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Menschliche Aufsicht in der industriellen Automatisierung
In einer vollautomatisierten Produktionslinie innerhalb einer Getränke-Fabrik ging etwas schief, als die Maschine zufällig jede 12. Flasche mit 2 Millilitern weniger Getränk als der spezifizierte Betrag füllte. Die Inspektionsausrüstung der Linie bemerkte die Abweichung nicht, da sie innerhalb der Toleranzgrenze der verwendeten Kamera lag. Infolgedessen gab es kein Eingreifen und die Linie funktionierte gemäß ihrer Programmierung. Dieser Fehler wurde erst später, während der dritten Schicht, von dem Qualitätstechniker bemerkt, nachdem eine Probe von der Produktionslinie entnommen und analysiert wurde.
Die Maschine arbeitete einwandfrei; jedoch war sie nicht in der Lage, selbst geringfügige Änderungen im Produktionsprozess zu erkennen. Dies ist nichts anderes als eine typische Fehlfunktion der automatisierten Produktionslinie. Menschliches Eingreifen in die Produktion ist kein vorübergehender Mangel an vollständiger Automatisierung im Produktionsprozess; es ist ein permanentes Informationssystem, das die Funktionen aufnimmt, die von den Sensoren nicht erfüllt wurden, Daten interpretiert, die von einem Computer nicht interpretiert werden können, und Entscheidungen trifft, die weder von SPS, Bildverarbeitungssystemen noch von KI-Programmen getroffen werden können. Zu wissen, wo und wann menschliche Intelligenz erforderlich ist, ist eine wichtige Unterscheidung zwischen gut funktionierenden und schlecht funktionierenden Produktionslinien.
Warum Automatisierung den Bedarf an menschlichem Urteil nicht beseitigen kann
Der Ehrgeiz einer Fabrik, die automatisch und ohne menschliches Eingreifen arbeitet, bleibt seit vielen Jahren ein interessantes Thema in der Fertigung. Es gibt einige Fertigungsprozesse, in denen eine solche Vision Realität wurde; jedoch ist in den meisten Fällen eine Person im Fertigungsprozess erforderlich, da es der Natur der Produktion selbst entspricht. Automatisierte Systeme sind darauf ausgelegt, mit den Situationen umzugehen, die ihnen bekannt sein können. Ein Sensor erfasst den Wert eines Parameters; eine SPS vergleicht ihn mit dem Sollwert; ein Aktuator korrigiert die Abweichung. Ein solches kontinuierliches Rückmeldesystem kann korrekt funktionieren, wenn nur die Bedingungen, für die es entworfen wurde, unverändert bleiben. Wenn sich die Situation ändert, wie z.B. ein Rohmaterial gewechselt wird oder das Werkzeug abnutzt, arbeitet das System weiterhin im automatisierten Modus, produziert jedoch fehlerhafte Artikel.
Hier haben Menschen einen Vorteil, der bei Robotern nicht zu finden ist – sie können ein seltsames Muster erkennen und es als Problem betrachten. Sie sind in der Lage, mit den einzigartigen Entwicklungen umzugehen, die noch nie zuvor aufgetreten sind. Sie können auch Entscheidungen aufgrund ihrer bisherigen Erfahrungen, Intuition und ihres Verständnisses von Umständen treffen, wie z.B. was Kunden wollen, Regeln und Ziele des Unternehmens. In ihrer Forschung stellt McKinsey & Company fest, dass der beste Ansatz nicht darin besteht, Roboter anstelle von Menschen zu verwenden – Menschen sollten zusammen mit Maschinen eingesetzt werden, anstatt nur Maschinen alleine arbeiten zu lassen. Die fortschrittlichsten Fabriken haben nicht die wenigsten Mitarbeiter, sondern die, die die Fähigkeiten ihrer Arbeiter und ihrer Maschinen am besten nutzen.
Die Schlüssel Funktionen der menschlichen Aufsicht in einer automatisierten Umgebung
Menschliche Aufsicht ist keine einzelne Aufgabe. Es ist eine Reihe von Funktionen, von denen jede an einem anderen Punkt im Automatisierungslebenszyklus arbeitet und ein unterschiedliches Maß an Fähigkeiten und Aufmerksamkeit erfordert. Die folgende Tabelle fasst die primären Aufsichts Funktionen zusammen und wo sie in einer typischen automatisierten Produktionsumgebung Anwendung finden.
| Aufsichts Funktion | Was der Mensch tut | Was die Automatisierung nicht tun kann |
|---|---|---|
| Anomalieerkennung und -untersuchung | Erkennt ein Muster subtiler Abweichungen – einen allmählichen Anstieg eines Drehmomentwerts, eine langsame Drift in einer Kalibrierkurve – das das automatisierte Überwachungssystem nicht programmiert wurde, um es zu kennzeichnen. Untersucht die Ursache, die außerhalb der automatisierten Zelle liegen kann: eine Änderung eines Rohmaterials, ein Werkzeug, das schneller als erwartet abnutzt, ein Umweltfaktor wie Feuchtigkeit oder Temperatur. | Identifiziert ein Problem, das nie als solches definiert wurde. Automatisierte Systeme kennzeichnen, was ihnen gesagt wird zu kennzeichnen. Menschen erkennen, was nicht richtig aussieht, selbst wenn sie es noch nie zuvor gesehen haben. |
| Prozessoptimierung und kontinuierliche Verbesserung | Analysiert die Daten, die die automatisierte Linie generiert – die Zykluszeiten, die Ertragsdaten, den Energieverbrauch – und identifiziert Möglichkeiten zur Verbesserung. Passt einen Schweißzeitplan an, ändert die Reihenfolge einer Pick-and-Place-Operation oder kalibriert eine Teststation neu, um den Durchsatz zu verbessern oder Abfall zu reduzieren. | Versteht den geschäftlichen Kontext einer Optimierungsentscheidung. Eine Maschine kann innerhalb definierter Parameter optimieren. Ein Mensch kann entscheiden, dass ein Parameter geändert werden sollte, weil sich die Priorität des Kunden von Geschwindigkeit auf Qualität oder von Kosten auf Nachhaltigkeit verschoben hat. |
| Sicherheitsüberprüfung und -übersteuerung | Überprüft, dass ein automatisiertes Sicherheitssystem eine gefährliche Energiequelle korrekt isoliert hat, bevor die Wartung beginnt. Übersteuert eine automatisierte Sequenz, wenn eine Situation – eine Person in der Zelle, ein Werkzeug, das auf einer Vorrichtung liegen geblieben ist, eine Palette in der falschen Position – außerhalb der programmierten Sicherheitslogik des Systems liegt. | Trifft eine Sicherheitsentscheidung in einer mehrdeutigen Situation. Ein Sicherheits-PLC folgt seiner programmierten Logik. Ein Mensch kann eine Situation bewerten, die die Logik nicht vorhergesehen hat, und entscheiden, ob es sicher ist, fortzufahren. |
| Produktwechsel und Ausnahmebehandlung | Verwaltet den Übergang, wenn eine neue Produktvariante eingeführt wird – überprüft die ersten Artikel, passt das Sichtsystem an eine neue Teilegeometrie an, bestätigt, dass die Kalibrierung für das neue Produkt gültig ist. Behandelt Ausnahmen, die das automatisierte System nicht lösen kann: ein Teil, das auf nicht standardisierte Weise klemmt, ein Sensor, der ausgefallen ist und ersetzt werden muss, während die Linie läuft, eine Charge Material, die außerhalb der Spezifikation liegt und eine manuelle Entscheidung erfordert. | Passt sich einer Situation an, die noch nie zuvor aufgetreten ist. Automatisierte Systeme behandeln vorhersehbare Ausnahmen. Menschen behandeln die unvorhersehbaren. |
Wo menschliche Aufsicht am kritischsten ist: Prozesse mit hohen Konsequenzen
Die menschliche Aufsicht über automatisierte Systeme ist nicht einheitlich. Am wichtigsten ist sie in Situationen, in denen ein Versagen zu Verletzungen, Todesfällen oder schwerwiegenden Umweltschäden führen kann. Im Falle einer pharmazeutischen Produktionslinie überprüfen menschliche Bediener, ob das richtige Produkt im Förderband ist und ob das Förderband vor Produktionsbeginn ausreichend gereinigt wurde, da ein automatisiertes Sichtsystem, das Barcodes scannt, nicht feststellen kann, ob der Inhalt im Fach mit dem auf dem Etikett angegebenen übereinstimmt. In einer Montagewerkstatt für Flugzeugtriebwerke muss jemand überprüfen, ob die wesentliche Schraube richtig angezogen wurde, wobei ein Instrument verwendet wird, das in der Lage ist, die Messung festzuhalten, obwohl das automatisierte System perfekt funktioniert, denn die Folgen, wenn nur eine Schraube fehlt, sind zu schwerwiegend.
Die Wirtschaftlichkeit der menschlichen Aufsicht: Was sie kostet und was sie spart
Es ist leicht zu denken, dass das menschliche Management eine Sache der Vergangenheit ist – es erhöht einfach die Betriebskosten für den Betrieb der automatisierten Anlage: das Gehalt des Bedieners, deren Schulung und die Zeit des Aufsichtsprozesses. In der Praxis ist jedoch alles viel komplizierter. Das menschliche Management hat sehr begrenzte Kosten, die nur etwa 5-15% der Verwaltungskosten für die Anmietung von Fachkräften für die Maschinen der Produktionslinie umfassen, einschließlich Bediener und Techniker. Obwohl die Kosten für das menschliche Management relativ gering sind, neigen wir dazu, sie zu vergessen, wenn es zu einem Ausfall kommt.
Eine einzige Lieferung beschädigter Produkte, ein Garantiefall, ein Unfall – all diese Situationen können zu Kosten führen, die die Löhne für mehrere Jahre übersteigen. Die Begründung der Kosten für das menschliche Management soll nicht darauf hinweisen, dass Menschen günstiger sind als Maschinen, sondern vielmehr betonen, dass Menschen die einzige Form der Fehlervorbeugung aus Fällen sind, die Maschinen nicht selbst lösen können. Eine Maschine, die für die menschliche Managementfunktion ausgelegt ist, wird besser laufen als jede Maschine, die ohne menschliches Eingreifen betrieben wird. Für einen detaillierten Blick darauf, wie automatisierte Test- und Inspektionsstationen in einer MCB-Produktionslinie die Daten generieren, auf die menschliche Bediener und Qualitätsingenieure angewiesen sind, unser Leitfaden zu Was ist eine automatische MCB-Testlinie? erklärt die Kalibrierungs- und Verifizierungsfunktionen, die menschliche Interpretation und Genehmigung erfordern.
Automatisierung für effektive menschliche Aufsicht entwerfen
Die Entscheidung, ob menschliche Kontrolle in einem automatisierten System verwendet werden soll oder nicht, muss in der Entwurfsphase getroffen werden, und sie kann später nicht einfach hinzugefügt werden. Wenn ein Fertigungssystem um die Idee herum aufgebaut ist, vollständig automatisiert zu sein, mit Funktionen, die den Zugang für Bediener ausschließen, wird es nicht reibungslos mit menschlicher Aufsicht funktionieren. Die folgenden Entwurfsprinzipien werden die Arten von Automatisierung identifizieren, die es einer Person erleichtern und ermöglichen, diesen Prozess zu überwachen, von denen, die tatsächlich den menschlichen Einfluss darauf behindern und stoppen.
- Gestalten Sie die HMI für den Bediener, nicht für den Ingenieur. Der Produktionsbildschirm, der dem Bediener sichtbar ist, muss Hauptindikatoren wie Zykluszeit, Ausstoß und Alarme mit unterschiedlichen Farben, Pfeilen usw. anzeigen. Die engineering-diagnostische Anzeige kann zugänglich gemacht werden, sollte jedoch nicht ohne die Anfrage des Bedieners geöffnet werden.
- Physikalischen Zugang zu kritischen Inspektionspunkten bereitstellen. Es gibt bestimmte Fälle, in denen ein Mensch die Ergebnisse des Sichtsystems überprüfen muss, obwohl letzteres in der Lage ist, ein Bauteil eigenständig zu untersuchen. Das Vorhandensein von Inspektionsfenstern, abnehmbaren Abdeckungen und Orten, an denen Proben entnommen werden können, ermöglicht es jemandem, ein bestimmtes Stück herauszunehmen und zu messen, um zu überprüfen, ob die von der Automatisierung erzeugten Messwerte genau sind.
- Protokollieren und anzeigen der Daten, die die Aufsicht unterstützen. Um Abweichungen frühzeitig zu erkennen, ist es unerlässlich, die wesentlichen Informationen, die von der Produktionslinie erzeugt werden — einschließlich Drehmomentwerte, Kalibrierungsergebnisse und Ergebnisse aus visuellen Inspektionen — zu dokumentieren, zu analysieren und darzustellen, um Datenverschiebungen zu verstehen, bevor sie fehlerhaft werden. Wenn beispielsweise die Art der Berichterstattung lediglich darin besteht, eine Pass-Fehler-Zählung für die Stunde anzuzeigen, wird dies nicht die notwendigen Informationen liefern, um zu untersuchen, ob ein Werkzeug zunehmend abgenutzt wird.
- Die Fähigkeit einbauen, sicher einzugreifen. Es ist notwendig, dass ein Bediener über echte Fähigkeiten und Methoden verfügt, mit denen er den Prozess anhalten, ein Werkstück untersuchen und dann den Prozess nach allen durchgeführten Prüfungen aktivieren kann, ohne dass das Risiko besteht, Sicherheitsprobleme oder Datenverluste zu verursachen.
Benlong Automations Montage- und Testlinien für den Elektroproduktionssektor sind nach diesen Prinzipien gestaltet. Die HMIs von Benlong MCB-Automatisierungslinien präsentieren dem Bediener Echtzeit-Kalibrierungsdaten, Trenddiagramme und Alarmstatus, und die Steuerungsarchitektur unterstützt Fern-Diagnosen und Eingriffe. Die automatisierte Linie ist keine Black Box. Es handelt sich um ein transparentes, datengenerierendes System, das ein geschulter Bediener überwachen, interpretieren und verbessern kann.
Häufig gestellte Fragen
Kann eine automatisierte Fabrik ohne menschliche Aufsicht betrieben werden?
In einer kleinen Anzahl von hochgradig repetitiven, vorhersehbaren Prozessen — wie einer speziellen Hochvolumen-Verpackungslinie — ist der Betrieb ohne Licht für begrenzte Zeiträume möglich. Für die überwiegende Mehrheit der Fertigungsoperationen ist vollständige Autonomie ohne menschliche Aufsicht weder praktikabel noch sicher, da automatisierte Systeme unbekannte Muster nicht erkennen, kontextabhängige Entscheidungen nicht treffen oder auf Situationen reagieren können, die nicht programmiert wurden. Menschliche Aufsicht bleibt entscheidend für die Anomalieerkennung, Sicherheitsüberprüfung und Ausnahmebehandlung.
Wie viele Bediener werden benötigt, um eine automatisierte Linie zu überwachen?
Eine gut gestaltete automatisierte Linie die zuvor zehn bis fünfzehn manuelle Monteure benötigten, können typischerweise von zwei bis drei Bedienern pro Schicht überwacht werden. Ihre Rolle verschiebt sich von der Durchführung der Montage zur Überwachung der Linie, Durchführung von Erstartikelprüfungen, Reaktion auf Alarme und Durchführung von präventiver Wartung. Das Verhältnis von Bedienern zu Produktion verbessert sich dramatisch, aber es geht nicht auf null.
Welche Schulung benötigen Bediener, um die Automatisierung zu überwachen?
Bediener, die automatisierte Anlagen überwachen, benötigen Schulungen im spezifischen HMI und Steuerungssystem der Linie, in den Qualitätsstandards, die die Linie erfüllen muss, in der grundlegenden Diagnose häufiger Fehler (ein blockiertes Teil, ein Sensorfehler, ein Kalibrierungsdrift) und in den sicheren Eingriffsverfahren — wie man die Linie stoppt, einen Fehler behebt und sie neu startet, ohne eine Gefahr oder eine Datenlücke zu schaffen. Diese Schulung wird typischerweise vom Automatisierungsintegrator im Rahmen des Inbetriebnahmeprozesses bereitgestellt.
Wird KI den Bedarf an menschlicher Aufsicht in der Zukunft reduzieren?
KI wird die Art der menschlichen Aufsicht verändern, aber sie wird sie nicht eliminieren. KI-gesteuerte Sichtsysteme können Mängel erkennen, die regelbasierte Systeme übersehen, und KI-gesteuerte prädiktive Wartung kann einen Ausfall Tage bevor er auftritt vorhersagen. Aber die Entscheidungen, die folgen — ob man eine Linie stoppt, ob man eine Charge quarantänisiert, ob man einen Prozessparameter anpasst — werden weiterhin menschliches Urteilsvermögen erfordern, da sie Abwägungen beinhalten, die KI nicht treffen kann: die Kosten eines Stillstands versus das Risiko eines Mangels, die regulatorische Verpflichtung versus das Produktionsziel, die Sicherheit eines Arbeiters versus die Dringlichkeit einer Lieferung.
Referenzen
- McKinsey & Company — Die Zukunft der Fertigung: Mensch-Maschine-Kollaboration. Forschung zu den Produktivitäts- und Qualitätsauswirkungen von Automatisierung, die für menschliche Aufsicht und Intervention konzipiert ist.
- Deloitte — Die sich verändernde Rolle der Fertigungsarbeitskräfte. Analyse des Übergangs der Fähigkeiten von manueller Montage zu automatisiertem Produktionsmanagement und der wachsenden Bedeutung von Dateninterpretation und Entscheidungsfähigkeiten.
- International Society of Automation (ISA) — Standards für die Gestaltung von Mensch-Maschine-Schnittstellen. Standards und Best Practices für die Gestaltung von HMIs, die eine effektive menschliche Aufsicht in automatisierten Umgebungen unterstützen.
- International Federation of Robotics (IFR) — Kollaborative Roboter und Mensch-Roboter-Interaktion. Daten und Analysen zum Wachstum der kollaborativen Automatisierung und der Rolle menschlicher Bediener in flexiblen, robotergestützten Produktionszellen.
Menschliche Aufsicht in der industriellen Automatisierung ist nicht das Gegenteil von Automatisierung. Es ist die Ergänzung — die Schicht der Intelligenz, die das erfasst, was Sensoren übersehen, die interpretiert, was Algorithmen nicht können, und die die Sicherheits- und Qualitätsentscheidungen trifft, denen keine Maschine allein vertraut werden kann. Eine Montagelinie, die für optimale Aufsicht ausgestattet ist mit benutzerfreundlichem HMI, leicht erreichbaren Testpunkten und der Fähigkeit, auf relevante Informationen zuzugreifen, ist eine Montagelinie, die schneller arbeiten und qualitativ hochwertige Produkte effizienter produzieren kann als eine Montagelinie, die rein für automatisierte Prozesse entworfen wurde. In Übereinstimmung damit entwickelt Benlong Automation Montagelinien, die diesem Prinzip entsprechen, da das Ziel der Automatisierung nicht darin besteht, Menschen aus der Produktion zu eliminieren, sondern vielmehr, Menschen mit den Informationen auszustatten, die sie benötigen, um eine ordnungsgemäße Aufsicht auszuüben.
