Auteur: Karl D’haveloose

Lights-outfabrieken mogen dan wel een Orwelliaanse bijsmaak hebben – bovendien lijkt de naam wat luguber – de term verwijst naar volledig autonome fabrieken waar in hoofdzaak robots als personeel fungeren en er door de digitale productieworkflows 24/7 geproduceerd wordt. Zijn we er ver vanaf of zijn er toch wat reserves. We overlopen wat mythes en bespreken samen met Christian Heck, technisch productmanager van Siemens Digital Industries Software, een use-case gebaseerd op de uitrol bij Fürth.

Early adopters van lights-outconcepten leren vandaag hoe autonome productie op te schalen. Het Xcelerator-platform van Siemens is een voorbeeld van hoe dit fabrikanten helpt vooruitgang te boeken.

Nu productiebedrijven nadenken over hoe de ‘fabriek van de toekomst’ eruitziet, lijkt het waarschijnlijk dat autonome productie in een ‘licht-uit’-fabriek zich over het ganse industriële spectrum zal uitbreiden. Het concept van een lights-outfabriek, waar de menselijke activiteit zo minimaal mogelijk is, dat de fabriek in het donker kan werken, is een soort eenhoorn: een prachtig idee, maar eentje dat waarschijnlijk niet snel werkelijkheid zal worden.

Dat gezegd, beginnen de digitale en automatiseringstechnologieën die nodig zijn om dit te realiseren volwassen te worden en worden bedrijven in alle sectoren uitgedaagd om producten beter, sneller, goedkoper en duurzamer te maken, ondanks de uitdagingen in de toeleveringsketen en een krimpende beroepsbevolking. Een donkere fabriek zou dus kunnen helpen om zowel duurzaamheid als productiviteit aan te pakken

Lights-outfabrieken zijn er nog niet

Het is een ambitieuze verwachting voor lights-outproductie. Traditioneel is het type productie dat zich leent voor dit type fabriek eenvoudige massaproductie op een vaste lijnopstelling. Nu producten steeds complexer worden en mass customization/configuratie het aantal potentiële productvarianten doet toenemen, lijkt het uitrollen van een volledig donkere fabriek nog mythischer en haas onmogelijk te worden. Hoewel automatisering en digitale productietechnologieën kunnen helpen om van een mythe realiteit te maken, moeten de veranderingen stapsgewijs worden doorgevoerd om de vruchten ervan te plukken (vooral in brownfieldfaciliteiten waar al grote kapitaalinvesteringen werden doorgevoerd).

Lichtarme fabrieksvloeren worden steeds meer economisch haalbaar

Volgens een studie van Gartner zal tegen 2025 60% van de fabrikanten meer dan twee volledige lights-outprocessen hebben in ten minste één van hun fabrieken. Licht-uitproductie hoeft niet alles of niets te zijn. In plaats daarvan kunnen fabrikanten specifieke processen of gebieden binnen een fabriek identificeren waar autonome productie zowel haalbaar als waardevol is. Deze stapsgewijze lights-outimplementatie, algemeen bekend als lights-spare-implementatie, stelt fabrikanten in staat om het rendement op investering (ROI) van automatisering in balans te brengen zonder de investering die doorgaans nodig is voor een volledige overgang naar een complete lights-outfabriek.

Fig. 1 Autonome productie testopstelling in Fürth

Software voor productieprocessen is de sleutel tot lights-outproductie

De ontwikkeling en volwassenheid van talloze geautomatiseerde machines en robots en uitgebreide, degelijke MOM-software (Manufacturing Operations Management) vormen de sleutel tot de creatie van deze lights-outproductiecellen. Nieuwe ontwikkelingen in MOM-software maken het mogelijk om autonome productiesystemen naadloos te orkestreren via twee belangrijke mogelijkheden.

De eerste optie is de operationele eisen automatisch afstemmen op het potentieel van de apparatuur. Software moet in staat zijn om automatisch beschikbare productiemiddelen te identificeren wanneer een nieuw product wordt geïntroduceerd, maar ook tijdens een onvoorziene gebeurtenis op de werkvloer, zoals een storing in de apparatuur. Ten tweede moeten productie-uitvoering, materiaaltoevoer, toeleveringsketen en planning een op gebeurtenissen gebaseerde integratie hebben, wat niet alleen zorgt voor een naadloze uitvoering van het productieproces, maar tevens continue optimalisatie en geautomatiseerde afhandeling van mogelijke onderbrekingen mogelijk maakt.

Naast deze belangrijke mogelijkheden biedt MOM-software ook een nieuwe gebruikerservaring. Want zelfs als we het over lights-out hebben, zullen mensen nog steeds een belangrijke rol spelen in de toekomst van productie. Deze nieuwe gebruikerservaring contextualiseert informatie uit verschillende bronnen om besluitvorming op afstand mogelijk te maken, wat kan variëren van het opnieuw plannen en prioriteren van orders tot het gebruik van alternatieve leveranciersstrategieën.

Een nieuwe benadering van productieplanning en machine-engineering

Light-outproductieconcepten vereisen een flexibelere relatie tussen product, proces en middelen dan een traditionele productie. Als gevolg daarvan zullen productie-ingenieurs abstracter moeten werken dan voorheen en zal de manier waarop ze beperkingen definiëren cruciaal worden om het volledige potentieel van een autonoom productiesysteem te benutten. Dit vergroot op zijn beurt het belang van het gebruik van simulatie in een vroeg engineeringstadium ter ondersteuning van het automatisch genereren en valideren van scenario's, wat essentieel is voor een succesvolle implementatie. Door deze nieuwe aanpak kan de orkestratiesoftware extra flexibiliteit en vrijheid krijgen om zijn eigen beslissingen te nemen en het autonome niveau te bereiken dat vereist is omhet licht uit te doen.

Fig. 2 MOM of Manufacturing Operations Software is de sleutelcomponent tot autonome productie

Strategische personeelsplanning

Naarmate fabrikanten lights-outconcepten beginnen te implementeren, zullen de vaardigheidseisen voor het personeel in drie opzichten veranderen. Ten eerste moeten planningsingenieurs, naast kennis van het domein en de productie, expertise verwerven die nodig is om abstracte beperkingen en afhankelijkheden te modelleren en simulatietools te gebruiken voor validatie in hun dagelijkse werk.

Ten tweede vereisen operatoren op de werkvloer kennis van de nieuwste automatiseringstechnologieën om autonome machines veilig te kunnen bedienen. Leveranciers van machines en oplossingen moeten ook overstappen van expertsystemen met gespecialiseerde kennisvereisten naar gebruikersvriendelijke interfaces, die een snelle aanpassing en uitbreiding van de mogelijkheden van een machine mogelijk maken. Dit omvat bijvoorbeeld de aanpassing van robots, kaarten voor AGV-routes (Automatisch Geleide Voertuigen), het bijwerken van materiaalvereisten voor nieuwe producten en nog veel meer. Door gebruik te maken van de nieuwste IT- en low-codeprogrammeerconcepten voor verschillende automatiserings-technische taken, kan het bredere personeelsbestand bijdragen aan de overgang.

Ten derde zullen functieverrijking en continu leren fabrikanten helpen concurrerend en winstgevend te blijven in de wereldeconomie, nu ze te maken krijgen met een vergrijzend personeelsbestand en tekorten aan geschoolde arbeidskrachten.

Belangrijkste lessen uit Siemens EWF Fürth: je kan dit niet op je eentje

De ervaring van het personeel op de werkvloer is cruciaal en moet worden vastgelegd. Het is belangrijk om de activiteiten op de werkvloer in een vroeg stadium erbij te betrekken om de ‘institutionele kennis’ te digitaliseren, met inbegrip van informatie, zoals specifieke beperkingen, beste praktijken, typische faalscenario's, enz.

Het begint allemaal met materiaaltransparantie en logistieke processen binnen de fabriek, die 100% inzicht vereisen in het materiaalbeheer tot en met de inbedrijfstelling en verpakking in dozen.  Geautomatiseerd materiaaltransport, inclusief laden en lossen, is meestal langzamer, dus geoptimaliseerde geavanceerde planning kan dit compenseren en het systeem winstgevend maken.

Een autonoom systeem vereist een abstracte machine-interface, gebaseerd op een capability state machine. Het is dus belangrijk om de machineleveranciers vroeg in het proces te betrekken om een uniforme werkvloerinterface te garanderen. Dit doe je niet zonder je volledige lijst cruciale leveranciers erbij te betrekken.

De Siemens Xcelerator-portfolio heeft al fundamentele functies geïmplementeerd om klanten te ondersteunen tijdens hun individuele traject, waarbij er lessen werden getrokken uit de ervaringen in de fabriek in Fürth.

Voordelen van autonome productie

De belangrijkste drijfveer voor de meeste fabrikanten die naar autonome productieconcepten kijken, is de noodzaak om de productiviteit te verhogen en tegelijkertijd de arbeidskosten te verlagen. Ook al is er het risico om de vereiste arbeidsvaardigheden op het juiste moment en op de juiste plaats te krijgen om aan de veranderende marktvraag te voldoen.

Hoewel de autonome productieconcepten deze uitdaging kunnen aangaan, is dat niet hun enige waarde. De mogelijkheid om elk productieproces van nieuwe en bestaande producten automatisch af te stemmen op -  en te valideren met - de beschikbare apparatuur, inclusief de procesvereisten, kan fabrikanten in staat stellen om belangrijke zakelijke KPI's te halen, zoals een snellere time-to-market, duurzaamheid en een grotere veerkracht.

Daarnaast biedt het de mogelijkheid om producten in verschillende productiesystemen en faciliteiten te vervaardigen om lokale en duurzame productie te ondersteunen. Tevens is het een manier om onderbrekingen in de toeleveringsketen te compenseren.

Use Case: Lights-Out productieconcepten testen in de Fürth fabriek

Als softwareleverancier en productiebedrijf heeft Siemens onlangs een autonoom elektronisch dozenbouwproces geïmplementeerd met een laser-, PXI-test-, dozenmontage- en eindmontagestation. Al het materiaaltransport op de modulaire werkvloer werd gerealiseerd met behulp van AGV's. Elk station heeft zijn eigen dockingstations voor het laden en lossen van boxdragers. Het laden van machines en assemblagetaken wordt uitgevoerd met universele robots met op maat gemaakte eindeffectoren (zuignap, grijper,….).