Digitaler Zwilling Kfz-Bordnetze: Automatisierungsfähige Architektur gesucht

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Um auch in Zukunft noch wettbewerbsfähig zu sein, müssen Kfz-Bordnetzhersteller ihre Fertigung weiter automatisieren. Hier war bislang die Netzarchitektur ein großes Hindernis, doch jetzt kommt Bewegung in das Bordnetzdesign.

Aktuelle Trends wie Elektrifizierung, Connected Car und Autonomes Fahren verändern die Automobilbranche grundlegend (Bild1). Viele Zulieferer geraten dadurch in Bedrängnis. Hersteller mechanischer Teile wie etwa Komponenten für Benzinmotoren oder Aggregate sind langfristig sogar in ihrer Existenz bedroht.

Ganz anders dagegen Hersteller von Automobil-Bordnetzen: Für sie ergeben sich viele neue Geschäftsmöglichkeiten, denn ihre Produkte werden immer wichtiger – laufen über die Bordnetze doch immer mehr Energie-, Signal- und Kommunikationsflüsse, die „by wire“- oder automatisierte Funktionen wie Steuerung, Spurwechsel oder Bremsen ermöglichen.

Diese sicherheitskritischen Funktionen bringen für Bordnetz-Hersteller zugleich jedoch auch neue Herausforderungen wie steigende Anforderungen der OEM an die Rückverfolgbarkeit und Qualität der Bordnetze mit sich.

Der digitale Bordnetz-Zwilling

Diese Anforderungen können die Hersteller nur durch Digitalisierung erfüllen. Sie benötigen „Digitale Zwillinge“ ihrer Produkte, sprich: digitale Repräsentanzen der Bordnetze, die miteinander verbundene und konsistente Datensätze enthalten und damit sowohl die Produkt- als auch die Prozesshistorie abdecken.

Nur wenn die Hersteller die Zusammensetzung eines Bordnetzes im Detail rekonstruieren können, sind sie auch in der Lage, Fehler zu lokalisieren, zu beheben und den Automobilherstellern Daten für schnelle und eng eingegrenzte Rückrufe zur Verfügung zu stellen. Wenn die Hersteller außerdem den Wertschöpfungsprozess nachvollziehen können, haben sie die Möglichkeit, die Qualität ihrer Bordnetze kontinuierlich zu verbessern und Fehler präventiv zu verhindern.

Die zwingende Voraussetzung für die Implementierung solcher Digitaler Zwillinge ist allerdings eine weitere Automatisierung ihrer Produktion.

Heute produzieren Bordnetzhersteller typischerweise in drei Schritten: Zuschneiden, Vormontage und Endmontage. Im ersten Schritt schneiden Maschinen Kabel automatisiert zu, entfernen gleichzeitig die Ummantelung und bringen Stecker an. Die daraus resultierenden Stücke werden dann im zweiten Schritt an halb-manuellen Arbeitsplätzen in Bündeln vormontiert. Im dritten Schritt werden die Bordnetze schließlich in der Endmontage auf Legebrettern von Hand zusammengesetzt. In den halb-manuellen und vollständig manuellen Prozessen im zweiten und dritten Schritt ist keine zuverlässige Datenerhebung und -verarbeitung möglich.

Was hinter der automatisierungsfreundlichen Architektur steckt

Derzeit zeichnen sich aber einige Trends ab, die einer durchgängigeren Automatisierung Vorschub leisten könnten. Ein großes Hindernis ist bis dato vor allem die Architektur der Bordnetze. Klassisch sind sie auf kundenspezifische Ausstattungsvarianten ausgelegt und verdrahten alle Komponenten direkt miteinander. Um sich durchgängig automatisiert herstellen zu lassen, müssen Bordnetz-Architekturen aber zunächst entsprechend konstruiert sein. Zonale Ansätze, wie sie inzwischen immer mehr Automobilhersteller verfolgen, können hierzu einen entscheidenden Beitrag leisten.

Der Hintergrund dieses Trends: Elektrifizierung, Vernetzung und autonomes Fahren führen zu immer mehr Kabeln in den Fahrzeugen. Dadurch werden die Bordnetze schwerer und chaotischer, was die Energieeffizienz der Autos verringert und die Suche nach Fehlerursachen erschwert. Zonale Ansätze fassen deshalb verschiedene Fahrzeugbereiche mittels Zonenrechner zusammen und verbinden sie über ein sehr performantes Backbone mit dem Hauptrechner.

Dabei fungieren die Zonenrechner als Integrationsmodule und konsolidieren einen Teil der bisherigen Steuergeräte. Dadurch schrumpft die Summe aller Leitungslängen, das Gewicht sinkt, und das Bordnetz wird durchschaubarer. Ein weiterer Effekt ist, dass sich die Bordnetze deutlich einfacher automatisieren lassen. Diese „Ent­maschung“ der heute noch komplexen Bordnetze bietet die Grundlage dafür, Teilkabelsätze in viel größerem Maß und Umfang maschinell zu produzieren.

Hinzu kommt, dass sich die Bordnetzbranche verstärkt um die Standardisierung der eingesetzten Komponenten bemüht. Sie arbeitet unternehmensübergreifend daran, die Varianz von Komponenten wie Kontaktteilen, Gehäusen, Leitungen und Steckern drastisch zu reduzieren und nicht automationsfähige Komponenten wie Schrumpfschläuche oder Tüllen auszuschließen. Gemeinsam mit zonalen Architekturen können standardisierte Komponenten mittelfristig spürbare Fortschritte bei der Automatisierung der Bordnetzproduktion bringen – und damit auch der dringend erforderlichen Digitalisierung der Bordnetzproduktion einen Schub verleihen (Bild 2).

VDMA-Arbeitskreis entwickelt Schnittstellenstandard

Bei dieser Digitalisierung wird die Vernetzung der Maschinen eine zentrale Rolle spielen – und auch hier ist eine Standardisierung erforderlich. Bislang definiert jeder Hersteller von kabelverarbeitenden Maschinen eigene, pro­prietäre Schnittstellen-Spezifikationen für die Anbindung seiner Maschinen an übergeordnete Softwaresysteme. Das war in der Vergangenheit noch tolerierbar, da bei Bordnetzherstellern ohnehin nur wenige Maschinen­typen zum Einsatz kamen.

Wenn die Branche ihre Prozesse künftig jedoch weiter automatisiert, muss es damit vorbei sein – denn sonst ist keine schnelle und effiziente Vernetzung der Maschinen mit Manufacturing-Execution-Systemen (MES) möglich. Mit solchen Systemen können Bordnetzhersteller ihre Produktion steuern, kontrollieren und dokumentieren – und das macht sie auch zur natürlichen Heimat für die Digitalen Zwillinge der Bordnetze.

Ein Arbeitskreis des VDMA ist bereits angetreten, einen Schnittstellenstandard für die Branche zu entwickeln. Als Basis dient dabei die „OPC Unified Architecture“, kurz: OPC UA. Diese Schnittstellentechnologie ermöglicht einen plattformunabhängigen industriellen Datenaustausch und gilt unter anderem deshalb als eine der wichtigsten Technologien zur Vernetzung von Maschinen für Industrie 4.0.

Zahlreiche Organisationen und Fachverbände, darunter auch der VDMA selbst, haben bereits branchenübergreifende und branchenspezifische Spezifikationen für OPC UA erarbeitet. An diese Vorarbeiten kann der Arbeitskreis für die Bordnetzbranche anknüpfen. Zudem unterstützen auch schon viele MES diese Schnittstellentechnologie.

Einen fließenden Übergang einleiten

Bis zur umfassenden Automatisierung und Digitalisierung der Bordnetzproduktion werden vermutlich noch einige Jahre vergehen. Bordnetzhersteller sollten das Thema aber dennoch nicht auf die lange Bank schieben, sondern bereits heute einen fließenden Übergang einleiten, der es ihnen ermöglicht, zumindest die grundlegendsten Anforderungen der Automobilhersteller an Rückverfolgbarkeit und Qualität zu erfüllen.

So haben sie beispielsweise die Möglichkeit, ihre Prozesse um das Scannen von Produkten oder die Qualitätsdokumentation zu ergänzen und die Rückverfolgbarkeit durch Methoden wie FIFO („First in – First out“) zu erleichtern. Zudem können sie Objekte, die rückverfolgt werden sollen – so genannte Trace-Objekte – definieren, mit eindeutigen Trace-Referenzen versehen und mit Rückverfolgbarkeitstechnologien wie Barcodes oder RFID erfassen.

Als solche Trace-Objekte kommen etwa Bündel, Teile, Material, Maschinen oder Arbeitsplätze in Frage. Prozessparameter wie Crimpkraft, Werkzeugwechsel, Nachbearbeitungen oder Qualitätstests lassen sich dagegen nicht mit eindeutigen Trace-Referenzen versehen, da sie dynamisch sind. Sie können aber mit Zeitstempeln referenziert werden.

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