Forschungsanlage treibt Industrie 4.0-Standardisierung voran Die neun Module der Zukunft

Forschungsanlage treibt Industrie 4.0-Standardisierung voran

Die neun Module der Zukunft

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Industrie 4.0-Forschung | Die Technologie-Initiative Smart Factory KL erforscht und entwickelt in Kaiserslautern anhand einer europaweit einzigartigen Versuchsanlage Hardware, Software und Strategien für die intelligente Fabrik von morgen.

Michael Grupp Freier Journalist in Stuttgart

Die vierte industrielle Revolution folgt der zunehmenden Digitalisierung von Wirtschaft und Gesellschaft und integriert Informationstechnologie in alle Teile und Prozesse der Fertigung. Die daraus resultierenden intelligenten Wertschöpfungsketten arbeiten effizienter und wirtschaftlicher. Das macht Industrie 4.0 zum Pflichtprogramm für die Wettbewerbsfähigkeit in Deutschland. Immerhin hängen rund 15 Millionen Arbeitsplätze direkt oder indirekt von der produzierenden Wirtschaft ab. Ein Grund, warum auch die Bundesregierung massiv die Erforschung und Integration der neuen Produktions-Modelle fördert. Mit der Digitalisierung von Industrie und Wirtschaft werden neue Geschäftsmodelle und Perspektiven für die Unternehmer wie auch für die Beschäftigten entstehen. Allerdings: Je mehr sich die Wirtschaft vernetzt, desto mehr Schnittstellen ergeben sich zwischen den beteiligten Akteuren. Diese Schnittstellen betreffen Normen und Standards ebenso wie den Datenschutz, die IT-Sicherheit, die Arbeitsorganisation und nicht zuletzt natürlich auch sämtliche vernetzten Maschinen und Anlagen.
Die Weiterentwicklung dieser Schnittstellen wird auch am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz in Kaiserslautern vorangetrieben. Hier beschäftigt sich der Forschungsbereich „Innovative Fabriksysteme“ IFS mit Automatisierungs-Systemen und Mensch-Maschine Systemen. Als Demonstrationsplattform dient dabei die Technologie-Initiative SmartFactory KL – die erste herstellerunabhängige Anlage für Industrie 4.0-Forschung in Europa. Die Anlage ist flexibel modifizierbar, vernetzt Komponenten verschiedener Hersteller und ermöglicht die selbstorganisierende Zusammenarbeit aller Komponenten. Entwickelt und realisiert wird sie durch ein Partner-Netzwerk aus Industrie und Forschung. Das gemeinsame Ziel: Konzepte, Standards und Lösungen als Grundlage für hochflexible Automatisierungstechniken.
SmartFactory KL versteht sich als Wegbereiter der intelligenten Fabrik von morgen. Dabei stehen schon heute praxisorientierte Problemstellungen im Fokus des Netzwerkes: zum Beispiel die Anpassung der Automatisierungstechnik an immer kürzere Produktlebenszyklen oder die flexible und wirtschaftliche Fertigung in kleineren Losgrößen.
Meilensteine Richtung Industrie 4.0
Die bestehende Versuchsanlage der Technologie-Initiative Smart Factory KL ist modular aufgebaut und produziert mit Losgröße Eins individualisierte Visitenkartenboxen in verschiedenen Ausführungen. Sie demonstriert damit die mögliche Vernetzung – und Flexibilität – von Industrie 4.0 Produktionsanlagen.
Das Lagermodul stammt vom Hersteller Pilz: Seine Aufgabe besteht in der automatischen Regulierung des Materialflusses. Dafür dient ein automatisierter Speicher für die Werkstückträger. Sensoren erfassen jeden Träger beim Passieren des Moduls und identifizieren ihn mittels RFID-Technologie. Meldet der Zentralserver einen neuen Auftrag und damit den Bedarf zusätzlicher Träger, so gleicht das Modul das Defizit realtime aus.
Bodengravieren: Per RFID wird in diesem intelligenten Modul von Festo der eigentliche Fertigungsauftrag initialisiert. Die Daten dazu werden über Web-Clients vom Server des übergeordneten ERP-Systems geladen. Anschließend erfolgt eine individuelle Gravur gemäß den hinterlegten Auftragsdaten. Als Vorstufe Cyber-Physischer Systeme besitzen die Magazinmodule kompakte CoDeSys-Controller (Effectuatoren) und eine Ethernet-Schnittstelle für flexible Funktionalität und Selbstdiagnose.
Fertigung: Im Fertigungsmodul von Bosch Rexroth wird eine Halterungsfeder auf den Plastikboden aufgebracht. Open Core Engineering vereinfacht die horizontale und vertikale Vernetzung und bindet Smart Devices für die Inbetriebnahme, Bedienung und Diagnose ein. Maschinenereignisse und IT-Prozesse werden über ein Multitouch-Display sichtbar.
Montage: Im Modul von Harting findet die zentrale Montage der zwei Gehäuseteile statt – auf die Grundplatte mit montierter Halteklammer kommt ein Deckel in Wunschfarbe des Kunden; ein Roboter verprägt beide Teile miteinander.
Erweiterungsmodul: An das Harting-Modul kann ein weiterer Roboter angedockt werden. Eine Nachbarschaftserkennung überprüft eventuelle Erweiterungen. Auch in der Auftragseingabe wird automatisch zurückgemeldet, ob und für welchen Service eine Funktionserweiterung angefügt ist.
Laserbeschriftung: Das Modul der Firma Phoenix Contact graviert mit einem Laser einen individuellen Schriftzug auf der Oberseite des Visitenkartenhalters. Die Gravur beinhaltet den Namen sowie eine digitale Visitenkarte mit graviertem QR-Code. Alternativ zu der Soft-SPS-Steuerung werden in diesem Modul einzelne Systeme exemplarisch über eine Phoenix Contact SOA-SPS gesteuert – als Beispiel für eine flexible SPS-basierte Referenzarchitektur.
Qualitätskontrolle: Die Qualitätskontrolle von Lapp Kabel übernimmt zwei Aufgaben – die Endkontrolle des Produktes mittels einer hochauflösenden Kamera sowie die Ausgabe der fertigen Visitenkartenbox.
Gewichtskontrolle: Das letzte Modul im Produktionsprozess ist ein Wägemodul, entwickelt und realisiert von SmartFactory KL selbst. Eine integrierte Hochpräzisionswaage ermittelt das spezifische Gewicht und gleicht es mit den Vorgaben ab. Damit wird zusätzlich kontrolliert, ob auch wirklich jede Komponenten verbaut und entsprechende Give-Aways beigelegt wurden.
Handmontage: Der abschließende Handarbeitsplatz stammt von der Firma MiniTec. Denn trotz fortschreitender Automatisierung und integrierter Informationstechnologie werden nach wie vor Montage-, Instandhaltungs- und Wartungsprozesse von Menschen ausgeführt. Der Handarbeitsplatz besteht aus Aluminiumprofilen und kann weitere Steuerungs- und Regelungssysteme aufnehmen.
Die operationale Intelligenz, Transparenz in Echtzeit und Predictive Maintenance werden durch einen Produktionsleitstand auf Basis von IBM Cognos, IBM SPSS und Data Clarity Dash Insight unterstützt. Die Betriebs- und Produktdaten werden über Protokolle wie OPC UA erfasst, angereichert und strukturiert abgelegt. Auf dieser Datenbasis können Engpässe, Ausschuss, Nacharbeit und Ausfallzeiten minimiert werden. Als Datendrehscheibe dient ein IBM Integration Bus, der die Module untereinander und mit dem übergeordneten ERP-System verbindet.
Industrie 4.0 stellt hohe Anforderungen an die Produktion. Zudem müssen übergreifende Geschäftsprozesse eingebunden werden, sonst werden sie zum limitierenden Faktor. Es gibt noch viel zu tun, aber auch viel zu erreichen: Laut einer Mc Kinsey-Studie fühlen sich in Deutschland zurzeit nur sechs von zehn Unternehmen gut auf Industrie 4.0 vorbereitet. Gleichzeitig sehen 91 % die Digitalisierung der industriellen Produktion als Chance und erwarten im Durchschnitt eine Produktivitätssteigerung von mehr als 20 %.
Weitere Informationen:

Sechs Meilensteine
Sechs Voraussetzungen definiert Smart Factory KL für systemübergreifende Industrie 4.0-Strategien:
  • 1. Modulare Systemstruktur für die flexible Konfiguration von Produktionslinien.
  • 2. Universelle Steckverbindungen für Strom, Druckluft, Industrial Ethernet und Notstopp.
  • 3. RFID-Identifikation jedes Werkstücks, damit intelligente Produkte ihren Produktionsprozess selbst steuern können.
  • 4. Plug&Produce-Fähigkeit im laufenden Betrieb.
  • 5. Eine einheitliche IT-Infrastruktur für übergreifenden IT-Services.
  • 6. Einheitliche mechanische, elektromechanische und informationstechnische Schnittstellen als Basis für herstellerübergreifende Kompatibilität.

Infos für Industrie 4.0
Wir begleiten Sie auf dem Weg zu Industrie 4.0. Dafür haben wir eine Informationsserie aufgelegt, die Ihnen Impulse, Informationen und Erfahrungen an die Hand gibt. Teil Eins startete in der Ausgabe 8 des Industrieanzeigers mit dem Thema „Der digitale Wandel ist Chefsache“. Hier folgt ein Bericht über die Forschungsanlage Smart Factory KL. Wir setzen die Serie in Heft 14 mit einer Analyse der Auswirkungen von Industrie 4.0 auf den einzelnen Arbeitsplatz fort. Wenn Sie tiefer in die Materie einsteigen möchten, finden Sie im aktuellen Heft unserer Schwesterzeitschrift Elektro Automation einen ergänzenden Beitrag über „Schrittmacher der Zukunft – Intelligente Feldkomponenten“.
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