Standardbibliothek beschleunigt weltweit Modellierungsaufwände für die Materialflusssimulation um 50 Prozent

Mit digitalen Lösungen zum Wandel der Mobilitätskonzepte

Die Bosch-Gruppe beschäftigt als international führendes Technologie- und Dienstleistungsunternehmen weltweit rund 421 000 Mitarbeitende. (Stand: 31.12.2022). Sie erwirtschafteten im Geschäftsjahr 2022 einen Umsatz von 88,2 Milliarden Euro. Die Aktivitäten gliedern sich in die vier Unternehmensbereiche Mobility, Industrial Technology, Consumer Goods sowie Energy and Building Technology. Als einer der führenden Anbieter im Internet der Dinge (IoT) bietet Bosch innovative Lösungen für Smart Home, Industrie 4.0 und Connected Mobility. Bosch verfolgt die Vision einer nachhaltigen, sicheren und begeisternden Mobilität. Mit seiner Kompetenz in Sensorik, Software und Services sowie der eigenen IoT-Cloud ist das Unternehmen in der Lage, seinen Kunden vernetzte und domänenübergreifende Lösungen aus einer Hand anzubieten. Strategisches Ziel der Bosch-Gruppe ist es, Lösungen und Produkte für das vernetzte Leben anzubieten, die entweder über künstliche Intelligenz (KI) verfügen oder mit ihrer Hilfe entwickelt oder hergestellt werden. Mit innovativen und begeisternden Produkten sowie Dienstleistungen verbessert Bosch weltweit die Lebensqualität der Menschen.

Die Aktivitäten rund um die Simulation von Produktionssystemen bündelt Bosch in der zentralen Arbeitsgruppe Digital Production. „Wir evaluieren, verbessern, standardisieren und etablieren Schlüssellösungen im Kontext der Materialfluss-Simulation, sowohl für neue, als auch für bereits vorhandene Serienproduktionen, “ sagt Tobias Lechler, der die Arbeits-gruppe seit 2022 leitet.

Materialfluss-Simulation als Dienstleistung

Eine wichtige Rolle spielt dabei die Materialfluss-Simulation. Bei der Planung neuer Fertigungslinien und -standorte werden Planungsszenarien validiert, Produktionsabläufe und Layouts optimiert, Laufwege und Verteilung der fahrerlosen Transportsysteme (Automated Guided Vehicles, AGV) sowie viele andere Parameter überprüft. Bei der Verbesserung vorhandener Produktionsumgebungen werden Produktionsplanungen mit simulationsbasierten Vorhersagen unterstützt, Verlagerungskonzepte validiert und Verbesserungskonzepte erarbeitet. Mit diesen Aufgaben begann Carsten Meyer bereits 2018 als Simulationsexperte im Zentralbereich Engineering und Production Services bei Bosch. Bis heute hat er Simulationsprojekte in 16 Fabriken und sieben verschiedenen Divisionen des Unternehmens durchgeführt.

„Damals haben wir uns nach einer Evaluationsphase für die durchgehende Anwendung von Plant Simulation entschieden,“ sagt Carsten Meyer. „Der Leistungsumfang und die Benutzerfreundlichkeit haben uns überzeugt.“ Plant Simulation gehört zum Tecnomatix-Portfolio der Siemens Digital Industries Software, einem langjährigen Partner von Bosch.

Die Simulation einer Fertigungsanlage in Plant Simulation, das zur Siemens Xcelerator Plattform aus Software, Hardware und Services gehört, beginnt mit dem Aufbau eines Simulationsmodells. Mit Hilfe, der in Plant Simulation vorhanden Standardobjekte für Fertigungs- und Logistikeinheiten können komplexe Produktionssysteme konfiguriert und in einem Anlagenlayout platziert werden, um eine 2D- oder realistische 3D-Darstellung der Anlage zu erhalten. „Bei diesem Aufbau bietet das System viele Möglichkeiten und lässt große Freiheiten“, sagt Tobias Lechler. „Dadurch werden Simulationsmodelle aber auch sehr schnell äußerst individuell, was den Austausch, die Zusammenarbeit und Wiederverwendung in größeren Anwendergruppen erschwert.“

Anschließend werden den einzelnen Objekten Parameter hinzugefügt. Dies können Bauteilgröße, Produktionsprozesszeiten, die Kapazität von Puffern oder Kennzahlen für mögliche Ausfälle und Umrüstzeiten sein. Die Simulationsexperten verändern die Parameter in verschiedenen Szenarien, bis sie ihre Ziele hinsichtlich Ausbringungsmenge, Taktzeiten oder Effizienz der Gesamtanlage erreichen. „Es gehört viel Erfahrung dazu, die richtigen Daten an den richtigen Stellen zu einzusetzen“, sagt Carsten Meyer. „Bei uns fehlten aber gut ausgebildete Experten und die Modellqualität ist von Außenstehenden nur schwer zu überprüfen.“

Für die Skalierung des Simulationseinsatzes ergaben sich zwei weitere Hindernisse: „Während die Experten am Wertstrom Verbesserungsarbeit leisten sollen, werden sie bei dem Modellaufbau mit wiederkehrenden, nicht wertschöpfenden Aufgaben belastet“, berichtet Tobias Lechler. Carsten Meyer ergänzt: „Durch die vielfältigen Aufgaben und Varianten dauert die Ausbildung zu lange, um das gesamte Wissen auch behalten zu können.“

Experten von Standards überzeugen

Ab 2019 unterstützte Carsten Meyer daher die zentrale Arbeitsgruppe Digital Production von Bosch bei der Suche nach einer Lösung dieser Herausforderungen. Ein vierköpfiges Team aus Experten, Testern und Entwicklern machte sich an die Arbeit, eine Standardbibliothek für die Simulation von Produktionssystemen zu entwickeln. In diesen Prozess wurden auch die weltweit verteilten Experten des Unternehmens einbezogen.

Dabei wurden die Vorteile von Plant Simulation mit ihrer objektorientierten Simulations-umgebung zur Kapselung, Vererbung von Eigenschaften und Definition von Hierarchien genutzt. Objekte können in Bibliotheken gespeichert und Anwendern zur Verfügung gestellt werden. Dann lassen sich zentrale Änderungen auf alle Instanzen dieser Objekte anwenden. Vor allem lassen sich die Bibliotheksobjekte einfach an spezifische Anforderungen einer Anwendung anpassen.

„Wir haben unsere Produktionssysteme analysiert und in ihre Einzelteile zerlegt, um die richtigen Objekte für die Standardbibliothek zu identifizieren“, sagt Tobias Lechler. Es wurde eine standardisierte Datenhaltung in den Modellen automatisierter sowie manueller Produktionssysteme definiert. Und schließlich wurde daran gearbeitet, wie sich der Modellierungsprozess automatisieren lässt.

„Wir haben uns auf benutzerfreundliches Modellieren konzentriert und dafür Erfahrungen aus der Spieleindustrie zur „Gamification“ der Abläufe genutzt“, erklärt Tobias Lechler.

In rund einem Jahr entstanden etwa 25 Standardobjekte und 20 Anwendungsbeispiele, die die praktische Anwendung der Standardobjekte darstellen. Bei der Entwicklung der Standardobjekte ist das Wissen der vorhandenen Experten eingeflossen. Standardisierte Ablageorte und die Möglichkeiten zur Übernahme der Simulationsdaten wurden geschaffen. Bei neuen Projekten (Greenfield) gibt es Schnittstellen zu einen Bosch-internen Planungs-Tool, für Optimierungen des Serienbetriebs (Brownfield) wurden Beispiele für mögliche Verknüpfungen mit Produktionsdaten angelegt.

Die Standardbibliothek wird inzwischen Bosch-weit von über 70 Anwendern genutzt.

In einer schriftlichen Befragung wurde die Standardbibliothek insgesamt mit 4,4 von 5 möglichen Punkten sehr gut bewertet. „Die Experten gaben an, dass sie bei Modellierung mit der Standardbibliothek um über 50 Prozent schneller sind,“ freut sich Tobias Lechler. Nach Ansicht der Befragten wird die Zusammenarbeit erleichtert und die Visualisierung verbessert. Modelle von Kollegen erschließen sich leichter und die richtigen Parameter von den Produktionslinien werden sicher gefunden.

Schnell fortgeschrittene Fähigkeiten erreichen

Dank dieser Vorteile können sich viele Simulationsexperten nicht mehr vorstellen, Plant Simulation ohne die Standardbibliothek zu verwenden. Doch um den Erfolg abzusichern und den Simulationsbedarf des Unternehmens schneller zu erfüllen, wurde ergänzend ein Standardtraining für neue Experten entwickelt. „Selbst Mitarbeiter ohne Simulationserfahrung werden in einem mehrstufigen Konzept mit den Grundlagen von Plant Simulation vertraut gemacht und erreichen durch die in das Training integrierte Modellierung mit der Standardbibliothek schnell fortgeschrittene Fähigkeiten“, sagt Carsten Meyer. Am Ende steht die Zertifizierung, die hohe Qualitäts-standards bei der Simulation von realen Anwendungsfällen im Unternehmen sicherstellt.

Die virtuellen Trainingsmeetings kommen so gut an, dass viele Experten auch nach der Zertifizierung weiter daran teilnehmen. Dadurch können sie Kontakte zu anderen Experten mit ähnlichen Aufgabenstellungen knüpfen, Erfahrungen austauschen und wertvolle Anregungen einbringen. Allein im vergangenen halben Jahr haben über 30 Kollegen am Trainingsprogramm teilgenommen. „Durch die Kombination aus Standard-bibliothek und Standardtraining erreichen wir unser Ziel, die Materialfluss-Simulation mit Plant Simulation in der Breite einzusetzen,“ erklärt Carsten Meyer.

„Mit Plant Simulation haben wir die für unsere Aufgaben beste Lösung gefunden“, sagt Tobias Lechler. Die Standardbibliothek wird weiter optimiert: „Wir werden die Benutzerfreundlichkeit weiter verbessen, sagt Carsten Meyer. „Hierfür arbeiten wir an einer Standardisierung der Dateneingabe und der Visualisierung von Ergebnissen.“