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Wie das „Internet der Dinge“ die Industrieproduktion revolutionieren wird

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke.

Bild: SKF

2015 Juli 20, 08:00 CEST

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. 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.

Von Prof. Dr. Detlef Zühlke, Dr. Dominic Gorecky und Stefanie Fischer vom Forschungsbereich „Innovative Fabriksysteme“ (IFS) am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserslautern

 

Göteborg / Schweinfurt, den 20. Juli 2015

 

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, hierarchischeOrganisationsdominanz 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 (2011 – Ref. 1) 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 Mechatroniksysteme 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) (2012 – Ref. 2). 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 Aufenthaltsorteines 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.


Neue Kommunikationsarchitekturen

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 sowie die Einrichtung und den Betrieb der tatsächlichen Anlage ermöglichen.


Normen

Wie im Grundmodell beschrieben, kann die strikte Trennung zwischen Hardware und Funktionalität nur erfolgreich sein, wenn sie auf Standards basiert. Ein CPS-Element muss, mindestens hinsichtlich der Informationstechnologie, ähnlich aufgebaut sein wie ein LEGO®-Baustein, d.h., es muss auf der Basis von Standards auf allen Schichten des ISO/OSI-7-Modells kommunizieren können. Mindestens die Transportschichten 1 bis 4 basieren bereits auf etablierten Standards oder Normen wie IEEE 802.xx oder Internet Protocol. Die Standards für die Applikationsschichten 5 bis 7 werden sich erst unter massivem Druck der Märkte herausbilden, denn kein Hersteller wird von der Vorstellung begeistert sein, aus seinen Produkten austauschbare LEGO®-Steine zu machen. Die aktuelle Debatte über die Standardisierung bei drahtlosen Industrienetzwerken (z.B. ISA100) oder über die Sprache für die Gerätebeschreibungsspezifikation (z.B. FDT) zeugt von Widerständen und Interessenskonflikten. Mit OPC UA für die Schichten 5 und 6 scheint es aber zumindest einen vielversprechenden Implementierungsansatz zu geben, den immer mehr Hersteller und Anwender zu akzeptieren bereit sind.


Sicherheit

Ein herausragendes Merkmal der Steuersysteme für die Fabrik der Zukunft ist der Einsatz IP-basierter Netzwerke auf allen Schichten. Er erleichtert den reibungslosen Import der Daten von Feldgeräten in das übergeordnete ERP-System. Offene Protokolle können jedoch die Fabrik dem Risiko immer leistungsstärkerer Cyberangriffe aussetzen. Stuxnet und andere bösartige Software („Malware“) haben ganz klar gezeigt, wie real diese Gefahr ist. Eine CPS-basierte Produktionsumgebung kann letztlich nur erfolgreich implementiert werden, wenn die Unternehmen selbst hohe Sicherheits- und Vertrauensstandards für die Technologien setzen. Das erfordert nicht nur technologische Lösungen, sondern vor allem organisatorische Maßnahmen. Die Sicherheitsfrage bleibtein zentrales Thema. Ihre endgültige Lösung erfordert Vorschläge aus den Reihen der Industrie, der Forschung und der Regierung.


Wie wird die unmittelbare Zukunft aussehen?

Es wird davon ausgegangen, dass die hier beschriebene Version der Vision „Industrie 4.0“ in 10 bis 15 Jahren ihren Weg in die Produktionsumgebungen finden wird. Angesichts der vielen offenen Fragen und der noch durchzuführenden Forschungen wird es einige Zeit dauern, bis holistische Fertigungsszenarien allgemein in unseren Branchen akzeptiert und implementiert werden.

 

Daher werden die ersten, für diese Vision geeigneten Elemente und Objekte einen evolutionären Weg zurücklegen müssen, bevor sie die Industriepraxis erobern können. Die Verfügbarkeit hochaufgelöster Informationen und die Entschärfung von Medienbrüchen bilden die Grundlage für vielseitige, transparente Produktionsumgebungen. Die bereits verfügbaren Auto-ID-Technologien können beim Tracking von Elementen und deren Repräsentation in der digitalen Welt helfen. Mobilgeräte wie Notebooks, Tablet-PCs oder SmartGlasses bieten unmittelbaren Zugang zum Unternehmenswissen von praktisch überall – aus dem Unternehmen, aber auch darüber hinaus. Entscheidungen und Handlungen können auf umfassende und präzise Informationen gestützt werden und die Reaktionen daher schneller erfolgen. Intelligente Assistenzsysteme helfen dabei.

 

Die Technologieinitiative SmartFactoryKL – eine herstellerunabhängige Demonstrations- und Forschungsplattform – hat bereits einen großen Schritt zur Vision „Industrie 4.0“ gemacht, indem sie Lösungen entwickelt und umgesetzt hat, die flexible Produktionsstrukturen ermöglichen und die aktuellen Herausforderungen in der Industrie berücksichtigen. In ihrem Netzwerk aus über 30 Industriepartnern entwickelt und testet die Smart­FactoryKL innovative Informations- und Kommunikationstechnologien und ihre Anwendung in einer realistischen, industriellen Produktionsumgebung. Im Rahmen des aktuellen Projekts wurde eine revolutionäre Fertigungsstraße zusammen mit wichtigen Partnern aus der Industrie entwickelt. Die Fertigungsstraße ist komplett modular ausgeführt und erlaubt die Plug-&-Play-Integration neuer Fertigungsmodule. Die Plug-&-Play-Funktionalität wird auf der Basis mechanischer, elektronischer und informationstechnischer Standards erreicht, die von der SmartFactoryKL und ihren Partnern definiert wird.


Ausblick

Technologische Revolutionen werden nie übereilt angestoßen. Häufig ziehen sich die Umbrüche über mehrere Jahrzehnte hin. Der Wandel erfolgt evolutionär. Er wird von Fortschritten in unterschiedlichen technischen Bereichen (Technologie-Push), aber auch von Markterfordernissen (Markt-Pull) getrieben. Höchstwahrscheinlich wird die aktuelle Entwicklung zur Industrie 4.0 einen ähnlichen evolutionären Verlauf nehmen und mehrere Jahrzehnte dauern. Ein positiver Aspekt ist, dass die Industrie 4.0 eine klare Vision liefert, an der sich Hersteller und Endanwender erfolgreich orientieren können. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse der IT-Umgebung sind eng mit den Anforderungen der Produktionsumgebung verknüpft. Das setzt eine interdisziplinäre Zusammenarbeit üblicherweise getrennter Fachrichtungen voraus.

 

Dennoch wird der Mensch der wichtigste Faktor in diesem Übergangsprozess sein. Die Analyse der drei bisherigen Revolutionen zeigt, dass die Bedürfnisse und der Lebensstandard des Menschen die wichtigste Triebkraft für Veränderungen sind. Wenn diese Anforderungen auf die richtigen technologischen Randbedingungen treffen,entsteht ein fruchtbarer Boden für innovative Veränderungen. Seit der dritten Industriellen Revolution, der sogenannten „Digitalen Revolution“, haben zahlreiche innovative Technologien und politische Veränderungen das Zusammenleben der Menschen beeinflusst. Charakteristische Beispiele sind das Ende des Kalten Krieges, die Herausbildung globaler Märkte – vor allem in China – und technologische Fortschritte wie das Internet und die zahl­reichen intelligenten Geräte.

 

 

Der Mensch nimmt nicht nur die wichtige Rolle des Technologietreibers ein, sondern auch die Rolle des Getriebenen. Die modernen IKT führen zu einer starken Beschleunigung aller Geschäftsprozesse – im weltweiten Rahmen. Angebote für Produktionsanlagen und Dienstleistungen können weltweit in Sekundenschnelle gesendet werden; globale Zusammenschlüsse zur Bereitstellung von Lösungen lassen sich ad hoc bilden. Effizientere und integrierte Logistiksysteme an Land, auf See und in der Luft können Güter viel schneller zu den Kunden liefern. Um im globalen Wettbewerb erfolgreich zu sein, müssen Produktionssysteme agil sein und sich schnell anpassen. Die Fortschritte bei den IKT machen das möglich. In dieser neuen Systemumgebung muss der Mensch immer schneller planen, umsetzen und agieren. Nur Nationen, die ihre Bildungs- und Ausbildungssysteme rechtzeitig an die neuen Realitäten anpassen können, werden auf den Weltmärkten erfolgreich sein.

 

In dieser Hinsicht ist Europa in einer guten Position. Die EU gehört zu den globalen Forschungsführern, wenn es um vernetzte, eingebettete Systeme, semantische Technologien und das Design komplexer cyber-physischer Systeme geht. Das sind sehr gute Voraussetzungen für die europäische Industrie. Sie hat die Chance, einen technologischen Quantensprung zu machen und die Herausforderungen des Weltmarkts zu meistern.


Literatur

1. Kagermann, H., Lukas, W., Wahlster, W. (2011). Industrie 4.0: Mit dem Internet der Dinge auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution, VDI-Nachrichten.

 

2. Geisberger, E., Broy, M. (2012). Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, Acatech Studie, Berlin.

 

3. Zuehlke, D. (2010). SmartFactory – Towards a Factory-of-Things, In: IFAC Annual Reviews in Control, Volume 34, Issue 1, ISSN 1367-5788


Über die Autoren:

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke leitet den Forschungsbereich „Innovative Fabriksysteme“ (IFS) am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserslautern. Er ist Hauptinitiator und Vorstandsvorsitzender von SmartFactoryKL und Inhaber des Lehrstuhls für Produktionsautomatisierung an der Technischen Universität Kaiserslautern.


Dr.-Ing. Dominic Gorecky

Dominic Gorecky ist Senior Researcher und stellvertretender Leiter des IFS. Er ist verantwortlich für das Wissenschaftsmanagement und die strategische Koordinierung des Forschungsbereichs.

M. Sc. Stefanie Fischer

Stefanie Fischer ist Forscherin und Leiterin Kommunikation der SmartFactory. Sie ist an mehreren Forschungsprojekten beteiligt und für Marketing und Kommunikation verantwortlich.

 

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