Instandhaltung – Prof. Dr. Christian Leubner

ERP 2030: Industrie 5.0 und Industrial Metaverse voraus

Wir freuen uns über die Veröffentlichung unseres aktuellen Beitrags mit dem Blick in die Glaskugel zu Industrie 5.0 und Industrial Metaverse in ERP Information 2/2023.

Die Ideen zur Industrie 4.0 waren vor allem technischer Natur: Cyber-Physical Systems (CPS), Big Data und Analytics, Cloud, Augmented Reality, um nur ein paar technologische Säulen zu nennen.

Mitten im Corona-Jahr 2021 hat die Europäische Kommission ein Konzeptpapier zur Industrie 5.0 veröffentlicht. In Ergänzung zu Industrie 4.0 werden hierin gesellschaftliche Aspekte in den Mittelpunkt gerückt, um Industriearbeitsplätze in Europa dauerhaft zu erhalten. Kernbereiche sind Resilienz, Nachhaltigkeit und Mensch-Zentrierung („human-centric“). Der Mensch soll auch zukünftig im Mittelpunkt der industriellen Fertigung stehen und nicht zur begleitenden Randerscheinung werden. Als konkretes Beispiel wird mehrfach der „Augmented Operator“ genannt, der mit Hilfe von Augmented Reality (AR) Headsets virtuelle Inhalte in seine natürliche Umgebung eingeblendet bekommt. Seit Vorstellung des Apple Vision Pro Headsets ließe sich hier der Begriff „spatial computing“ alternativ ergänzen.

Das Stichwort Apple passt insofern gut, als dass die Vision Pro einen fließenden Wechsel zwischen Augmented und Virtual Reality (VR) beherrschen soll. Bei VR sehen Anwendende ausschließlich virtuell berechnete Inhalte, ohne reale Umgebung. Sowohl VR als auch AR spielen eine bedeutende Rolle für das „Metaverse“, mit dem seit einiger Zeit eine Weiterentwicklung des heutigen Internets bezeichnet wird. Auch wenn es hierzu noch keine allgemein anerkannten Definitionen gibt, soll sich das Internet von zweidimensionalen kleinen Bildschirmen lösen und dreidimensional erfahrbar sein. AR und VR sind hierfür die maßgeblichen Technologien, in die vor diesem Hintergrund nahezu alle großen Tech-Unternehmen (neben Apple vor allem auch Meta/Facebook) massiv investieren. Auswirkungen auf Unternehmen und neue Use-Cases in der Industrie werden in Abgrenzung zum Privatbereich als „Industrial Metaverse“ bezeichnet.

In unserem Beitrag zur aktuellen Ausgabe der ERP Information 2/2023 beleuchten Benedict Homuth und ich, wie mit offenen Webstandards wie JavaScript und WebXR Anwendungen für AR und VR erstellt werden. Außerdem zeigen wir Use-Cases für die Instandhaltung, Remote-Assistance und Digital Twins. Unser Beitrag ist im Open Access online frei zugänglich.

4th International Conference on Industry 4.0 and Smart Manufacturing

Abschlussarbeiten müssen nicht „für die Schublade“ geschrieben werden, sondern können auch internationale Aufmerksamkeit erhalten. So geschehen mit der Bachelor-Arbeit von Meike Wagner, in der sie in einem Unternehmen in Hemer untersucht hat, ob neue oder weniger qualifizierte Mitarbeitende Routine-Instandhaltungsaufgaben durch den Einsatz einer Holo-App auf der Microsoft HoloLens ohne zusätzliche Unterstützung durchführen können. Effektivität und Effizienz hat sie dabei im Vergleich zu Papier-basierten Ansätzen sowie einer web-basierten Tablet-Lösung verglichen. Ganz nebenbei wurden außerdem die Eindrücke der Nutzenden gesammelt und im Hinblick auf User Experience und Verbesserungspotenziale der Holo-App strukturiert ausgewertet.

Die Ergebnisse wurden nun auf der 4th International Conference on Industry 4.0 and Smart Manufacturing in Linz einem internationalem Fachpublikum von über 200 Teilnehmenden präsentiert. Die Kernergebnisse der Bachelorarbeit in Form eines Konferenzbeitrags werden außerdem in Kürze bei Procedia frei zugänglich veröffentlicht (indiziert bei Scopus, Web of Science, INSPEC und Engineering Village).

Vielen Dank an Frau Wagner, der wir viel Erfolg für ihren weiteren akademischen und beruflichen Werdegang wünschen!

HoloLens auf der Maintenance Messe 2022

Von der Hochschule auf die Instandhaltungsfachmesse „Maintenance“ in Dortmund verschlug es unseren Bacheloranden Christian Heimann. Hr. Heimann hatte im Sommersemester 2022 das Programmiermodul für die HoloLens bei uns belegt und wollte in diesem Bereich auch seine Bachelor-Arbeit schreiben.

Christian Heimann, Bachelorand im Wirtschaftsingenieurwesen, und Fr. Zachariou, Senior Manager SAP EAM/CS bei der Fa. it-motive, präsentieren Ideen für die Instandhaltung mit der HoloLens.

Möglich gemacht hat das die IT-Beratungsfirma it-motive, die Hr. Heimann an das Stahlunternehmen HKM (Hüttenwerke Krupp Mannesmann) vermittelte. Dort konnte Hr. Heimann seine Bachelorarbeit im Rahmen eines Innovationsprojekts zum Themenbereich Industrie 4.0 direkt in der Unternehmenspraxis durchführen. Ziel war die Unterstützung von Mitarbeitenden bei Wartungsaufgaben durch eine Holo-App auf der HoloLens.

Das Ergebnis hat nicht nur HKM und it-motive überzeugt, so dass Hr. Heimann seine Holo-App dem interessierten Fachpublikum auf der Messe präsentieren konnte. Neben der interessanten Erfahrung hat Hr. Heimann es direkt auch praktisch genutzt: Besucher, die die Lösung ausprobiert haben, wurden gebeten, an einer Umfrage für seine Bachelorarbeit teilzunehmen.

Inspektion mit Drohnen

Programmierprojekt im Wintersemester 2019/20: Effizienzsteigerung in der Instandhaltung durch Bild- und Videoaufnahmen mit Drohnen

Regelmäßige Inspektionen und Sichtprüfungen sind feste Bestandteile vieler Anlagen und Maschinen im Rahmen der Instandhaltung, teilweise sogar auf Grundlage gesetzlicher Vorgaben, z. B. im Rahmen der Arbeits- oder Umweltsicherheit. Aufwändig und damit auch teuer wird es für Unternehmen, wenn die Anlagen entweder nicht ohne weiteres oder nur mit großem Aufwand (z. B. Gerüst) zugänglich sind: auf Dächern, bei Oberleitungen, Windkraftanlagen, Antennenanlagen etc.

Aufnahme eines Klimageräts auf einem Dach per Drohne

Programmierprojekt im Modul „Informationsmanagement“ im WS 2019/20

Der Schwerpunkt im Modul „Informationsmanagement“ liegt auf der Entwicklung einer Datenbank-gestützten Anwendung. Im kommenden Semester möchten wir mit allen Studierenden ein gemeinschaftliches Projekt für das oben beschriebene Anwendungsszenario erstellen:

Es wird angenommen, dass genaue Orts- und GPS-Informationen von technischen Anlagen in der Datenbank eines Informationssystems vorhanden sind bzw. hinterlegt werden können. Dies könnte z. B. in der Technischen Platz Struktur eines SAP ERP-Systems erfolgen (Modul PM: Plant Maintenance).
Die Drohne wird über ein mobiles Endgerät (Android- oder iOS-basiert), das an die Fernbedienung der Drohne angeschlossen ist, gesteuert. Über eine neu zu entwickelnde App erfolgt die Steuerung der Drohne teil-automatisiert zu den richtigen Koordinaten der zu inspizierenden Anlagen. Der menschliche Pilot überwacht lediglich noch den Flug und greift in Ausnahmesituationen ein.
Die App automatisiert die Aufnahme von Videos, Fotos und Wärmebildern an den richtigen Stellen und sendet diese zurück.
Ein/e Instandhalter/in nimmt die Sichtprüfung über die Bilder und Videos vor. Im Bedarfsfall kann eine Instandhaltungsaktion auf Basis der Bild- und Videoaufnahmen erfolgen (z. B. Anlegen einer Instandhaltungsmeldung mit Fotos/Video in einem SAP ERP-System). Auch die Einbindung als Rundgangsplanung („Inspection Rounds“) im SAP EAM erscheint denkbar, wäre dann allerdings eher ein Rundflug :-).

Industrie 4.0 mit SAP Leonardo und SAP HANA

Im kommenden Wintersemester 2019/20 biete ich wieder als Wahlpflichtfach im Rahmen „Sondergebiete Informatik“ oder „Sondergebiete Ingenieurwissenschaften“ das Modul „Industrie 4.0 und Internet-of-Things mit SAP und der Fischertechnik Fabriksimulation“ an.

Fischertechnik Fabriksimulation: Vorne im Bild das Hochregallager mit automatischen Regalbediengerät. Hinten: Strahlend blauer Himmel über Hagen.

Inhaltlich werden wir uns mit Informationssystemen für die Industrie 4.0 beschäftigten und die Konzepte beispielhaft mit SAP-Systemen anhand der Fischertechnik Fabriksimulation nachvollziehen.

Losgröße 1: Kundenindividuelle Fertigung

Im ersten Anwendungsszenario beschäftigen wir uns mit der kundenindividuellen Fertigung („Losgröße 1“). Ein Kundenauftrag wird im SAP S/4HANA angelegt, an ein SAP Manufacturing Execution (ME) übergeben und anschließend als Fertigungsauftrag in der Fabriksimulation entsprechend Kundenvorgabe hergestellt.

Die Steuerung der Fischertechnik-Anlage übernimmt dabei ein Raspberry PI Kleincomputer, der die verschiedenen Controller von Fischertechnik steuert.

Predictive Maintenance / Internet-of-Things

Raspi zur Anlagensteuerung (links) und zur Messwert-Erfassung (Mitte). Rechts zwei Sensoren zur Temperatur- und Luftfeuchtigkeitserfassung.

Im zweiten Anwendungsszenario werden Messwerte in der Fischertechnik-Anlage mit einem Raspberry PI und daran angeschlossenen Sensoren (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) erfasst und fortlaufend an eine SAP HANA Datenbank gestreamt. In der HANA-Datenbank wird ein Regelkreis definiert, der dazu führt, dass bei einer definierten Überschreitung von Sensorwerten automatisch eine Instandhaltungsmeldung und -auftrag im SAP S/4HANA erzeugt wird, die dafür sorgt, dass die Anlage durch die Instandhaltung überprüft wird.

Instandhaltungsauftrag (PM Order) in S/4HANA

Zielgruppe und Durchführung

Das Modul richtet sich sowohl an Wirtschaftsinformatiker als auch an Wirtschaftsingenieure, die Interesse an den Konzepten der Industrie 4.0 und deren Umsetzung mit SAP-Produkten haben. Spezielle Programmierkenntnisse sind nicht erforderlich. Die Durchführung ist als zweitägiges Blockseminar nach der Vorlesungszeit geplant (Februar 2019), die Prüfungsleistung besteht aus einer Hausarbeit zum Themenkomplex.

Mixed Reality mit der Microsoft HoloLens

Mensch-Computer Interaktion beschränkt sich nicht auf die Touchbedienung von Displays oder die Nutzung von grafischen Benutzeroberflächen mit Maus und Tastatur. Neue Hardware wie beispielsweise die Microsoft HoloLens ermöglicht die Integration virtueller Einblendungen in unsere natürliche Umgebung (Mixed Reality oder auch Augmented Reality).

Am Fachbereich TBW verfügbar: Die Microsoft HoloLens

Hieraus ergeben sich auch neue Interaktionsmechanismen: Die Microsoft HoloLens erkennt beispielsweise Handgesten, die vor der Brille ausgeführt werden, mit Hilfe eingebauter Kameras. In Kombination mit der Blickrichtung können so vielfältige Interaktionen mit den eingeblendeten virtuellen Objekten ausgelöst werden.

In Unternehmen ermöglichen Mixed Reality Devices neue Anwendungsfälle:

Handwerkern können spezifische Informationen zu Objekten eingeblendet werden, die sie montieren oder reparieren müssen.
Durch das Einblenden in das natürliche Sichtfeld wird ein häufiger Blickwechsel zwischen einem Bildschirm und dem eigentlichen Objekt vermieden.
Das durch die Brille betrachtete Bild kann an eine Zentrale übertragen werden und ermöglicht so das Zuziehen externer Experten (remote assistance).

Eine beispielhafte Anwendung für die Wartung von Aufzügen zeigt dieses Video von thyssenkrupp:

Aufzugswartung mit der HoloLens

Industrie 4.0 mit SAP und der Fischertechnik Fabriksimulation

Frisch ausgepackt: Fischertechnik Fabriksimulation

Frisch eingetroffen am Fachbereich Technische Betriebswirtschaft (TBW) ist die Fischertechnik Fabriksimulation, mit der in der Lehre zukünftig anschaulich ein Einblick in die Industrie 4.0 vermittelt werden soll.

Zusammen mit aktuellen Produkten der Firma SAP wie beispielsweise SAP Leonardo, S/4HANA und SAP ME (Manufacturing Execution) wird ein realistisches Szenario einer Internet-of-Things (IoT) Verwendung in der Produktion nachgestellt. Mit Hilfe eines Raspberry Pi Kleincomputers werden fortlaufend Messwerte aus der Anlage ermittelt, über das Internet an die SAP-Systeme übermittelt und mit Hilfe von maschinellen Lernverfahren (machine learning) analysiert. Charakteristische Veränderungen in den Messdaten können so genutzt werden, um einen bevorstehenden Ausfall von Anlagenkomponenten zu erkennen, bevor diese tatsächlich ausfallen. Die betriebliche Instandhaltung kann die betroffene Komponente auf diesem Weg austauschen oder reparieren, bevor diese tatsächlich mit einem Defekt ausfällt und zu einem teuren Produktionsausfall führt.

Diese Strategie der vorhersagenden Instandhaltung wird auch als predictive maintenance bezeichnet und zählt zu den typischen Industrie 4.0 Anwendungsfällen. Im Vergleich zu bisherigen Instandhaltungsstrategien, die kritische Anlagenteile entweder vorbeugend nach festen Laufzeiten oder korrektiv nach deren tatsächlichen Ausfall wechseln, gilt die vorhersagende Instandhaltung als besonders ressourceneffizient, da auf der einen Seite Produktionsausfälle vermieden werden können und auf der anderen Seite die Nutzungszeit von Komponenten verbessert werden kann.

Die Studierenden in den Bachelor-Studiengängen Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsingenieurwesen erhalten ab dem Sommersemester 2019 detaillierte Einblicke in die Konzepte der Industrie 4.0, die praxisnah anhand der in der Wirtschaft stark verbreiteten Lösungen der Firma SAP vermittelt werden.

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