Die vierte industrielle Revolution wird kommen 1

Der Konstrukteur der Zukunft wird sich weniger mit der Mechanik, dafür aber mehr mit der Software beschäftigen müssen. Denn deutsche Forscher tüfteln an einem Projekt, das den Standort Deutschland sichern soll: Die intelligente Fabrik, in der alles miteinander kommuniziert. Vorgestellt wurde das System vor zwei Wochen auf der Hannover Messe. Siehe auch Interview “Industrie 4.0: In Zukunft werden wir keine proprietären Automatisierungstechnologien mehr haben”.

Fast jeder würde gerne mal einen Blick in die Glaskugel werfen und wissen, wie er in Zukunft leben und arbeiten wird. Aufmerksame Besucher der vergangenen Hannover Messe konnten beim Forum Industrial IT eine Ahnung davon erhalten, was auf sie zukommt. Die Ingenieure des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) aus Kaiserslautern präsentierten dort zusammen mit Partnern aus der Industrie ihr Projekt, die smarte Fabrik, die zu einer neuen industriellen Revolution führen könnte.

Produkt mit digitalem Produktgedächtnis in der SmartFactoryKL.

Und das steckt dahinter: Neuartige Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) durchdringen inzwischen alle Lebens- und Arbeitsbereiche. Sie bilden nicht nur die zentrale technologische Basis für die Informations- und Wissensgesellschaft, sondern tragen auch entscheidend dazu bei, dass Unternehmen in Europa ihre Produktivität steigern können.

Deutschland zukunftsfähig halten
Damit ein Hochlohnland wie Deutschland auch in Zukunft wettbewerbsfähig produzieren und seine Arbeitsplätze im produzierenden Gewerbe stabil halten kann, braucht es als Grundlage die Integration dieser neuen IKT-Technologien. Die Forscher am DFKI denken schon einen Schritt weiter und wollen mit deren Hilfe die Produktivität und Wertschöpfung der deutschen produzierenden Industrie auf eine völlig neue Ebene heben. Und damit deutschen Unternehmen neue Geschäftsmodelle für eine gute Positionierung auf dem Weltmarkt ermöglichen. Deshalb tüfteln sie an autonomen, sich selbst steuernden und wissensbasierten Produktionssystemen, die auf cyber-physischen Systemen basieren.

Dr. Jochen Schlick, DFKI: „Deutsche Forscher tüfteln an einem Projekt, das den Standort Deutschland sichern soll: Die intelligente Fabrik, in der alles miteinander kommuniziert.“

Das sind Systeme, welche die Daten aus der physischen Welt verarbeiten und sie für netzbasierte Dienste verfügbar machen. Die digitale Veredelung von Produktionsmitteln, Produkten und Anlagen wird die Produktion, das Engineering, die Lieferkette und das Produktlebenszyklusmanagement so verändern, dass diese Veränderungen in ihrer Gesamtheit zu einer neuen Form der Industrialisierung führen können. Da sich Deutschland auf dem Gebiet softwareintensiver eingebetteter Systeme, insbesondere im Automobil- und Maschinenbau, eine führende Stellung erarbeitet hat, besitzt der Produktionsstandort Deutschland beste Voraussetzungen, um durch die Vernetzung eingebettet intelligenter Systeme über das Internet die vierte industrielle Revolution schnell Realität werden zu lassen. Diese wird sich an die bis heute andauernde dritte industrielle Revolution anschließen, die in den 1970er-Jahren durch den Einsatz von Elektronik und IT die Automatisierung vorangetrieben hat

Die erste industrielle Revolution brachte der Menschheit mechanische Produktionsanlagen, die von Wasser- und Dampfkraft angetrieben wurden. Die zweite industrielle Revolution war durch die Einführung der arbeitsteiligen Massenproduktion (Fordismus, Taylorismus) gekennzeichnet, die von elektrischer Energie getrieben wurde. Sie mündete in den 1970er-Jahren in die bis heute andauernde dritte industrielle Revolution: Die Automatisierung durch den Einsatz von Elektronik und IT. Die vierte industrielle Revolution bringt autonome, selbststeuernde und wissensbasierte Produktionssysteme.

Intelligent und kommunikativ
Doch zurück zu den Systemen für die intelligente Fabrik. Diese Systeme werden auch als cyber-physische Produktionssysteme (CPPS)bezeichnet.

Die verschiedenen Hersteller haben unterschiedliche automatisierungstechnische Komponenten. Für bestehende Integrationsprobleme entwickeln die DFKI-Ingenieure intelligente Lösungen

Sie sollen neue Produkte und Verfahren generieren und umfassen folgende charakteristische Aspekte:

  • Smarte Objekte: technische Geräte werden durch eine dezentrale Intelligenz veredelt.
    Allumfassende Vernetzung: alle smarten Objekte können in einem Netzwerk miteinander kommunizieren.
  • Wandelbare, agile Produktionssysteme: Anhäufen smarter Objekte zu weitgehend selbstkonfigurierenden Produktionssystemen.
  • Nutzen von Internet-Standards: das Anpassen existierender und erprobter Standards zur kabelgebundenen und drahtlosen Kommunikation, zum Beispiel durch TCP/IP, Bluetooth, WirelessHart.
    Vertikale Integration im Netzwerk: das Ablösen strikt horizontaler und hierarchischer Steuerungsarchitekturen durch stärkere vertikale Integration und Durchgängigkeit in den Netzwerkstrukturen.
  • Neue Fabrikplanungsmethoden: abstrakte Planungsverfahren auf Basis digitaler Modelle kommen zum Einsatz. Dabei werden mechanische und elektronische Systeme stärker parallel geplant.
  • Energie- und ressourcenoptimierte Produktion: das durchgängige Erfassen und Optimieren des Verbrauchs von Energie und anderen Ressourcen.
  • Veränderte Rolle des Menschen: ein verbesserter und mobiler Zugriff auf Produktionsdaten und -anlagen unterstützt den Nutzer stärker. Beispielsweise greift er auf Tablet- PCs und Smartphones zu, die mit einer nutzerzentrierten und kontextabhängigen Interaktionsgestaltung verbunden sind.

Test in der Smarten Fabrik
Im Jahr 2005 initiierte Prof. Dr. Detlef Zühlke die Gründung der Technologie-Initiative SmartFactoryKL. Bei dieser handelt es sich um ein Test- und Demonstrationszentrum für neuartige Fabriktechnologien. Hier in Kaiserslautern erforschen die Ingenieure vom Deutschen Forschungszentrum fuhr Künstliche Intelligenz, das die SmartFactoryKL betreibt, die Paradigmen der vierten industriellen Revolution in einer realitätsnahen Produktionsumgebung und übertragen sie auf die industrielle Anwendung.

Peter Stephan, DFKI: „Die Zeiten, in denen das Fabrikpersonal bei einer erhöhten Nachfrage eine zusätzliche Anlage erst umrüsten und dann langsam hochfahren musste, sind damit vorbei.“

Konkret bedeutet das: Sie ersetzen die traditionellen hierarchischen Systeme der Automatisierungspyramide durch verstärkt dezentral intelligente Produktionssysteme. In der SmartFactoryKL können Anlagenkomponenten als Dienste in einer serviceorientierten Architektur semantisch beschrieben werden. Sie bieten damit die Grundlage fuhr rekonfigurierbare Fabriksysteme, welche eine effiziente Fertigung kleinster Losgroßen bei gleichzeitig raschen Produktwechseln und einer hohen Variantenvielfalt ermöglichen.
Die Zeiten, in denen das Fabrikpersonal bei einer erhöhten Nachfrage eine zusätzliche Anlage erst umrüsten und dann langsam hochfahren musste, sind damit vorbei. Semantische Produktgedächtnisse speichern alle Auftragsdaten zur Herstellung eines intelligenten Produkts. Und die Produkte können sich selbst produzieren.

Die Kommissionierstation des Systemprototyps, den die DFKI-Ingenieure auf der Hannover Messe zeigten.

Denn verschiedene technische Möglichkeiten zur kontextaktivierten M2M-Kommunikation, wie beispielsweise RFID-Chips, ermöglichen es einem Produktrohling, seine Fertigung selbst zu steuern und benötigte Rohmaterialien anzufordern. So befiehlt beispielsweise eine leere Flasche der Anlage: „Befüll mich mit roter Seife!“ und fordert im Anschluss: „Verschließ mich mit einem Deckel!“. Durch zustandsbasierte Wartung, optimierte Start- Stop-Mechanismen und interaktives Ressourcenmanagement erreichen die DFKI-Ingenieure darüber hinaus eine bisher unbekannte Ressourcenschonung.
Und sie ermöglichen die Produktion sogar mitten in der Stadt. Das heißt, die Fabriken müssen nicht mehr auf Gewerbegebiete ausweichen, weil sie sich geräuscharm und umweltfreundlich in die Wohngebiete einfügen. Multimodale Interaktionstechniken, wie die Augmented-Reality-Assistenzsysteme, unterstutzen situations- und kontextabhängig die Interaktion von Fachkräften mit den cyberphysischen Produktionssystemen. Auf der Hannover Messe präsentierten die Forscher vom DFKI die künftige Produktion anhand eines Systemprototyps der SmartFactoryKL. Dieser Prototyp besteht aus vier Einzelmodulen, die ein intelligentes Beispielprodukt, den sogenannten SmartKeyFinder, fertigen.

Von der Kommissionierstation…
Der Produktionsprozess des Beispielprodukts startet in einer Kommissionierstation. Hier werden die Auftragsdaten aus dem ERP-System der Anlage in das semantische Produktgedächtnis des SmartKeyFinder übertragen und direkt am Produkt hinterlegt.

In der Frässtation erhält die Gehäuseschale eine individuelle Gravur.

Als Datenformat dient das im Rahmen des BMBF-Projekts „SemProM – Semantic Product Memory“ durch das DFKI maßgeblich mitentwickelte und bei der W3C in Standardisierung befindliche Object Memory Model (OMM). Als technologische Grundlage zur vertikalen Integration von EPR-System, Prozesssteuerung und semantischem Produktgedächtnis kommt OPC-UA zum Einsatz. Dies gilt ebenfalls fuhr die Visualisierung aktueller Zustande des Produktionsprozesses im Leitsystem. Die vertikale und die horizontale Integration der einzelnen Steuerungen und Komponenten der Feldebene laufen über gängige Internetstandards, wie beispielsweise TCP/IP.

… über die Frässtation …
In der Frässtation bringt die Anlage eine individuelle Gravur in die Gehäuseschale des Smart- KeyFinder ein. Hier kommen die Auftragsdaten fuhr den Zerspanungsprozess aus dem semantischen Produktgedächtnis zum Zuge. Anhand dieser werden in der Werkzeugmaschine hinterlegte Subprogramme dynamisch zu einem übergeordneten Ablaufprogramm zusammengestellt. Sobald der mechanische Bearbeitungsprozess abgeschlossen ist, öffnet sich die Werkzeugmaschinentür und der Roboter der Kommissionierstation entnimmt die Gehäuseschale.

… zur Montagestation und dann …
In der automatisierten Montagestation platziert der Roboter der Kommissionierstation die halbfertigen Produkte auf einen intelligenten Werkstuckträger. Dieser regelt nicht nur den Materialfluss, sondern nimmt durch eingebettete Sensorik, lokale Verarbeitungsintelligenz und drahtlose Kommunikation mit der Anlagensteuerung aktiv Einfluss auf den Fertigungsprozess. Der Kunde bestimmt, ob die Anlage das Produkt ressourcenschonend oder zeitlich optimiert produziert.

Automatisierte Montagestation: Der Roboter platziert die halbfertigen Produkte auf einem intelligenten Träger.

Das System wählt die dafür notwenigen Prozessvarianten entsprechend der Auftragsdaten des intelligenten Produkts aus. Um die Produktionsprozesse möglichst ressourcenoptimiert gestalten zu können, nutzt die Anlage Konzepte zur intelligenten Erfassung und Visualisierung der Ressourcenverbrauche. Diese Konzepte werden aktuell im Rahmen des BMBF-Projekts „RES-COM – Ressourcenschonung durch kontextaktivierte M2M-Kommunikation“ erarbeitet.

… zuletzt zur Handarbeitsstation
Neben einer optionalen manuellen Montage des Beispielprodukts bietet die Handarbeitsstation verschiedene Möglichkeiten fuhr Funktionstests, Qualitätskontrolle und die Inbetriebnahme des Produktes.

Die Handarbeitsstation bietet verschiedene Möglichkeiten für Funktionstests, Qualitätskontrolle und Inbetriebnahme des Produkts.

Dabei erhält der Mensch Unterstutzung durch mobil bereitgestellte und visualisierte Echtzeitinformationen. Mittels der Visualisierungstechnologie Augmented Reality (AR) erhalten die Fachkräfte digitale Arbeitsanweisungen und Montageanleitungen. Diese erläutern die komplexen Arbeitsprozesse und -abläufe.

Die parallele Entwicklung kommt
Und was bedeutet dies alles fuhr den Konstrukteur der Zukunft? Er wird damit konfrontiert werden, dass CPPS als vernetzte mechatronische Einheiten aufgebaut sein werden, die aus mechanischen, elektrischen, elektronischen, und softwaretechnischen Komponenten bestehen. Für die optimierte Gestaltung solch integrierter Einheiten wird zweierlei wichtig werden: Zum einen die enge Abstimmung zwischen den verschiedenen Bereichen der Produktentwicklung. Zum anderen digitale Modelle und Simulationsverfahren als technische Grundlage fuhr die Parallelisierung der verschiedenen Planungs- und Entwicklungsprozesse.

Fazit, oder: Das bleibt hängen
In der Produktion steht die vierte industrielle Revolution kurz bevor, die auch die Ressourcen schonen wird.

Dezentral gesteuerte Abfüllstation in der SmartFactoryKL: Hier fordern die intelligenten Produkte ihre Befüllung an. Erfolgreiche Befüllvorgänge vermerkt die Anlage direkt im digitalen Produktgedächtnis.

Die Anlage der Zukunft nutzt cyber-physische Produktionssysteme (CPPS). Bei diesen setzen sich physische Objekte und intelligente Kommunikationssysteme zu einer völlig neuen Art der Produktion zusammen. Der Konstrukteur der Zukunft wird mit vernetzten mechatronischen Einheiten umgehen, die aus mechanischen, elektrischen, elektronischen, und softwaretechnischen Komponenten bestehen.

Die Autoren: Dr. Jochen Schlick und Peter Stephan, Forschungsbereich für innovative Fabriksysteme am DFKI in Kaiserslautern.