Industrie 4.0 – selten gibt es Schlagwörter, die so viel Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Zu Recht, denn es geht um die Produktionstechnik von morgen. Im Round-Table-Gespräch ist klar geworden, dass Industrie 4.0 von der Allgegenwärtigkeit der Informationen lebt sowie dem Schulterschluss von IT und Automatisierungstechnik.
Die Komplexität von Produkten und Fertigungsverfahren beziehungsweise -abläufen nimmt zu, gleichzeitig sollen kunden individuelle Wünsche bis hinab zur Losgröße eins realisierbar sein. Damit ist zu erwarten, dass Steuerungsarchitekturen in Schwierigkeiten kommen, wenn sie zentral operieren. Industrie 4.0 soll hier Abhilfe schaffen.
Liegt die Lösung für die Industrie darin, Produkte „intelligent“ zu machen? In Analogie zu einer großen Stadt, in der sich die cleveren Bewohner intelligent selbst organisieren?
Zühlke (DFKI): Ja – auch wenn ich nicht von intelligenten Produkten reden würde. Smarte Produkte trifft es besser. Die Probleme mit einer zentralen Steuerung lassen sich leichter lösen, wenn es gelingt, mehr Autonomie in den unteren Steuerungsebenen zu erreichen. Der Vorteil ist, dass dann nicht mehr alle Abläufe in der zentralen Steuerung vorgedacht werden müssen. Bei unerwarteten Ereignissen kann also bereits auf den darunter liegenden Ebenen entschieden werden, wie am besten darauf zu reagieren ist.
Santos (Balluff): Das eröffnet uns zudem den Schritt weg von einzelnen Wertschöpfungsketten hin zu Wertschöpfungsnetzwerken. Das bietet ein enormes Potenzial, insbesondere in der Logistik.
Bent (Phoenix Contact): Um Komplexität zu beherrschen, muss diese heruntergebrochen werden. Autonome Teilsysteme, die für sich selbst Entscheidungen treffen können und mit ihrer Umgebung interagieren, sind dabei ein wesentliches Element. Damit lässt sich der Vergleich sogar noch weiter ziehen: In der Stadt bewegen sich nicht nur „intelligente“ Menschen, auch die Infrastruktur ist „intelligent“ – beispielsweise Verkehrs- oder Energieversorgungssysteme, die mit den Menschen interagieren. Übertragen auf die Industrie 4.0 führt dies zu einem intelligenten Produktionsumfeld, in dem Betriebsmittel sowie Logistik- und Geschäftsprozesse über eine ausreichende Teilintelligenz verfügen, um sich sinnvoll miteinander zu vernetzen – und entsprechend den Bedürfnissen konfigurieren.
Sandhöfner (B&R): Diese Vernetzung zu ermöglichen, ist die große Herausforderung bei der Umsetzung der Industrie 4.0. Verdeutlichen lässt sich das am Beispiel der Navigation im Straßenverkehr: Moderne Systeme werden künftig über die Erfassung der Mobilfunksignale der Verkehrsteilnehmer – und damit Positions- und Geschwindigkeitsdaten – die adaptive Ermittlung der besten Route ermöglichen. In der Automatisierung arbeiten wir bereits an Vergleichbarem, wozu die beteiligten Systeme miteinander kommunizieren müssen – mit dem Ziel, es dem Anwender so einfach wie möglich zu machen, seine Produktion zu steuern.
Was bringt uns Industrie 4.0 konkret an Neuem?
Hoppe (Beckhoff Automation): Industrie 4.0 beschreibt keine revolutionäre, ganz andere Art der Produktionstechnik. Das Grundwesen dieses Ansatzes besteht in der Allgegenwärtigkeit von Informationen. In klassischen Systemen wird in strikten Produktionshierarchien von oben nach unten geplant und ausgeführt. Fehlende Informationen aus den untersten Produktionsebenen bringen darin das übergeordnete Planungssystem in Schwierigkeiten. Die Anwendung der Smart-Technologien – und damit der Informationsaustausch zwischen den beteiligten Systemen – soll es also ermöglichen, situativ zu reagieren. Entscheidend wird die Einbettung in bestehende Systeme sein. Es wird eine Evolution geben hin zu intelligenteren und damit autonomeren Teilsystemen.
Bent: Das Produkt wird künftig über seinen gesamten Lebenszyklus Teil der Prozesse des Gesamtsystems. Schon mit seiner digitalen Entwicklung im CAD-System werden Daten erzeugt, die sich dazu verwenden lassen, die entsprechenden Produktionsmittel zu entwickeln, zu simulieren und zu testen. Auf diese Weise wird parallel zur physischen Welt die Datenwelt immer weiter ausgebaut. Ein komplexeres Produkt wird also eine Art digitales Gedächtnis haben, das über den Lebenszyklus hinweg Zugriff auf eine Reihe von Informationen bietet. Abstrakt gesprochen finden wir diese Daten dann in der Cloud.
In Industrie-4.0-Konzepten entsteht also die „Intelligenz“ aus der Vernetzung aller Teilsysteme und dem Zugriff auf möglichst viele Informationen…
Zühlke: …die jetzt online verfügbar und damit nutzbar sind. Ein Stau in einer Fertigungslinie lässt sich auf diese Weise zunächst einmal umfahren, ohne direkt zu Folgeproblemen zu führen. Entscheidend ist dabei, dass wir die insgesamt wachsende Komplexität wieder reduzieren können. Denn mit komplexen Prozessen kann der Mensch schlecht umgehen. In der Automatisierung führt dies allerdings dazu, dass sich zwar die Komplexität für den Anwender reduziert, die für die Automatisierungsingenieure aber steigt. Beides müssen wir zusammenbringen, in dem wir weniger komplexe Subsysteme schaffen.
Gutekunst (Balluff): Man kann es auch umdrehen: Gerade bezüglich des Zugriffs auf möglichst viele Informationen müssen wir über neue Konzepte nachdenken – wie die Industrie 4.0. Die Datenflut bei uns im Unternehmen ist bereits jetzt so immens groß geworden, dass wir Wege suchen, sie zu kanalisieren und wertschöpfend zu nutzen. Das fängt bei der Sensorik an. Ein entscheidender Baustein ist an dieser Stelle RFID und reicht über die interpretativen Systeme bis hin zu fabrik- und unternehmensübergreifenden Konzepten. Mithin zu der Frage, wie wir selbst unsere Lieferanten steuern – beziehungsweise unser Kunde uns als Lieferant. Daraus können ganz neue Geschäftsmodelle entstehen.
Die Komplexität der Subsysteme zu reduzieren ist ein Schlüssel zum Erfolg von Industrie 4.0. Wie kann hier der Zugriff auf die CAD-Daten von Nutzen sein?
Hoppe: Die Daten im CAD-System werden heute noch zu wenig genutzt. Klassisch ist etwa das Beispiel Hochregallager: Vor dessen Bau wird der Durchsatz simuliert und auf dieser Basis die Investitionsentscheidung gefällt. Nicht abgeleitet wird daraus aber die Bewegungssteuerung für die einzelnen Bediengeräte, obwohl die dynamischen Abläufe bereits vorgedacht sind. Vielmehr erhält derzeit noch ein Automatisierer die Aufgabe, in einem ganz anderen Engineering-Tool die Bewegungssteuerung für einzelne Shuttles zu programmieren. Dieser Bruch ist unsinnig. Sinnvoller wäre es, dafür ebenfalls die Daten aus der Simulation zu nutzen.
Sandhöfner: Ziel muss es sein, Produkte auch in der Losgröße eins fertigen zu können. Das gelingt heute nur in Teilbereichen, weil die Produktionsanlagen dafür nicht ausgelegt sind. Diese müssen also flexibler gestaltet werden. Passen wir dazu unsere Engineering-Abläufe nicht an, schlägt sich das in einer Explosion des Steuerungscodes nieder. Gefragt sind damit intelligente Konzepte, in denen sich bestehender Code wiederverwenden lässt und in denen Schnittstellen zwischen den Entwicklungstools das Schreiben von Code vereinfachen und beschleunigen. Erste Schritte sind bereits gemacht, Informationen aus Simulationssystemen heraus direkt in echtzeitfähigen Code zu verwandeln.
Hoppe: Wir müssen zudem eine Metasprache entwickeln, eine Taxonomie und Ontologie beziehungsweise eine Begriffswelt, die es erlaubt, die Herstellung eines Produktes so zu beschreiben, dass sich diese Informationen weltweit an vielen verschiedenen Maschinen nutzen lassen. Dann lässt sich auch die Stückzahl eins realisieren, ohne dass man dazu zunächst einen komplexen Engineering-Prozess aufsetzen muss.
Damit nähern wir uns wieder dem eingangs erwähnten „smarten“ Produkt, dem ich über die digitale Entwicklung analog zum NC-Code bereits sämtliche Informationen mitgebe, wie es zu fertigen ist…
Hoppe: …was aber nur funktioniert, wenn die Fertigungsmaschinen beziehungsweise -anlagen das auch verstehen. An welcher Stelle die Fertigungshinweise liegen, spielt keine Rolle. Wichtig ist, dass der Produktionsvorgang so beschrieben ist, dass die jeweils vorhandenen Maschinen und Anlagen daraus selbstständig und autonom die notwendigen Schritte extrahieren können. Derzeit gibt es dazu keine einheitliche Taxonomie. Im Rahmen der Umsetzung der Industrie 4.0 müssen wir diese aber entwickeln.
Sandhöfner: Das Ziel von Industrie 4.0 beinhaltet auf diese Weise die Möglichkeit, zwischen unterschiedlichen Wegen – zwischen Prozessen unterschiedlicher Anbieter – wählen zu können. Das setzt einheitliche Daten voraus, die innerhalb der gesamten Prozesskette verstanden werden.
Was sind die nächsten Schritte, die angegangen werden müssen?
Zühlke: Wir müssen Standards schaffen. Nur so werden die Komponenten einer Produktionsumgebung wie Lego-Bausteine per Plug-and-Play zueinander passen. Ein zweiter, wesentlicher Aspekt betrifft hinsichtlich der erforderlichen offenen Netzwerke das Thema Security. Denn die beteiligten Unternehmen werden sich natürlich fragen, ob sie ihre Informationen in solch einen Legostein legen sollen und was damit passiert. Nur auf diese Weise lässt sich allerdings eine Plug-and-Play-Fertigung modular aufbauen.
Bent: Automatisierungs- und IKT-Welt müssen eine gemeinsame Sprache finden.
Santos: Nur so werden wir auch in der Lage sein, die vielen, bereits heute gespeicherten Informationen sinnvoll zu nutzen. An der Unternehmensgrenze darf diese Vernetzung nicht aufhören.
Da wir von einer Ethernet-basierenden Vernetzung ausgehen, könnte an dieser Stelle doch OPC-UA als Protokoll einige Aufgaben übernehmen…
Hoppe: Exakt das kann OPC-UA leisten. Mit OPC-UA erfolgte sehr früh der Schritt hin zu einem Protokoll, das auch eine semantische Beschreibung ermöglicht. Dieses Protokoll bietet sich deshalb mit der fortschreitenden Verbreitung der Ethernet-basierenden Kommunikation als ein elementarer Baustein für die Implementierung der Industrie 4.0 an.
Sandhöfner: Ein großer Vorteil des Protokolls ist zudem, dass keine hohen Anforderungen an die Hardware gestellt werden.
Zühlke: Entsprechend dem OSI-Modell als Referenzmodell bietet OPC-UA für die Schichten 5 und 6 – also bezüglich Sitzung und Darstellung – im Moment den umfassendsten Dienst an. Ein Nachteil ist aber, dass OPC-UA derzeit sehr komplex ist. Zudem liegen die Schwierigkeiten insbesondere in der Schicht 7, also der Anwendungsschicht. An dieser Stelle müssen die Applikationen vernünftig miteinander kommunizieren und Dienste austauschen können, die zuvor in irgendeiner Form standardisiert worden sind.
Wie könnten denn Lösungsansätze für die Schicht 7 aussehen, um auch Applikationen miteinander zu verbinden?
Zühlke: An diesen Aufgabenstellungen arbeiten derzeit einige Arbeitsgruppen. Dabei landen wir zwangsläufig wieder bei der Frage der Semantik, der Metasprache, um Fertigungsprozesse beschreiben zu können. Das Schlimmste, was uns an dieser Stelle passieren kann, ist, dass etwa jeder Sensorhersteller einen eigenen Dienst für eine bestimmte Aufgabe definiert. Gefordert ist hier also eine gewisse Standardisierung.
Sandhöfner: Hinsichtlich der Semantik werden zudem neben allgemeinen auch branchenspezifische Lösungen zu erarbeiten sein.
Hoppe: Wir werden eine Entwicklung sehen weg von Datenstrukturen und Profilen hin zu dienstebasierenden Kommunikationsverfahren. Solche Dienste beschreiben dann beispielsweise die Möglichkeit, abzufragen, welche Informationsmöglichkeiten ein Aggregat, ein Sensor oder eine Steuerung besitzt. Dieses Browsen, über das sich ein Dienst anstoßen lässt, führt dann dazu, dass man über verschiedene Industrien mit unterschiedlichen Ausprägungen hinweg viele Gemeinsamkeiten findet. Letztlich können sich auf diesem Weg über Unternehmens- und Ländergrenzen hinweg Maschinenaggregate und Anlagen zusammenschalten lassen – eine der brillanten Ideen hinter Industrie 4.0.
Der Diskussionsstoff rund um das Thema Industrie 4.0 wird uns also so schnell nicht ausgehen. Die Entwicklung bleibt spannend. Wir danken allen Teilnehmern für dieses Gespräch. ah/co
Das Gespräch führten die Redakteure Andreas Gees und Michael Corban unseres Schwestermagazins elektro Automation.
Teilnehmer des Round-Table-Gesprächs
- Roland Bent, Geschäftsführer Marketing und Entwicklung, Phoenix Contact
- Jürgen Gutekunst, Geschäftsbereichsleiter Networking/Systeme, Balluff
- Gerd Hoppe, Corporate Management, Beckhoff Automation
- Markus Sandhöfner, Geschäftsleitung, B&R Industrie-Elektronik
- Hondo Santos, Director Logistics, Balluff
- Prof. Detlef Zühlke, Forschungsbereich Innovative Fabriksysteme, Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI)
Zur Info
Anlässlich der Hannover Messe 2013 wurde seitens der drei Verbände Bitkom, VDMA und ZVEI gemeinsam die Plattform Industrie 4.0 gegründet. Ziel ist es, durch die Zusammenarbeit die Entwicklungen rund um die Industrie-4.0-Thematik zu koordinieren und zu kommunizieren. Mehr Informationen unter www.plattform-i40.de
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