Die Fabrik der Zukunft optimiert sich selbst

Die Hannover Messe hat ein neues Leitthema: „Integrated Industry“. Hierbei handelt es sich nicht um noch ein neues Nest neben den elf Leitmessen 2013 auf 500 000 m2 Hallenfläche. Im Gegenteil: Der diesjährige Technologiegipfel ist durchdrungen von einem Generalthema, das sich dort schon vor zwei Jahren als Zukunftsprogramm für den Standort Deutschland vorstellte: Industrie 4.0. Damals wurde es mancherorts noch als eine bloße Verlängerung des Internets der Dinge gedeutet, wie etwa RFID in der Logistik.

Heute sagt Dr. Jochen Köckler, Vorstand der Deutschen Messe AG: „Maschinen, Anlagen, Werkstücke und Bauteile tauschen Daten und Informationen in Echtzeit aus.“ Er sieht darin einen Schub für Effizienz, Sicherheit und Ressourcenschonung und verweist auf Experten: Die sprechen nach Dampfmaschine, Massenproduktion und elektrischer Automatisierung von der vierten Industriellen Revolution.

Industrie 4.0, das erhebt den Anspruch auf die Revolution, nach Industrie 3.x, wie man Computer Integrated Manufacturing (CIM) auch bezeichnen könnte. Damals ging es um die Verheiratung von Werkzeugmaschinen und Rechenmaschinen, heute um die der gesamten Industrie mit der IT.

Warum verändert die Industrie 4.0 die Produktion und ist jetzt in aller Munde? Das neue Thema ist in einem größeren Zusammenhang zu sehen. Von „Smart Anything“ spricht Martina Koederitz, Mitglied des Bitkom-Präsidiums und Geschäftsführungsvorsitzende von IBM Deutschland: „Smart-Anything-Konzepte wie intelligente Verkehrstechnik, Smart Grids der Energieversorgung oder auch Industrie 4.0 entsprechen den Stärken des Industriestandorts Deutschland.“ Der entfalte diese gerade an den Technologie-Schnittstellen. „Wenn Maschinenbau, Elektrotechnik und Automobilbau mit der IT-Industrie zusammenkommen, entstehen riesige Chancen“, sagt Koederitz. Die Fertigungsindustrie sei jetzt schon ein wichtiger Kunde der deutschen IKT-Branche: 18 % der gesamten Umsätze fließen in dieses Segment. Das Marktvolumen betrug 2012 rund 27 Mrd. Euro.

Die Digital Natives von heute wollen wieder einmal den Produktionsstandort Deutschland retten, diesmal aber durch die Verbindung der Fabrikwelt mit dem Internet. Die Elemente der cyber-physischen Systeme (CPS) wirken durch Aktoren auf Vorgänge in der physischen Welt. Diese wird dadurch mit der virtuellen Welt zu einem Internet der Dinge, Daten und Dienstleistungen verknüpft.

Möglich wird dies durch das Internet-Protokoll Version 6. Dadurch erhöht sich die Zahl der verfügbaren Internetadressen von 4,3 Mrd. 109 auf 340 Sextillionen. Selbst eine Pizzaschachtel könnte so mit einer eigenen Web-Adresse ausgestattet werden. Im Bereich Industrie 4.0 spricht man daher vom Internet der Objekte.

Durch IT miteinander gekoppelt sind Dienstleistungen, das Engineering, die Produktion, die Logistik sowie die Vermarktung und Einbindung von Kundenforderungen. Falls ein Auftrag ausfällt, sucht sich das CPS einen passenden neuen.

Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 ist Teil der Hightech-Strategie 2020 für Deutschland, die von der Bundesregierung im Jahr 2010 angestoßen wurde. In einem Aktionsplan ist beschrieben, welche Ziele mit den zehn Projekten verbunden sind. Bis 2020 sollen 8,3 Mrd. € Fördergelder fließen, davon vorab bereits 220 Mio. € in die Industrie 4.0.

Ende 2012 überreichte eine Expertengruppe ihre Strategie-Empfehlungen an das Bundesministerium für Bildung und Wissenschaft. Und das an einem höchstsymbolischen Ort, dem Produktionstechnischen Zentrum (PTZ) der TU Berlin und der Fraunhofer-Gesellschaft. Das PTZ wurde 1986 in Betrieb genommen. Es war die hohe Zeit des Computer Integrated Manufacturing, der rechnergeführten Fertigung von Professor Günter Spur. Der arbeitete schon seit Beginn der numerischen Steuerungstechnik an der rechnergeführten Fabrik.

Die CPS von heute steuern, regeln, überwachen und verarbeiten Befehle, Daten und Signale und sorgen für komplexe Vernetzung sowie Interaktion mit der internen und externen Umwelt. Im Speicher der CPSs sind alle Infos über das Produkt und die nötigen Bearbeitungsschritte aktuell abgelegt. Aber wie funktioniert dies real?

Die schon gegenwärtige Zukunft bringt Matthias Loskyll in den Fokus der hannoverschen Messebesucher: Aktuelle Forschungsergebnisse und technologische Entwicklungen für eine neue, dezentrale, vernetzte Produktion über Unternehmensgrenzen hinweg demonstriert die „SmartFactory KL“ aus dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI ) im Industrial-IT Forum in Halle 8 der diesjährigen Hannover Messe. Loskyll, M. Sc. und Teamleiter Informationsmanagement und kontextadaptive Automatisierung im Forschungsbereich Innovative Fabriksysteme (IFS) am DFKI in Kaiserslautern demonstriert als Projektleiter, dass viele der zukunftsorientierten Aspekte bereits heute umsetzbar sind.

Denn auf einer miniaturisierten Fabrikationsanlage wird als intelligentes Beispielprodukt eine kleine Taschenlampe gefertigt. Deren Produktion startet mit der Kommissionierung, bei der die Auftragsdaten aus dem ERP-System der Anlage im semantischen Produktgedächtnis, als RFID-Chip am Werkstück, hinterlegt werden. Dann wird die Gehäuseschale individuell graviert. Die Auftragsdaten für diesen Prozess stammen aus dem semantischen Produktgedächtnis des Werkstücks und nicht wie in der traditionellen Produktion von einer zentralen Fertigungssteuerung.

Zusammengesetzt wird die Lampe anschließend per automatisierter Montage. Dazu platziert der Roboter der Kommissionierstation das halbfertige Produkt auf einem intelligenten Werkstückträger. Mit einem aktiven digitalen Produktgedächtnis ausgestattet, regelt der Werkstückträger nicht nur den Materialfluss, sondern nimmt durch eingebettete Sensorik, lokale Verarbeitungsintelligenz und drahtlose Kommunikation mit der Anlagensteuerung aktiv Einfluss auf den Fertigungsprozess. Die Prozessvarianten werden variabel, entsprechend den Auftragsdaten, ausgewählt.

In diesem Zusammenhang bilden verteilte Steuerungssysteme in der CPS-basierten Fabrik den zentralen Baustein. Die industriellen Feldgeräte sind dazu mit Mikro-Webservern (Digi-Connects) ausgestattet. Diese intelligenten, eingebetteten Systeme, die über das Internet miteinander in Verbindung stehen, stellen semantische Dienste bereit. Dadurch können Anlagen zukünftig flexibel gesteuert und Produktionsprozesse dynamisch orchestriert werden.

Bevor die Lampe die Fertigungsstrecke verlässt, passiert sie eine manuelle Fertigungsstation. Hier lassen sich, neben optionaler Montage von Hand, auch die Qualitätskontrolle durchführen. Fachkräfte können digitale Arbeitsanweisungen abrufen, die mit Hilfe von Augmented Reality-Technologien komplexe Arbeitsprozesse und -abläufe visualisieren und erläutern. Hierdurch können beispielsweise auch weniger erfahrene Arbeiter an einer Fertigungsstation schnell angelernt und qualifiziert werden.

Wer sich weiter informieren will, wie es um Industrie 4.0 steht, welche Projekte es gibt und wie man selbst einbringen kann, der braucht nicht lange zu suchen. Denn die Wirtschaftsverbände Bitkom, VDMA und ZVEI haben eine gemeinsame Geschäftstelle eingerichtet. Diese Plattform präsentiert sich im Internet unter www.plattform-i40.de. Leiter der Frankfurter Geschäftsstelle ist Dipl.-Inform. Rainer Glatz, der auch dem Fachverband Software im VDMA vorsteht. „Wir wollen die zentrale Anlaufstelle für das Zukunftsthema Industrie 4.0 werden“, sagt er. „Und dafür alle relevanten Akteure aktiv einbinden und koordinieren.“

Dipl.-Ing. Siegfried Kämpfer Journalist in Solingen