Vernetzung

Maschinen steuern sich selbst

Von Thomas Schulze · 2015

Mit modernen digitalen Schlüsseltechnologien werden auch viele neue zahlreiche industrielle Anwendungen machbar. Vor allem machen sie eine ganz neue Intensität der Vernetzung zwischen Anlagen, Maschinen und einzelnen Werkstücke möglich. Dieser kontinuierliche Informationsaustausch bietet noch viele Potenziale.

Die Industrie 4.0 ist in aller Munde, aber was ist das eigentlich? Seitdem die Hannover Messe vor einigen Jahren den Begriff populär gemacht hat, wird er nahezu täglich erwähnt, zitiert, und auf Tagungen sowie Kongressen diskutiert. Auch die Bundesregierung hat das Thema für sich entdeckt und will Deutschland zum Kernland und Vorreiter der Industrie 4.0 machen. Mit anderen Worten: Die Vernetzung der Produktionsanlagen soll massiv ausgebaut und damit eine neue industrielle Revolution vorangetrieben werden. Sogenannte „Cyberphysische Systeme“ (CPS) in denen sich physische und virtuelle Welt vermischen, spielen dabei eine Schlüsselrolle.

Und natürlich ist es keine Frage, dass das Internet bei der Vernetzung von Produktion und Fertigung einen Basisfaktor darstellt. Gerade weil industrielle Fertigung und it immer stärker zusammenwachsen, wird sich die Industrie zum wahrscheinlich wichtigsten Kunden der IT-Branche entwickeln. Bestätigt wird dies schon heute durch den Branchenverband bitkom, der den Umsatzanteil der Industrie inzwischen mit rund einem Fünftel angibt. All das kann aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass der Durchbruch der Industrie-4.0-Technologie noch aussteht. Nicht zuletzt, weil viele Fragen offen sind – so zum Beispiel welche Standards gelten und welche Kommunikationsnetze dafür benötigt werden, ganz zu schweigen von der Sicherheit der Anlagen.

In CPS liegt Potenzial

Um auf diese Herausforderungen in Zukunft wirksam reagieren zu können, benötigt das produzierende Gewerbe neue Lösungen. Experten sehen in der Technologie der cps das Potenzial für solche Lösungen. Was aber sind diese „cyberphysischen Systeme“ genau? Bei CPS handelt es sich um Netzwerke kleiner mit Sensoren und Aktoren ausgestatteter Computer, die als sogenannte „Eingebettete Systeme“ in Materialien, Gegenständen, Geräten und Maschinenteilen eingebaut und über das Internet miteinander verbunden werden. In einem derartigen „Internet der Dinge“ verbinden sich die physische und die digitale Welt. Anlagen, Maschinen und einzelne Werkstücke tauschen kontinuierlich Informationen aus. Sämtliche Produktions- und Logistikprozesse werden integriert.

Steuerungen in Echtzeit

Aus dieser Schlüsseltechnologie leiten sich zahlreiche industrielle Anwendungen ab. So erwarten die Ersteller der Studie „Zukunftsbild Industrie 4.0“ des Bundesforschungsministeriums, dass in Zukunft viele Prozesse in Echtzeit über große Entfernungen gesteuert und koordiniert werden. Voraussetzung dafür ist die Standardisierung und Modularisierung vieler einzelner Prozessschritte und die Programmierung von virtuell bearbeitbaren Modellen dieser Module. Mit ihrer Hilfe werden künftig betriebliche Prozesse geplant, gesteuert und kontrolliert. Die Vernetzung schafft die Voraussetzung für den kontinuierlichen Austausch von Daten, aus denen automatisch situationsgerechte Prozessanpassungen abgeleitet werden. Der Einsatz von CPS erlaubt zudem die Dezentralisierung der Prozesssteuerung, die dann beispielsweise von den Werkstücken selbst übernommen wird, indem sie mittels eingebetteter Systeme Umgebungsdaten verarbeiten und daraus Steuerungsbefehle ableiten.

Prozessebenen werden verknüpft

Die Industrie geht davon aus, dass Produktion auf diese Weise erheblich flexibler wird. Flexibilität wird zusätzlich durch anwendungsoffen konstruierte Maschinen erreicht, die in direkter zeitlicher Abfolge unterschiedliche Funktionen ausführen oder Werkzeuge einsetzen. Der hohen Flexibilität in der Produktion liegen komplexe Rechenleistungen zugrunde, die auf den verschiedenen Steuerungsebenen im Unternehmen ablaufen und untereinander verbunden sind. „Diese vertikale Integration aller Prozesse – von der Bearbeitung der Auftragseingänge, über das Ressourcenmanagement und die Fertigung bis hin zur Auslieferung – revolutioniert die industrielle Produktion“, ist man im Bundesforschungsministerium überzeugt. „Die Prozessebenen des Unternehmens werden durchgängig miteinander verknüpft und können auf Grundlage der jeweils aktuellsten Prozessdaten immer wieder neu aufeinander abgestimmt werden.“

Vernetzung schafft die Vorraussetzung für den kontinuierlichen Datenaustausch.

Das Internet ermöglicht diese ständige Koordinierung auch zwischen weltweit verteilten Standorten und über Unternehmensgrenzen hinweg. Die horizontale Integration, also die Vernetzung zwischen mehreren Unternehmen, ist Ausgangspunkt der flexiblen Gestaltung ihrer gemeinsamen Wertschöpfungsprozesse. Unternehmen bilden künftig dynamische Netzwerke, aus denen heraus sie auftrags- und produktspezifisch ihre Kapazitäten zu virtuellen Produktionsgemeinschaften zusammenschließen.

Kontinuierliche Optimierung

Eine zentrale Funktion solcher Wertschöpfungsnetzwerke ist die kontinuierliche Optimierung aller Prozesse auf Basis aktueller Daten aus den Märkten und aus der Produktion selbst. Die Optimierung erfolgt unter Berücksichtigung mehrerer Kennziffern gleichzeitig. Die wichtigsten sind dabei etwa Zeit, Qualität, Kosten, Ressourceneinsatz oder Energiekosten. Das Ziel der Optimierung wird über den gesamten Produktlebenszyklus hin verfolgt. Digitale Produktgedächtnisse zeichnen in Zukunft Daten aus Fertigung, Logistik, Nutzung und Entsorgung auf und stellen sie für die Produkt- und Prozessoptimierung zur Verfügung. Die Vorteile, die sich für die Unternehmen aus alldem ergeben, sind immens. So wird die Individualisierung der Produktion es den Betrieben in vielen Branchen ermöglichen, zu geringen Kosten eine hohe Zahl an Produktvarianten herzustellen und auf diese Weise individuelle Kundenwünsche zu bedienen. Flexibel können sie auf Marktentwicklungen, auf kurzfristig geänderte Produktanforderungen oder auf schwankende Rohstoff- und Energiepreise reagieren.

Vollständige Transparenz

Selbst bei unvorhergesehenen Ereignissen oder Störungen, wie Stromausfällen oder Lieferungsverzögerungen, erfolgt die Anpassung schnell und präzise. Wartung und Reparatur von Anlagen sind erheblich vereinfacht: Eingebettete Systeme stellen vollständige Transparenz über den Zustand aller Maschinen her. Diese bestellen ihre Ersatzteile selbstgesteuert, sobald Verschleißerscheinungen auftreten. Die hohe Anpassungsfähigkeit erhöht die Auslastung der Produktionskapazitäten; das flexible Ressourcenmanagement verbessert die Effizienz des Gesamtbetriebs. Die Kosten für Lagerhaltung und Fertigung sinken durch die wirksame Nutzung der vorhandenen Optimierungspotenziale. Last but not least werden Fehler häufiger vermieden oder können schneller behoben werden.

Quelle: BITKOM, 2015