COPA-DATA GmbH

Mit ihren Sensoren, Aktoren und eingebetteten Rechnern organisieren cyber-physische Systeme die Produktion selbst.

Bild: iStockphoto/MiguelMalo

Prozessautomation & Messtechnik Eine zukunftsfähige Produktion

14.09.2015

Industrie 4.0 und Smart Factory adressieren große Herausforderungen – Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit, Ressourcen und Energieeffizienz, schnelle Veränderung der Absatzmärkte und stärkere Individualisierung. Die Einführung von cyber-physischen Systemen sowie flexiblen und intelligenten Softwarelösungen ist notwendig, um vernetzte, sich selbst organisierende Produktionssysteme zu schaffen und so die Zukunftsfähigkeit der industriellen Produktion zu sichern.

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Produzierende Unternehmen stehen heute vor der vierten industriellen Revolution: cyber-physische Systeme (CPS), die die Maschinen und Werkstücke miteinander vernetzen, und flexible und intelligente Softwaresysteme werden den Weg zur Smart Factory ebnen. Dabei entstehen cyber-physische Systeme aus der Verknüpfung eingebetteter Systeme zu digitalen Netzwerken von Maschinen oder Produktbestandteilen. Sie können Daten aus ihrer Umgebung selbstständig erfassen und verarbeiten – und mit den Ergebnissen wiederum ihre Umgebung beeinflussen. Verfügen CPS über IP-Adressen, lassen sie sich online ansteuern. Mit ihren Sensoren, Aktoren und kleinen eingebetteten Rechnern organisieren CPS die Produktion selbst und überwinden dabei auch Grenzen zwischen Unternehmen, zum Beispiel zwischen Zulieferer und Produzenten.

Flexibler produzieren

Viele betriebliche Prozesse werden in der Smart Factory in Echtzeit je nach Anforderung gesteuert und koordiniert werden, auch über große Entfernungen hinweg. Das heißt, einzelne Prozessschritte müssen als Module standardisiert und ansprechbar sein. Robuste Netzwerke sichern den nötigen kontinuierlichen Austausch von Daten, die für die automatische Anpassung der Prozesse benötigt werden. Die Prozesssteuerung ist damit nicht mehr zwingend zentral, sondern kann dank CPS teils auch von Werkstücken direkt übernommen werden. Über eingebettete Systeme interpretieren sie Umgebungsdaten und leiten daraus Steuerungsbefehle ab. Insgesamt wird die Produktion so flexibler. Dazu tragen auch Maschinen bei, die anwendungsoffen konzipiert werden. Sie sind in der Lage, in bunter Abfolge unterschiedliche Aufgaben zu erledigen und unterschiedliche Werkzeuge einzusetzen. Entsprechend offen und flexibel muss auch die Software für Prozesssteuerung und Visualisierung ausgelegt sein.

Im praktischen Beispiel bedeutet dies, dass eine flexible Produktion auch kleine Losgrößen ohne Umrüstkosten ermöglicht. Werkstücke fordern die entsprechende Bearbeitung an und die Maschine wählt das passende Werkzeug. Die Wartung wird von der Maschine selbst organisiert. Auch die Bestellung von Materialien und Betriebsstoffen erfolgt automatisiert. Da Industrieroboter immer leichter und beweglicher werden, können sie auch aus ihren Begrenzungen ausbrechen und vielfältige Aufgaben übernehmen. Ebenso flexibel kann sich auch das Energiemanagement entwickeln: Maschinen organisieren selbstständig und automatisiert den kostengünstigsten Energiebezug.

Engere Verzahnung der Unternehmensbereiche

Übergeordnete Module für die Planung und Steuerung werden teilweise cloudbasiert sein und die bekannte Automatisierungspyramide verändern. Die Automatisierungsebene wird immer mehr Verwaltungs- und Analyseaufgaben bereitstellen, die Fertigungsplanung wird bereits im ERP-System beginnen. Um so flexibel agieren zu können, müssen auf den verschiedenen Steuerungsebenen eines Unternehmens komplexe Rechenaufgaben bewältigt werden. Angefangen von der Auftragsbearbeitung über Planung und Fertigung bis zu Logistik und Ressourcenmanagement. Der Trend, verschiedene Ebenen im Unternehmen zu verbinden, wird sich weiter festigen und beschleunigen. Und er wird Unternehmensgrenzen überwinden. Doch dabei müssen alle Prozesse permanent aufeinander abgestimmt werden.

Herausforderung Smart Factory

Die Realisierung der Smart Factory erfordert eine stärkere Vereinheitlichung der Schnittstellen und Sprachen sowie gemeinsame Datenpools und gleichberechtigten Zugriff der beteiligten Parteien darauf. Dabei müssen Programme hardwareunabhängiger arbeiten und Daten aus unterschiedlichsten Quellen beziehen, verarbeiten und auch wieder in verschiedenen Formaten ausliefern können. Nur so können Unternehmen das Potenzial, das die Smart Factory bietet, ausschöpfen und von deutlich wachsender Flexibilität bei gleichzeitig sinkenden Produktionskosten profitieren.

Neue Möglichkeiten nutzen

Die Voraussetzungen für die Smart Factory sind teilweise schon realisiert oder werden jetzt gerade geschaffen. Das heißt: Die Anschaffung neuer Maschinen und neuer Software, das Schmieden neuer Allianzen und der Zukauf professioneller Dienstleistungen müssen bereits heute auf künftige Arbeitsweisen ausgerichtet sein. Es geht nicht darum, als erster in einer Smart Factory zu produzieren. Es geht darum, bereit zu sein, neue Möglichkeiten effektiv zu nutzen. Dies umfasst unter anderem:

  • eine gezielte Vorbereitung auf eine flexible Produktion – im Extremfall bis hin zur Losgröße 1,

  • die Bereitschaft, Zulieferer und Abnehmer noch stärker in eigene Abläufe einzubinden und Informationen auch automatisiert mit ihnen zu teilen,

  • die Vorbereitung neuer Maschinen für das IPv6 und die Kommunikation mit Werkstücken,

  • den Einsatz individuell anpassbarer und ergonomischer Software für Planung, Steuerung, Visualisierung und auch Analyse,

  • die sichere Vernetzung der Kommunikation über Unternehmensgrenzen hinweg.

Erfolgsfaktor Mensch

Auch neues Denken ist gefordert. Die handelnden Personen müssen sich mit neuen Konzepten auseinandersetzen. Damit die übergreifende Vernetzung funktioniert, müssen Verantwortliche und Mitarbeiter den Nutzen sehen und akzeptieren. Erst eine unternehmensübergreifende und interdisziplinäre Zusammenarbeit macht die Smart Factory zu einem Erfolgskonzept. Der Umbruch wird keine Revolution, sondern eine Evolution sein. Maschinen haben lange Laufzeiten, Unternehmen stoßen funktionierende Konzepte nicht gerne um und die Ingenieure und Bediener setzen bevorzugt auf Bewährtes. Aber auch die steigende Komplexität ist eine der stärksten Bremsen in industriellen Umgebungen.

Wenn das Internet of Things (IoT) und die Smart Factory Erfolg haben sollen, dürfen sich Unternehmen nicht nur über technische Vorgaben und Umsetzungen Gedanken machen, sondern müssen ihre Mitarbeiter – vor allem Ingenieure, Automatisierer, Betriebswirte und IT-Experten – darauf vorbereiten und ihre Werkzeuge entsprechend verbessern. In Zukunft ist deshalb, noch mehr als bisher, Software gefragt, die schnell analysiert, Daten lesbar aufbereitet und vor allem einfach und sicher zu bedienen ist. Denn trotz aller Fortschritte in der Maschinentechnik bleiben Menschen die entscheidenden Akteure. Sie müssen Ereignisse richtig interpretieren und schnell, aber korrekt entscheiden und reagieren. Gefragt sind damit aber auch Akteure, die sich dem rascheren Wandel anpassen, ihr Wissen beständig erneuern und offen für neue Technologien sind.

Status Quo – was ist möglich?

Bis Unternehmen das Ziel einer vollkommen digitalen Fertigung erreichen, liegt allerdings noch viel Forschung und Entwicklung vor uns. Die Vernetzung von Sensoren und Aktoren über das Internet stellt sie zum heutigen Stand der Technik noch vor offene Fragen wie Echtzeitfähigkeit und Sicherheit, die im industriellen Kontext notwendig ist. Dennoch sind die Konzepte des IoT nicht nur Zukunftsmusik. Mit hybriden Architekturen können Unternehmen bereits heute bislang ungenutzte Potenziale in Ressourceneffizienz, Effektivität und Flexibilität in der Fertigung ausschöpfen. Solange Netzwerk­infrastrukturen und Protokolle keine echtzeitfähigen Prozesse über das Internet ermöglichen, werden Unternehmen mit Architekturen arbeiten, die dezentrale und zentrale Intelligenz kombinieren.

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