z. B. für Werkzeugtransport, Teiletransport und Verfahrwege aufgliedern.
Zusätzlich müssen auch die Pufferzonen überwacht werden. Falls die Warenträger eine variierende Menge an Teilen aufnehmen können, ist auch die Erfassung deren Belegung bzw. der Stückzahl mit optischen Sensoren oder über Lastmessung zu empfehlen. Als zusätzliche Datenquelle lohnt es sich zudem für die Funktion der Anlage kritische oder mit hohem Verschleiß behaftete Bauteile und Aggregate mit Sensoren und Messgebern auszustatten. Schließlich muss bei jeder Steigerung der Produktivität eine überproportionale Belastung der Anlage vermeiden werden.
Alle diese Sensoren und Datenquellen der Anlage werden über das Industrial Internet of Things vernetzt. Unterstützung bei der kontinuierlichen Datenerhebung, Datenspeicherung und Auswertung der Zykluszeiten für jede einzelne Prozessstufe bieten intelligente Softwaretools, wie z. B. die IIoT Building Blocks. Sehr wichtig ist bei einem solchen Softwaretool die Fähigkeit zur zeitlichen, sekundengenauen Synchronisation der unterschiedlichen Daten, damit eine Vergleichbarkeit sichergestellt und Abhängigkeiten erkannt werden können.
Zur Taktzeitoptimierung werden mithilfe der Analyse der Daten folgende Schritte durchlaufen:
- Erkennen von Zeitverlusten durch Störungen sowie Identifizieren der Gründe
- Aufdecken von Engpässen und Wartezeiten im Prozessablauf, die Auswirkungen auf die Taktzeit haben, z. B. Roboter wartet auf die Freigabe des Bewegungsraums, der auch von einem anderen Roboter beansprucht wird
- Identifizieren der Station mit dem Einzelprozess, der die längste Zykluszeit benötigt, da dieser die Taktzeit der Fertigungslinie bestimmt
- Detailliertes Analysieren des Prozesses hinsichtlich der Vermeidung unproduktiver Bewegungs- und Nebenzeiten
- Prüfen der Möglichkeit zur Steigerung der Prozessgeschwindigkeit bei Aufrechterhaltung der Qualität und Beachtung der Leistungsgrenzen der Anlage sowie der Bearbeitungskapazität durch Parallelanordnung weiterer Stationen und Maschinen
- Umsetzen der Maßnahmen und erneutes Analysieren, welcher evtl. neue längste Einzelprozess nun die Taktzeit bestimmt und entsprechend weiterführend optimiert werden kann
Mithilfe eines Systems mit IIoT-Technologien und einer intelligenten Software IIoT Building Blocks steht also eine Lösung zur Verfügung, mit der eine zielgerichtete Taktzeitoptimierung der Linie auch in einem komplexen Produktionssystem gelingt. Eine exakte Datenerfassung und Datenanalyse sind die notwendige Grundlage, um bei der Optimierung der Taktzeit Erfolge zu erzielen, die über die Möglichkeiten einer einfachen Beobachtung hinausgehen. Denn Unterschiede in Sekunden oder in Bruchteilen von Sekunden können bei einer großen Linie durch reine optische Beobachtung kaum wahrgenommen werden.
Vorteile durch Taktzeitoptimierung
Das Ziel der Taktzeitoptimierung ist es, ungeplante Ausfallzeiten zu eliminieren, Vorlaufzeiten zu reduzieren und dadurch die Durchlaufzeiten zu verkürzen. Mit der datenbasierten Analyse werden auch „verdeckte“ Einflussfaktoren bei komplexen Abläufen identifiziert, bspw. auch bei großen Produktionsanlagen mit vielen Robotern oder Montagelinien. Denn auch kleine Engpässe oder kurze „Aussetzer“ führen zu Zeitverlusten im Betrieb und werden in ihrem Einfluss auf die tatsächlich erreichte Taktzeit gerne unterschätzt.
Das datenbasierte Vorgehen stellt dabei sicher, dass „Job-Stopper“, also der langsamste, die Taktzeit bestimmende Prozess in der Linie eindeutig identifiziert wird. Die Optimierung des Einzelprozesses gelingt auch nicht automatisiert, sondern erfordert „Fingerspitzengefühl“. Denn jede Beschleunigung von Abläufen kann wiederum zu instabileren Prozessen führen oder Anlagenteile überlasten. Und genau davor „warnt“ bzw. schützt die datenbasierte Analyse, weil auch scheinbar unbedeutende Abhängigkeiten mit ihren Auswirkungen auf den Gesamtprozess und die Taktzeit erkannt werden. Ein Prozess muss also unter allen Bedingungen sicher und stabil funktionieren, bevor sich eine Taktzeitoptimierung lohnt.
Alles in allem führt die Taktzeitoptimierung zur Steigerung der Produktivität, ein höherer Durchsatz mit mehr Output an Teilen und Produkten wird möglich sowie zur Verringerung der Herstellungskosten. Es kann somit eine bessere Auslastung der Anlage sichergestellt werden und das Potenzial bestehender Fertigungsanlagen wird besser ausgenutzt. Die frei gewordenen Reserven können entsprechend zeitnah mehr Nachfrage bedienen. Der Einsatz von Softwaretools gewährleistet, dass die Optimierung nicht zulasten der Prozesssicherheit und Qualität geht oder zu einer Überlastung der Anlage führt.
Optimieren auch Sie die Taktzeit Ihrer Fertigungsprozesse mithilfe von IIoT-Software.
Unsere Erfahrung teilen wir dabei gerne mit Ihnen und unterstützen Sie im Rahmen eines Pilotprojektes mit den IIoT Building Blocks.
Was ist Taktzeitoptimierung?
Die Taktzeit ist in der industriellen Produktion die Zeitdauer, wie lange ein Werkstück oder eine Mengeneinheit einen einzelnen Produktionsprozess bzw. eine Station durchläuft. Durch Taktzeitoptimierung kann die Produktivität von automatisierten Produktionsanlagen gesteigert werden. Dies resultiert zumeist in einer Verkürzung der Taktzeit, die durch Erfassung der Daten aus Einzelprozessen sowie der Betrachtung des Zusammenspiels der Fertigungsstationen, Steuerungen und Logistik möglich ist.
Ihr Ansprechpartner
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Wir stehen für Ihre Fragen gerne zur Verfügung.
Wolfram Schäfer
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