Projekt

Vorstellung der Arbeitspakete und -inhalte

Kurzübersicht

Projektlaufzeit: vom 15.08.2021 bis zum 14.08.2024

AP 1 Anforderungsanalyse und Systematisierung

In branchenübergreifenden Expertengesprächen werden Anforderungen aufgenommen, bereits bestehende Lösungsansätze für das Umfeld Industrie 4.0 analysiert und mit den Anforderungen abgeglichen. Es werden detaillierte Anforderungen der einzelnen Systemelemente in Bezug auf das Gesamtvorhaben ermittelt, kategorisiert und priorisiert. Dies erfolgt in Abstimmung mit branchennahen Industriepartnern. Anschließend erfolgt die Ableitung der Handlungsbedarfe und deren Abhängigkeiten untereinander. Durch die Strukturierung und Priorisierung identifizierter Handlungsbedarfe wird ein Lastenheft für das wandlungsfähige cyber-physische Produktionssystem (CPPS) erstellt.

AP 2 Referenzmodell wandlungsfähiger Getränkeverpackungsnetzwerke

Basis dieser Untersuchung bildet die Analyse der Wertschöpfungsstufen, Rollen und Interaktionen innerhalb der heutigen Wertschöpfungsketten. Darüber hinaus werden Rahmenbedingungen bestehender Wertschöpfungsketten ermittelt. Darauf aufbauend werden verschiedene Netzwerkvarianten modelliert und bewertet. Für die Bewertung der modellierten Netzwerkstrukturen werden die enthaltenen Rollen und Interaktionen in Geschäftsmodelle überführt. Diese werden hinsichtlich Unternehmensstrategie, Rentabilität und Investitionsmöglichkeit bewertet und repräsentative Geschäftsmodelle ausgewählt. Unter Verwendung der modellierten Geschäftsmodelle werden Anforderungen an die Rollen im Netzwerk deduziert. Hierzu sind relevante Informationsflüsse innerhalb des Gesamtsystems zu bestimmen und mit konkreten Schnittstellen und Variablen zu detaillieren.

AP 3 Entwicklungsmethode wandlungsfähiger Anlagen

Es werden aus den definierten Geschäftsmodellen (AP2) Anwendungsszenarien abgeleitet. Diese dienen als Grundlage für die Überprüfung der Einsatzfähigkeit bestehender Entwicklungsmethoden hinsichtlich Planung und Konfiguration wandlungs-fähiger Anlagen. Auf Basis einer umfassenden Recherche identifizierte Entwicklungsmethoden im Bereich der Verarbeitungs- und Produktionstechnik werden an-hand ihrer Einsatzzwecke, zugehörigen Entwicklungsphase und unterstützender Werkzeuge klassifiziert. Werkzeuge sind im Kontext der Methodenentwicklung Hilfsmittel, welche den Anwender bei der Umsetzung der Entwicklungsaufgabe unterstützen. Beispiele hierfür sind Fragebögen, mathematische, semantische oder graphische Beschreibungsmodelle. Durch die Klassifizierung werden Potentiale und Defizite der Methoden herausgestellt, um die anschließende Bewertung zu vereinfachen. Auf Basis der Bewertung (AP3.1) wird die Methode mit dem größten Eignungsgrad ermittelt, ausgewählt und hinsichtlich des Anwendungsfalls in der Getränkeindustrie adaptiert. Dies betrifft bspw. die Integration neuer oder die Entfernung unnötiger Planungsschritte. Eine Neuanordnung ist ebenfalls denkbar. Nach Abschluss der Überarbeitung wird eine Überprüfung der entsprechenden Phase durchgeführt. Die Anwendung und Validierung der generierten Entwicklungsmethode erfolgt schrittweise in Abstimmung mit den Projektpartnern, um eine wandlungsfähige Abfüllanlage auf Basis einzelner Module zu entwickeln. Im Fokus stehen hierbei modifizierte Beschreibungsmodelle, welche zur Vereinheitlichung der Schnittstellen bei-tragen. Das Ergebnis sind Module mit einheitlichen Schnittstellen, welche beliebig untereinander kombiniert werden können, um eine hohe Wandlungsfähigkeit der Gesamtanlage zu gewährleisten. Die Ergebnisse fließen zur Optimierung der Entwicklungsmethode in das Vorgehen mit ein.

AP 4 Prozess- und Produktsicherheit

Vorrangiges Ziel beim Aufbau und der Inbetriebnahme einer Getränkeabfüllanlage ist das Erreichen eines bestimmten Prozessniveaus. Der Anwender erstellt bei der Bestellung über die VersiPack-Plattform durch das Nennen seiner technischen Leit-parameter ein digitales Lastenheft (Anforderungsprofil). Dieses wird von der Platt-form verwendet, um die Getränkeabfüllanlage modular zu organisieren und überführt es in ein digitales Pflichtenheft. Der erste Arbeitsschritt in diesem Teilarbeitspaket ist die Ausformulierung aller anwenderspezifischen Anforderungen, um der Platt-form eine breite Auswahlbasis an Einzelkomponenten für mögliche Lastenhefte zur Verfügung zu stellen. Die Prozessqualifizierung, der sog. Eignungsnachweis, wird anhand des 3-Schritte-Prozesses nach dem EU-GMP-Leitfaden getätigt. Die hierzu notwendigen konzeptionellen Arbeiten erfolgen in diesem Teilarbeitspaket und wer-den für den folgenden beschriebenen 3-Schritte-Prozess durchgeführt. Mit der Designqualifizierung (Design Qualification, DQ) wird anhand einer durchgeführten Risikoanalyse nachgewiesen sowie dokumentiert, dass die geplante Anlagenkonfiguration den beabsichtigten Verwendungszweck erfüllt, die obig genannten Ziele verfolgt und gängigen Standards entspricht. Durch die Installationsqualifizierung (Installation Qualification, IQ) überprüft die Plattform schließlich eigenständig, ob die Anlagen-module richtig aufgestellt und verbunden sind. Die Funktionsqualifizierung (Operational Qualification, OQ) wird abschließend zur Prüfung der korrekten Arbeitsweise und Funktion der Anlage durchgeführt. Der komplette Stufenprozess muss nach Be-stellung durch den Anwender automatisch in der Plattform von der Konfiguration bis zur Inbetriebnahme ablaufen und von ihr kontrolliert werden. Die Arbeiten dieses Arbeitspaketes stellen dabei sicher, dass alle notwendigen Parameter, Anforderungen und Prozessabläufe gemäß gültigen Richtlinien und Standards in die Plattform integriert werden. In Getränkeabfüllanlagen müssen höchste hygienische Maßnahmen ergriffen wer-den, um eine Kreuzkontamination des Getränks und damit eine Gesundheitsgefährdung für den Konsumenten auszuschließen. Hierzu werden in den meisten Betrieben nach gängigen HACCP-Statuten Critical Control Points (CCPs) bei verschiedenen Anlagenteilen definiert. In einem ersten Schritt werden in diesem Teilarbeitspaket die allgemeinen getränkespezifischen Hygieneanforderungen definiert. Auf Basis dieser erfolgt schließlich die Ausarbeitung eines umfangreichen Hygienekonzepts. Aufgrund der unterschiedlichen Aufbauweisen der modularen Anlagenteile, muss auch dieses wandelbar oder für verschiedene Aufstellungskonzepte optimierbar sein. Darüber hinaus wird dem Anwender ein automatischer digital-konzipierter Probenahmeplan (digitaler Hygienemonitor) an die Hand gegeben, welcher die Umsetzung des Hygienekonzepts, z.B. durch automatische Identifizierung sowie Benennung der kritischen Stellen, erleichtern wird. Hierzu muss evaluiert werden wann, wie und wo im Füllprozess eine Rückstellprobe genommen werden muss. Die gewonnenen Er-kenntnisse können schließlich in die VersiPack-Plattform eingespeist werden. Mit diesen definiert die Plattform über die vom Kunden vorgegeben technischen Leitparameter und daraus resultierende modulare Anlagenzusammensetzung einen eigenen, produktionsortspezifischen Probenahmeplan, der die gegebenen hygienischen Anforderungen gewährleistet. Die erstellten Proben können schließlich bei einem Kooperationslabor eingesendet werden, welches die notwendige Getränkeanalytik durch-führt. Neben einer Analyse der notwendigen gesetzlichen Pflichten wird eine von der VersiPack-Plattform gelenkte Etikettenkonzeption zur Kennzeichnung entwickelt, in der der Anwender neben seinen technischen Leitparametern auch die notwendigen Kennzeichnungsdetails in das Webinterface der Plattform eingeben kann. Diese konzipiert schließlich ein mögliches Etikett, welches nach Freigabe durch den Anwender direkt bei einem Etikettenhersteller bestellt und an den Anwender geliefert wird. Mit der Rückverfolgbarkeit, welche ebenfalls in die Plattform integriert werden kann, ist in einem weiteren Schritt ein wichtiger Teil zur Garantie der Lebensmittelsicherheit ge-geben. Ziel ist es hier anhand sinnvoller Standards ein Konzept zur Rückverfolgung der abgefüllten Batches zu entwickeln. Jedes abgefüllte Gebinde wird bei der Abfüllung im Modul Etikettierung mit einem Strichcode und einer EAN-Nummer versehen, welcher das Produkt eindeutig zuordnet. Die Chargenrückverfolgung kann dabei zusätzlich in die VersiPack-Plattform integriert werden, was eine weitere Erleichterung für den Anwender bedeutet. Die notwendigen Strukturierungsarbeiten und Standardrecherchen erfolgen ebenfalls in diesem Teilarbeitspaket.

Zusätzlich wird die Rückverfolgbarkeit in Bezug auf die in AP 2.2 erarbeiteten Geschäftsmodelle adaptiert und eine externe sowie interne Verfahrensweise erarbeitet.

AP 5 Digitale Plattform für den Verpackungsservice

Ausarbeitung des Aufbaus der übergeordneten Systemplattform. Es erfolgt eine Auf-teilung in eine Business-, eine Konfigurations- und eine Prozessdatenplattform. Innerhalb der Businessplattform werden Module, Material und Personal verwaltet. Durch die Repräsentation als kooperierende Agenten, können mögliche Arten des Verpackungsservices kalkuliert und angeboten werden. Für die Konfigurationsplatt-form wird ein Ansatz entworfen, um die auftrags- und ortsindividuelle Parametrisierung der Produktionsmodule und den korrekten Aufbau des Modulverbunds überprüfen zu können. In der Prozessdatenplattform wird eine Möglichkeit geschaffen, um Maschinen- und Produktionsdaten aufbereiten und interpretieren zu können, sodass eine korrekte Kennzeichnung und eine lückenlose Rückverfolgbarkeit ermöglicht werden. Es werden Schnittstellenbeschreibungen für Verbindungen aus der Systemplattform sowie für Kommunikationen innerhalb der Systemplattform erstellt. Externe Schnitt-stellen beschreiben dabei Verbindungen zu Hardwarekomponenten des realen Systems. Die Beschreibung der internen Schnittstellen wird durch das Modellieren von Ontologie-Elementen, die als Wissensbasis dienen und zum Informationsaustausch innerhalb von Agentensystemen genutzt werden, realisiert. Neben der Definition dieser Begriffe, Aussagen und Anfragen, müssen Interaktionsprotokolle gewählt und Agenten zugeordnet werden, um sicherzustellen, dass benötigte Informationen zu je-dem Zeitpunkt vollständig und an der richtigen Stelle vorliegen. Um die in AP 5.1 entworfene Systemplattform umzusetzen, wird eine Architektur für das zur Laufzeit veränderliche und erweiterbare Agentensystem entwickelt. Parallel zur Gestaltung der internen Schnittstellen in AP 5.2, kann definiert werden, welche Ziele die Agenten in Abhängigkeit ihres aktuellen Zustands verfolgen. Die agenten-internen Logiken werden in Form von Entscheidungsprozessen erarbeitet. Abschließend erfolgt die initiale Implementierung der agentenbasierten Systemplattform.

AP 6 Evaluierung des Gesamtsystems

Die in AP 3 geplanten und parallel aufgebauten Anlagenmodule werden in diesem Arbeitspaket in unterschiedliche Konfigurationen überführt. Hierbei gilt es, neben der ganzheitlichen Funktionssicherung die Maschinensicherheit und die Anwenderfreundlichkeit zu prüfen und diese über verschiedene Versuche zu validieren. Für diese Versuche werden zunächst Pläne und Rahmenbedingungen definiert. In diesem Arbeitspaket werden repräsentative Geschäftsfälle und Funktionstests definiert, die mit der Plattform abgewickelt werden können. Die Versuche finden in einer virtuellen Umgebung statt. In ihnen wird die Orchestrierung der Aufträge und Konfiguration der Module durch das Multiagentensystem validiert. Es wird eine Prozessqualifizierung und Qualitätssicherung in der Produktion durchgeführt. Abschließend werden die Versuchsdurchführungen ausgewertet und die Parameter der Module optimiert. Gegenstand der Evaluierung ist zudem eine Prozessqualifizierung und Qualitätssicherung durch mehrere Labortests der Erzeugnisse.

AP 7 Projektbegleitende Use-Cases

Es werden projektspezifische Geschäftsmodelle in Abstimmung mit den Verbänden, dem Maschinenhersteller und Handel definiert. Mit Hilfe der Funktions- und Simulationsmodelle kann das System bereits während der Entwicklungsphase validiert und verifiziert werden. In den Modellen werden die vorher definierten Geschäftsmodelle und Anwendungsfälle, die den Leistungsumfang des Systems vorgeben, getestet. Ferner wird analysiert, welche Grenzbereiche mit dem System und den Systembestandteilen möglich sind, um hiermit die Übertragbarkeit auf weitere Anwendungsfälle aufzeigen zu können. Die einzelnen Module werden validiert, indem die Module an das Agentensystem und die Simulation angeschlossen werden. Durch diese Vorgehensweise kann das System während der Entwicklung zur vorzeitigen Inbetriebnahme getestet werden. Kriterien hierbei sind neben der eigentlichen Funktionalität des Gesamtkonzeptes die Ausbringung der Anlage, die hygienisch einwandfreie Abfüllung und die Gewährleistung der Produktionssicherheit.

Kombilogo BMEL mit Förderzusatz und Projektträger BLE - deutsch

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VersiPack ist ein Verbundprojekt aus Industrie- und Forschungspartnern mit dem Ziel der Schaffung eines neuartigen, wandlungsfähigen Anlagenkonzepts für die Getränkeabfüllung. Die Entwicklung, Analyse und Evaluierung erfolgen auf Basis von flexibel, ortsunabhängig einsetzbaren Modulen und einer auf dem Internet of Things aufbauenden Systemplattform.

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