Automation > SmartFactory

SmartFactory

Die intelligente Fabrik der Zukunft

von Prof. Dr.–Ing. Detlef Zühlke, Prof. Dr.–Ing. Jochen Schlick

Innovative Informations- und Kommunikations­technologien (IKT) tragen bereits heute in entscheidendem Maße zur Steigerung der Produktivität ­produzierender Unternehmen in Europa bei. Für eine wettbewerbsfähige Produktion in einem Hochlohnland wie Deutschland bildet auch in Zukunft die Integration neuer IKT die Grundlage [1].

Gegenwärtig bietet sich die einzigartige Chance, technologische Entwicklungen des „Internets der Dinge“ für einen maßgeblichen Umbruch in der Industrie, der so­genannten vierten Industriellen Revolution, zu nutzen. Zentraler Aspekt hierbei ist die digitale Veredelung von Produktions­mitteln, Produkten und Anlagen, welche in Zukunft Effizienzsteigerungen bei der Durchführung industrieller Prozesse in Produktion, Engineering, Supply Chain und Life Cycle Management ermöglichen und in ihrer Gesamtheit zu einer effizienteren und ressourcenschonenderen Produktion führen wird.

Dieser Beitrag schildert Ideen, Chancen und Handlungsfelder, die mit der vierten Industriellen Revolution einhergehen. Die anschauliche Darstellung der Industrie-4.0-Kernparadigmen anhand der Demonstra­tionsanlage der DFKI-SmartFactoryKL ist ­dabei von besonderer Bedeutung.

Effizienzsteigerung durch die neuartige Anwendung von Technologien

Die Grundlage für die vierte Industrielle Revolution ist durch die Technologien des Internets der Dinge gegeben. Diese sind in ihren bisherigen Anwendungsdomänen zum heutigen Zeitpunkt bereits vorhanden [2]. Der Schlüssel zur Erzielung einer verbesserten Effizienz von Produktionsprozessen liegt damit in der neuartigen Anwendung dieser Technologien in der Domäne der industriellen Produktion. Durch eine um­fassende und medienbruchfreie Informa­tionsverfügbarkeit ergeben sich Effizienz­potenziale durch erhöhte Wandel­barkeit und die Verringerung von Verlusten – vor allem bei der produktindividuellen Massenproduktion und bei kleinen Chargengrößen.

In der Produktion der Zukunft werden ­sich Internettechnologien zur Realisierung einer offenen Kommunikationsplattform ausbreiten und zur Ablösung der heute streng hierarchisierten IT-Landschaft führen. Netzbasierte Dienste, die direkt aus der Produktion heraus angeboten werden können, erlauben zudem die Erschließung neuer Geschäftsfelder im Bereich von Mehrwertdiensten zum Produkt.

Die sich daraus ableitenden Möglichkeiten zur Realisierung optimierter Prozesse und neuer Wertschöpfungsketten bergen genau jene Effizienzpotenziale, die durch die vierte Industrielle Revolution erschlossen werden.

Herausforderung für die Industrie

Um vierte Industrielle Revolution Wirklichkeit werden zu lassen, bedarf es jedoch nicht nur durch Technik getriebene In­novationen. Eine weitere Grundvoraussetzung ist die kritische Hinterfragung der einzelnen Rollen, welche heute sowohl von Herstellern von Automatisierungs­technik, als auch von Systemintegratoren und Betreibern produktionstechnischer An­lagen eingenommen werden [3].

Um in einer vernetzten Welt wettbewerbsfähig zu bleiben, werden Herstellern von Automatisierungstechnik gezwungen sein, sich von ihrem Selbstverständnis eines Produktanbieters zu lösen und sich hin zu einem Anbieter von maßgeschneiderten Lösungen zu entwickeln. Dies wird alleine schon deshalb notwendig sein, da die Schaffung eines Mehrwerts für den Betreiber einer Anlage zukünftig nicht mehr aus der reinen Bereitstellung von automatisierungstechnischen Komponenten sondern aus deren prozessbezogener Verbindung mit vorhandenen IT-Systemen resultieren wird.

Daneben ist vor allem der Betreiber gefordert. Die Effizienzsteigerung wird wesentlich durch die Optimierung von Prozessen auf Basis von Informationen über Produkte, Anlagen und Prozesse resultieren. Die Profiteure der vierten Industriellen ­Revolution werden diejenigen Unternehmen sein, die es verstehen, die durch neue Technologien eröffneten Möglichkeiten in nutzbringende Prozesse, Produkte und Mehrwertdienste umzusetzen.

Da es insbesondere Unternehmen in Deutschland in der Vergangenheit gelungen ist, neue technologische Entwicklungen schnell in Produktionsprozesse und Produkte zu integrieren, ist davon auszugehen, dass sich der bevorstehende Paradigmenwechsel bei allen Beteiligten rasch vollziehen wird und sich deutschen Unternehmen in Zukunft sowohl als Leitnutzer als auch als Leitanbieter von Komponenten und Produkten auf Basis so genannter Cyber-Physischer Systeme (CPS) an die Spitze der vierten Industriellen Revolution setzen und auf dem Weltmarkt positionieren werden.

Die Vernetzung der Steuerungsstrukturen

Nach einer Studie des DFKI aus dem Jahr 2011 ist die Automatisierungspyramide als Strukturierungsmittel für Fabriksysteme immer noch probat. Danach lässt sich aus Sicht der Kommunikationssysteme eine Unterteilung in drei Ebenen vornehmen. Die oberste Ebene repräsentiert das Firmen­intranet und dient beispielsweise der Vernetzung von ERP, MES und Büroanwendungen. Die mittlere und untere Ebene stellen das Produktionsnetzwerk dar. Auf der mittleren Ebene befinden sich die (speicherprogrammierbaren) Steuerungen und Leitsysteme. Falls eine Vernetzung mit der oberen Ebene eingerichtet ist, dann auf Basis von Standard-Ethernet. Die Verbindung zu den angeschlossenen Feldgeräten in der unteren Ebene geschieht über die unterschiedlichen Feldbusse und industriellen Ethernetvarianten.

Auch wenn die Kommunikationscharakteristika und die Anwendungen sich auf den verschiedenen Ebenen der Automati­sierungspyramide unterscheiden, so sind doch der Wunsch und die Konvergenz zu einem einheitlichen Kommunikationssystem – vorzugsweise auf Basis von Standard-Ethernet – deutlich erkennbar. Durch die oben beschriebene zunehmende Durchdringung der Fabriken mit CPS-basierten Komponenten und Produkten ist mit einem starken Zusammenwachen der heute meist getrennten Bereiche Firmenintranet und Produktionsnetzwerk zu rechnen. Basis für das Kollaborieren unterschiedlicher Systeme müssen dann standardisierte Informationsmodelle sein [4], die mit von Maschinen nutzbaren, offenen Datenformaten beschrieben sind – beispielsweise in XML – mittels Webservices gekapselt werden und über ein offenes Netz aufgerufen werden können.

Der Nutzen dieses medienbruchfreien, konfigurationsarmen und durchgängigen Informationszugriffes entsteht durch die Optimierung von Produktions- und Geschäftsprozessen, die zur Erreichung der unternehmerischen Ziele dienen. Besonders in produktionsnahen Aufgabenbereichen großer Komplexität, hoher geforderter Flexibilität und großer Produktvarianten dienen dazu MES-Anwendungen. Deren Einsatz ist bereits heute zunehmend [5]. Der wachsende Einsatz von Internettechno­logien wird diesen Trend weiter verstärken. MES-Anwendungen sind auf das jeweilige Anwendungsgebiet spezialisiert und für das jeweilige Unternehmen maßgeschneidert. Ein kollaboratives Neben- und Miteinander wird gefordert [5]. Das Anbieten von MES-Anwendungen als Cloud-Service und die Visualisierung mithilfe von Apps liefern Lösungsansätze für diese Forderungen.

Ausgewählte Anwendungsformen in der SmartFactoryKL

Die zentralen Aspekte der vierten Industriellen Revolution können anhand von drei Paradigmen verdeutlicht werden: das intelligente Produkt („Smart Product“), die kooperierende Maschine („Smart Machine“) und der assistierte Bediener („Augmented Operator“). Das Paradigma des intelligenten Produkts beschreibt die neue Rolle der zu fertigenden Produkte als aktive Systemkomponenten, die durch die Ausstattung mit digitalen Produktgedächtnissen Wissen über den Produktionsauftrag mit sich tragen und ihren Produktionsprozess selbst steuern. Durch das Paradigma der kooperierenden Maschine werden Produktionsmittel zu Cyber-Physische Produktions­systeme[6] also autonomen Elementen mit lokaler Steuerungsintelligenz, die über offene Netze und semantische Beschreibungen in einem Automatisierungsnetzwerk mit anderen Maschinen, Produkten und Anlagen kommunizieren.

Sie sind also verteilte intelligente Objekte, die miteinander über Internettechnologien vernetzt sind. Im Bereich der Produktionstechnik werden sie auch als Cyber-Physische Produktionssysteme (CPPS) bezeichnet. Das Paradigma des assistierten Bedieners stellt schließlich den Menschen im Zentrum der Fabrik dar, der durch kontextsensitive Informations­bereitstellung und Augmented Reality unterstützt wird, um die steigende technische Komplexität optimal zu beherrschen.

Diese Kernparadigmen der vierten Industriellen Revolution werden in der einzigartigen Demonstrationsanlage der DFKI-SmartFactoryKL in Form einer kompletten Produk­tionslinie praxisnah vorgestellt. Die modular aufgebaute Anlage zeigt die flexible kundenindividuelle Fertigung eines exemplarischen Produkts, dessen Bauteile ­(Gehäusedeckel, Gehäuseboden, Platine) in der Anlage gehandhabt, mechanisch bearbeitet und montiert werden. Im Folgenden werden der Prozessablauf sowie die modularen Stationen der Produktionslinie im Detail beschrieben.

Abb. 1a, b RFID-basiertes digitales Produktgedächtnis (Bild a), intelligenter Werkstückträger der DFKI-SmartFactoryKL (Bild b)

Abb. 2 Mikro-Webserver (Digi-Connects) am Beispiel der DFKI-SmartfactoryKL-Demonstrationsanlage

Abb. 3 Augmented-Reality-Anwendung in der DFKI-SmartfactoryKL

Das intelligente Produkt

Ein Ansatz zur zukünftigen informationstechnischen Verknüpfung der unterschiedlichen Ebenen der Produktion ist die Nutzung des Produktes selbst als Infor­mationsträger [7]. Das individuelle Produkt wird dazu mit einem automatisch auslesbaren Datenträger ausgerüstet. Bei Fluiden ist die individuelle Kennzeichnung vor der Abfüllung in einen Behälter schwieriger zu realisieren. Als Denkmodell kann die Chargennummer in Verbindung mit der Prozessinformation aus dem Leitsystem jedoch zur virtuellen Kennzeichnung dienen. ­Derzeit werden diese Technologien allerdings oft nur unternehmensintern verwendet. Digitale Produktgedächtnisse (DPG) stellen demgegenüber ein ganzheitlicheres Konzept zum technologieunabhängigen Informationsaustausch über die Ebenen des Unternehmens und sogar Unternehmensgrenzen hinweg dar. Dies wird durch einheitliche Datenformate wie das im Rahmen des BMBF-Projekts „SemProM – ­Semantic Product Memory“ initial entwickelte und unter dem Dach der W3C weiterentwickelte Object Memory Model (OMM) ermöglicht.

Die technische Implementierung von DPGs kann von einfachen Data-Matrix-Codes oder RFID-basierten Systemen bis hin zu komplexen und autonom agierenden aktiven digitalen Produktgedächtnissen auf Basis eingebetteter Systeme variieren (Abb. 1).

Die Nutzung des Produktgedächtnisses erlaubt die produktindividuelle Speicherung von Prozessinformationen und -parametern eines Produkts für dessen Herstellung und Transport zum Kunden. Dadurch enthält jedes Produkt alle relevanten Informationen, um seinen individuellen Wertstrom zu durchlaufen. Das Produkt steuert sich somit selbst durch seine Produktion.

Zukünftig ist vorstellbar, dass diese Informationen über den gesamten Herstellungsprozess als Grundlage von internetbasierten Diensten und neuen Geschäftsmodellen genutzt werden.

Die kooperierende Maschine

Neben dem durchgängigen Zugriff auf produktbezogene Informationen über das DPG bieten internetbasierte Dienste die Möglichkeiten des interoperablen Zugriffs sowohl auf Informationen aus dem Wertschöpfungsprozess als auch auf die Funk­tionalitäten, die durch Maschinen und Feldgeräte im Wertschöpfungsprozess verteilt zur Verfügung gestellt werden.

Die Realisierung solch kooperierender ­Maschinen ist bereits heute möglich. Ein Beispiel hierfür ist die Ausstattung von ­industriellen Feldgeräten des DFKI-Smart­FactoryKL-Demosystems mit Mikro-Webservern und OPC-UA Schnittstellen (Abb. 2). Es entstehen intelligente, eingebettete Systeme, die über das Internet miteinander in Verbindung stehen. Sie erlauben die Bereitstellung semantischer Dienste zum vertikal integrierten Informationszugriff und Funktionsaufruf auf IP-Basis.

Der Augmented Operator

Das DPG und die breite Verwendung von Mikro-Webservern führen zu einer Flut an Informationen. Der Mensch benötigt hier situationsabhängige Filterungsmechanismen, um am richtigen Ort zur richtigen Zeit exakt die Informationen zu erhalten, die zur Bearbeitung einer Arbeitsaufgabe erforderlich sind. Diese Informationen sind sehr vielseitig und entstammen neben Sensor­systemen vor allem andern IT-Systemen des Unternehmens wie z.B. Auftragserfassungs- und Logistikplanungssystemen, den Steuerungen der Produktionsanlagen und den DPG.

Zur Aufbereitung und Vermittlung dieser gefilterten Informationen und damit zur kontextsensitiven Assistenz für den Menschen in der Fabrik bieten sich Augmented Reality (AR) Technologien an. Wie in Abbildung 3 gezeigt, überlagern dabei computergenerierte Inhalte ein reales Bild. Insbesondere Tablet Computer mit ihren eingebauten Kameras, der vergleichsweise hohen Rechenleistung und ihrer Vernetzungsfähigkeit bilden eine hervorragende Plattform, um den breiten Einzug der AR in die industrielle Praxis zu ermöglichen. Haupteinsatzfelder sind dabei Instandhaltung, Logistik sowie Schulung und Training von Mitarbeitern.

Zusammenfassung und Ausblick

Resultierend aus der Betrachtung kann gefolgert werden, dass die Basistechnologien für eine neue Form der Automatisierungs- und Prozesstechnik bereits vorhanden sind. Ihr zukünftiger Nutzen wird sich aus deren neuartigem Einsatz in konkreten Anwendungen ergeben. Die Identifikation und Spezifikation solch nutzbringender Anwendungen, z.B. zur Optimierung von Prozessen oder der Bereitstellung von softwarebasierten Mehrwertdiensten wird ­damit zu einem kreativen Akt, der sowohl Technologiekompetenz in den genannten Feldern, als auch ein hohes Maß an domänenspezifischem Anwendungswissen erfordert.

Eine rein technologiegetriebene Sichtweise auf die Zukunft der Automa-
tisierungstechnik ist daher nicht ausreichend. Nicht die neuen Informations- und Kommunikationstechnologien als solche, sondern deren Anwendung in Prozessen und in Form von Diensten werden in Zukunft zur postulierten vierten Industriellen Revolution führen.

Literatur beim Autor

Erde: © fotolia.com, Cseke Timea | Gesicht: panthermedia.net, joker3d