Unternehmensführung

Industrielle Zukunft und Internet

Wie das „Internet der Dinge“ die Industrieproduktion revolutionieren wird, Teil 1

Unter dem Druck der Globalisierung wird unsere Branche eine Reihe größerer Veränderungen durchlaufen. Die Produktlebenszyklen werden sich verkürzen, Produkte werden noch kundenspezifischer und der weltweite Wettbewerb wird sich auf zahlreichen Märkten intensivieren. Diese Entwicklungen zeigen sich bereits auf dem Markt für Mobiltelefone. Prof. Dr. Detlef Zühlke, Dr. Dominic Gorecky und Stefanie Fischer vom Forschungsbereich „Innovative Fabriksysteme“ (IFS) am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserslautern werfen einen Blick in die Zukunft der Industrieproduktion, den wir in dieser und der nächsten Ausgabe der Steine+Erden veröffentlichen.

Die Produktlebenszyklen haben sich auf sechs bis neun Monate verkürzt, während Funktionsumfang und Komplexität der Produkte kontinuierlich zugenommen haben. Eine vergleichbare Entwicklung ist auch in der Automobilindustrie und anderen Sektoren zu beobachten. Durch die steigende Produktkomplexität und die Verkürzung des Produktlebenszyklus nimmt die Bedeutung computergestützter Technologien (CAx) für die Optimierung der Produktionsanlaufphase und der Beschleunigungsphase zu. Obwohl die CAx-Fortschritte in den letzten zehn Jahren zu mehr Flexibilität im Entwicklungs- und Planungsstadium geführt haben, steht ein ähnlicher Durchbruch für die eigentliche Fertigungsphase noch aus. Eine hohe Produktvariabilität bei verkürzten Produktlebenszyklen erfordert eine agile und flexible Produktionsstruktur, die sich bei neuen Produktanforderungen schnell rekonfigurieren lässt. Dieser Grad an Flexibilität kann mit der traditionellen Automatisierung nicht erreicht werden. Stattdessen sind modulare Fabrikstrukturen, bestehend aus intelligenten Geräten – sogenannte „Cyber-Physische Systeme“ (CPS) – die im „Internet der Dinge“ vernetzt sind, Schlüsselelemente für die Ermöglichung adaptierbarer Produktionsszenarien, die für die Erfüllung und Überwindung der aktuellen Herausforderungen ausgelegt sind.

In den letzten zehn Jahren wurden wir Zeuge, wie die Entstehung und Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) unseren Alltag grundlegend gewandelt hat. Computer sind so klein geworden, dass sie in fast allen technischen Geräten praktisch verschwinden. Zudem kommunizieren die Geräte in einem weltweiten Netzwerk, dem Internet. Wenn wir diese Entwicklung gedanklich fortführen, erkennen wir, dass fast alle Alltagsgegenstände zu intelligenten Knoten in einem globalen Netzwerk werden. Dieses Phänomen, das „Internet der Dinge“ (IoT), wird mit größter Wahrscheinlichkeit seinen Weg in die Industrieproduktion finden. Die elektrotechnische, hierarchische Organisationsdominanz in der automatisierten Fabrik wird intelligenten Fabriknetzwerken weichen, die zunehmend von den Fortschritten in der IKT und Informatik profitieren. In Deutschland ist die 4. Industrielle Revolution („Industrie 4.0“) bereits ein zentrales Thema in der öffentlichen Debatte. Seit der Einführung dieses Begriffs im April 2011 durch Kagermann/Lukas/Wahlster (Kagermann, H., Lukas, W., Wahlster, W., Industrie 4.0: Mit dem Internet der Dinge auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution, VDI-Nachrichten 2012) hat das Interesse daran stetig zugenommen. Unter dem Einfluss eines Arbeitskreises aus Wissenschaftlern und Unternehmern wurde eine Vision für die deutsche Industrie entwickelt und der Bundesregierung als Vorschlag präsentiert. Daraufhin wurde ein Forschungsprogramm aufgelegt, das in den nächsten Jahren mit rund 200 Millionen Euro gefördert wird. Die drei großen Branchenverbände (VDMA, ZVEI, BITKOM) haben eine gemeinsame Plattform gegründet. Sie soll alle Aktivitäten für die „Industrie 4.0“ bündeln. Diese Schritte haben zu einem allgemeinen Hype beigetragen, der hauptsächlich von den Medien befördert wird. Es besteht jedoch ein reales Interesse seitens der Fertigungsunternehmen, dieser Vision zum nachhaltigen Erfolg zu verhelfen. Als Technologienation erzeugt Deutschland einen Großteil seines Bruttoinlandsprodukts mit der Herstellung von Gütern und den dazu erforderlichen Fertigungsanlagen. Der folgende Text beschreibt die wesentlichen Herausforderungen und Veränderungen, die für die Vision „Industrie 4.0“ erwartet werden.

Vision „Industrie 4.0“

Ein hervorstechendes Merkmal der neuen technologischen Umgebung ist der Übergang zu Mechatroniksystemen. Während die Elektronik eine wesentliche Komponente künftiger Produkte sein wird, wird sich die Hardware zunehmend standardisieren. Die zentralen, funktionsbestimmenden Eigenschaften werden von der Software gestellt und die traditionellen Maschinenelemente werden durch Mecha-
troniksysteme ersetzt. Funktionen können mechanisch, elektronisch oder durch Software realisiert werden. Entwicklung, Herstellung und Service erfordern daher ein interdisziplinäres Team, quasi eine Art Universalingenieur mit mechanischen, elektrischen und Software-Kompetenzen.

Intelligente Objekte

Die treibende Kraft für die Vision „Industrie 4.0“ ist das „Internet der Dinge“ (IoT). In dieser Vision hat jedes „Fabrikobjekt“ seine eigene IP-Adresse und ist in ein Netzwerk eingebunden. Der Fachbegriff für solche Objekte lautet „Cyber-Physische-Systeme“ (CPS) (Geisberger, E., Broy, M., Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, Acatech Studie, Berlin 2012). Die herkömmliche Produktionshierarchie wird in der „Fabrik der Zukunft“ durch eine dezentrale Selbstorganisation ersetzt, deren Voraussetzungen mit den CPS geschaffen werden. Werksbereiche und Produktionsabläufe werden so unabhängig und flexibel, dass auch bei schnellen Produktwechseln und einer beliebigen Anzahl von Optionen kleinste Losgrößen möglich sind. Die Maschinen können in dieser Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) selbst Anweisungen erteilen, beispielsweise ein Ausgangsprodukt zu transportieren oder einen bestimmten Fertigungsservice in Anspruch zu nehmen. Das semantische Gedächtnis des Produkts steuert den Fertigungsprozess und erlaubt eine dezentrale Serienproduktion mit einer Losgröße von 1. Viele dieser intelligenten Elemente werden mobil und über Drahtlosnetzwerke verbunden sein.

Das bedeutet, dass wir wichtige Ortungsdaten verlieren werden, die wir bei den alten, festverdrahteten Systemen indirekt durch das „Kabelende“ erhalten haben. Das ist besonders kritisch für den Anlagenbetrieb. Der aktuelle Aufenthaltsort eines Mitarbeiters, der ein Smartphone oder anderes Mobilfunkgerät verwendet, kann nicht mehr genau festgestellt werden. Er könnte sich in den Produktionsräumen befinden oder in der Kantine aufhalten. Die Anwendung muss aber den Aufenthaltsort des Mitarbeiters kennen, um entscheiden zu können, ob eine bestimmte Funktion aktuell verfügbar ist. Um dieses Dilemma zu lösen, werden nicht nur GPS-artige Ortungssysteme für Innenräume benötigt; es müssen auch neue Regeln und Verfahren für die Entwicklung kontextsensitiver Mensch-Maschine-Schnittstellen gefunden werden, die eine Entkoppelung der Hardware von der aktuell verwendeten Software ermöglichen.

Neue Kommunikationsarchitekturen

In den Fabriken der Gegenwart gibt es eine streng hierarchische Informationsstruktur. In den oberen Schichten finden wir das System für die Warenwirtschaftsplanung (ERP), das über den Anlagensteuersystemen (MES und NC/PLC) installiert ist. In der untersten Schicht befinden sich die Sensor- und Aktuatorsysteme der Anlage, die sogenannten Feldgeräte. Obwohl diese Schichten in den letzten Jahren immer stärker integriert worden sind, erfolgte die wichtigste Systemintegration nicht vertikal, sondern horizontal. Ein CPS-Netzwerk erfordert daher zwangsläufig einen neuen architektonischen Ansatz. Die üblichen Pyramidenstrukturen, gekennzeichnet durch ein starkes waagerechtes Geflecht und eine schwache vertikale Kommunikation, werden ersetzt durch ein domänenorientiertes Netzwerkgefüge, das im Prinzip eine beliebige Anzahl von Pfaden durch alle Informationsschichten in der Fabrik ermöglicht. Anlagensysteme, die auf den Prinzipien von IoT und CPS basieren, werden die üblichen SPS-Systeme überflüssig machen, da jedes Endgerät mit jedem anderen Endgerät kommunizieren kann, selbst wenn sich beide Geräte in unterschiedlichen Schichten befinden. Die Spezifikation der Prozesslogik (Orchestrierung) erfolgt im Netzwerk, nicht in einem dedizierten Steuerelement. Heute schalten Programmsteuerungen zumeist Hardwarestrukturen, die weitgehend auf mindestens 20 Jahre alten Regelwerken basieren. In der künftigen Welt vernetzter, sich selbst organisierender CPS sind Hardware und Steuerlogik streng voneinander zu trennen. In dieser Hinsicht gibt es bereits mehrere Paradigmen, darunter Service-oriented Architectures (SoA) und Multi-Agent Architectures (MAS).

Beide Ansätze sind gekennzeichnet durch die Einkapselung und Abstrahierung der Hardwarefunktionen und das Vorhandensein von Mechanismen für sich selbst organisierende Systeme. Darüber hinaus gibt es bereits eine Reihe von Programmiermodellen, die eine Spezifizierung der Steuerlogik bzw. Orchestrierung erlauben. Diese Ansätze erfordern jedoch einen hohen Grad an Informatikwissen, was die Umsetzung auf der Produktionsebene kompliziert, wenn die Mitarbeiter nicht entsprechend ausgebildet sind. In dieser Hinsicht ist die Migration dieser Architekturparadigmen aus der oberen Fabrikschicht, wo sie bereits teilweise umgesetzt werden, zu den MES-Systemen in der mittleren Schicht der vielversprechendste Weg, der zudem den technischen Hintergrund des Personals berücksichtigt. In den Produktionsplanungs- und Steuerprozessen der Gegenwart wird das Design des Steuerungssystems erst am Ende der Planungsphase festgelegt, da es von den mechanischen und elektrischen Designs abhängt. Die Programmierung der Logiksteuerungen beginnt erst, nachdem die Steuerterminals ausgewählt und deren Verschaltung entschieden worden ist. Abstraktionskonzepte wie SoA können nützlich sein, um die Bindung an die initiale Umsetzungshardware zu kappen und wiederverwendbare Softwarekomponenten zu entwickeln. Für den hardwareunabhängigen, funktionalen Top-Down-Planungsansatz muss ein neuer Engineering-Workflow etabliert werden. Die traditionellen Planungsdomänen sind stärker zu integrieren, insbesondere in der frühen Planungsphase, um eine spätere Anpassung im Planungsprozess zu ermöglichen. Ein Systemtechnikansatz kann die interdisziplinären Aufgaben unterstützten, wie die Luft- und Raumfahrttechnik erfolgreich gezeigt hat. Das Generieren einer transparenten Präsentation stellt eine echte Herausforderung dar, da die Planungsergebnisse komplex sind und die Wechselbeziehungen zwischen den Fachrichtungen berücksichtigt werden müssen. Für eine inkrementelle, modellbasierte Engineeringstrategie werden praktische Verfahren sowie geeignete Modellierungssprachen, Datenformate und Werkzeugketten benötigt. Das Ziel für künftige intelligente Fabriken muss die Beseitigung des Medienbruchs zwischen CAx/PLM-Umgebungen und der tatsächlichen Betriebsanlage sein. Das PLM-Werkzeug muss vollständige Systembeschreibungen erzeugen können, die sich direkt in ausführbare Steuerservices umsetzen lassen. Der Code muss dann sowohl die Simulation einer virtuellen Anlage als auch die Einrichtung und den Betrieb der tatsächlichen Anlage ermöglichen.

Prof. Dr. Detlef Zühlke
Dr. Dominic Gorecky
Stefanie Fischer

Dr. Siegfried Dais bei der Startveranstaltung auf der Hannover Messe 2015.
Dr. Siegfried Dais, Gesellschafter der Robert Bosch Industrietreuhand KG und Sprecher der Verbändeplattform Industrie 4.0, bei der Startveranstaltung auf der Hannover Messe 2015.
 
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