IoT

Stand der Dinge und Ausblick auf Industrie 4.0

Industrie 4.0: Auf dem Weg zur wirklich smarten Factory
Keine Kommentare

Die Zielsetzung der Smart Factory ist im Grunde die Herstellung hoch kreativer Einzelkunstwerke – in industrieller Fertigung. Dazu muss sie unter anderem modular aufgebaut und flexibel sein. Wie kann die Smart Factory Wirklichkeit werden, wie ist der aktuelle Stand der Dinge und welche Rollen spielen dabei Autonomie und Automatisierung?

Wie auch immer man es dreht und wendet, Industrie 4.0 hat bis heute noch nicht zu dem erwarteten Nutzen geführt. Weil das so ist, stürzen sich viele auf das IoT – oder besser: auf das industrielle Internet of Things, also das IIoT. Aber wird dadurch nicht vorschnell Industrie 4.0 aufgegeben? Meiner Meinung nach schon. Und es ist wie so oft: Werden die Ziele nicht schnell genug erreicht, so zweifelt man an allem.

Aber was war eigentlich das Ziel von Industrie 4.0? Ein wesentlicher Aspekt war und ist aus meiner Sicht, dass die industrielle Produktion sich in Wertschöpfungsnetzwerke nahtlos mit IT-Technologie einbettet, um so nachhaltig und effizient zu produzieren. Zusätzlich soll die Produktion wesentlich flexibler und neue und individualisierte Produkte ermöglicht werden – und das ebenfalls mit höchster Effizienz. Wie immer geht es also bei der Produktion um Effizienz. Das war nicht anders zu erwarten, denn sie war die Triebfeder der gesamten industriellen Revolution. Hoch kreative Einzelkunstwerke waren schon immer möglich – man nehme nur die Kunstwerke eines Leonardo da Vinci –, nur eben nicht als Massenproduktion.

Die Ziele der Industrie 4.0

Interessanterweise will die Industrie 4.0 im Kern hoch kreative Einzelkunstwerke, die effizient industriell gefertigt werden. Vergleicht man das mit dem IIoT oder allgemein mit der Digitalisierung, erkennt man, dass der Anspruch dort ein anderer ist. Hier geht es um die Verknüpfung der realen mit der Cyber-Welt. Diese Verknüpfung ist erst einmal sehr wichtig, denn sie bietet die Grundlage vieler neuer Services, die der Effizienzsteigerung dienen. Was aber nicht erreicht wird, ist der hohe Grad an Flexibilität, der mit der Industrie 4.0 in Beziehung steht. Also, alles in allem: Industrie 4.0 ist mehr, aber dieses „Mehr“ wurde bis heute nicht erkannt und daher natürlich auch (noch) nicht erreicht.

Das Problem mit der Autonomie

Kann man dieses „Mehr“ begrifflich fassen? Das ist schwer, denn die meisten Begriffe sind bereits unpassend belegt. Nutzt man beispielsweise den Begriff Autonomie, so schwingt unweigerlich die Konnotation des autonomen Fahrens mit. Das autonome Fahren wiederum wird vielfach als Entmündigung des Menschen angesehen. Spricht man daher von einer autonomen Fabrik, so entstehen in vielen Köpfen Horrorszenarien. Und doch, es geht um Autonomie. War die Dritte Industrielle Revolution durch die Automatisierung geprägt, so wird die Vierte Industrielle Revolution durch die Autonomisierung geprägt sein.

IT Security Summit 2019

Sichere Logins sind doch ganz einfach!

mit Arne Blankerts (thePHP.cc)

Hands-on workshop – Hansel & Gretel do TLS

mit Marcus Bointon (Synchromedia Limited)

Aber erst einmal zur Automatisierung: Als Automatisierung bezeichnet man heute in erster Linie das, was die industrielle Steuerung ausmacht. Diese tut nichts anderes, als eine „Wenn, dann…“-Logik anzuwenden. Wenn der Sensor den Wert 3,4 liefert, dann wird der Aktor 17 geschaltet. Rein funktional orientiert, man kann auch sagen „ohne Sinn und Verstand“. Der Sensor erkennt nichts, hat keine kognitiven Fähigkeiten – der Aktor wiederum lernt nicht und würde somit den programmierten Fehler unendlich oft wiederholen. Und dennoch ist Automatisierung notwendig, heute und auch in Zukunft. Und vergleicht man es mit dem Menschen, der ja als vernunftbegabt gilt, so laufen auch in diesem Wesen völlig automatisierte Vorgänge ab. Leben wäre ohne diese Vorgänge, wie beispielsweise Reflexe oder auch vom Stoffwechsel bis hin zum Blutkreislauf, nicht denkbar.

Der Stand der Dinge in der Smart Factory

Für dieses „Mehr“ braucht es eine modular aufgebaute Factory, deren Module Fertigungsservices am Produkt ausführen. Es braucht eine leistungsfähige Intralogistik, um die Produkte zum Service zu bringen. Das alles wurde im Rahmen der SmartFactoryKL aufgebaut. Die SmartFactoryKL betreibt den ersten Industrie 4.0 Demonstrator in Form vernetzter Produktionsmodule.

Und das Resümee dieser modularen Anlage ist vielversprechend, wenn es um die vielen neuen IT-Services geht, die in diese Anlage implementiert wurden. Natürlich sind es die bekannten Services wie Predictive Maintenance, Asset Management, Energy Management und der dazu notwendige Datenaustausch mit OPC UA. Aber auf der anderen Seite wurden mit diesen alleine auf Kommunikation basierenden Ansätzen die wesentlichen Ziele der Industrie 4.0 nicht erreicht. Die Anlage ist in ihrer heutigen Form zwar serviceorientiert, die Flexibilität bei Nutzung neuer Services im Rahmen der Erweiterung um zusätzliche Services besteht aber noch nicht. Auch ist die Inbetriebnahme von Modulen noch viel zu aufwendig, um eine Erweiterung auch praktisch durchzuführen. Dazu kommt, dass die Systeme in Bezug auf die Verfügbarkeit suboptimal sind. Kleine Fehler führen zum Stillstand der gesamten Anlage. Die Vermeidung von Fehlern, die zum Ausfall führen, wird noch nicht erlernt. Auch können keine neuen oder modifizierten Produkte auf der Anlage gefertigt werden. Das Resümee: Der digitale Zwilling lebt, aber er ist zu „dumm“, um zu produzieren.

Die Smart Factory auf dem Weg zur Autonomie

Bei den Produktionsmodulen unserer SmartFactoryKL ist zwar das Ziel die wandelbare, flexible Fabrik – letztendlich ist es aber heute anders. Diese Module sollen zwar hochflexibel eingesetzt werden und hocheffizient und hochverfügbar sein, sie besitzen aber aktuell nur Automatisierung. Versteht man unter autonomen Vorgängen genau die, die ein Erkennen und ein Lernen einschließen, so existieren genau diese Prozesse nicht in den Produktionsmodulen. Dabei könnten diese autonomen Prozesse helfen, die Produktion stabiler und einfacher durch den Menschen beherrschbar zu machen. Und genau hier setzt das „Mehr“ von Industrie 4.0 ein. Kommunikation ist noch keine Intelligenz. Das könnte man auf viele Bereiche der digitalisierten Welt übertragen.  Aber Kommunikation ist der erste Schritt, um zu erkennen, zu verstehen und dann zu handeln. Und genau darum geht es jetzt, den nächsten Schritt zu machen. Dieser Schritt sind intelligente Produktionsmodule.

Und jetzt ordnen sich die Buzzwords alle sinnvoll ein. Jetzt braucht man nämlich Edge Computing, weil Intelligenz in der Produktion immer auch dezentral verfügbar sein muss. Aber vor allem braucht man jetzt ML und AI. Denn nur so kann ein Produktionsmodul lernen und dadurch anpassungsfähig und fehlertolerant werden. Durch kognitive Eigenschaften erkennt das Produktionsmodul das Produkt und weiß dann, wie es dieses individuelle Produkt am besten nach vorgegebenen Randbedingungen bearbeitet. Das Modul interagiert mit dem Anwender und vereinfacht die Inbetriebnahme, erkennt Fehler und vermeidet diese.

Edge Devices als das Gehirn des Produktionsmoduls

Das Edge Device wird zum Gehirn des Produktionsmoduls. Natürlich ist prinzipiell alles auch aus der Cloud realisierbar, aber eine dezentrale Architektur hat, bezogen auf die Produktion, deutliche Vorteile. Das Produktionsmodul bleibt so unabhängig von einer Netzwerkverbindung immer nutzbar und kann auch ohne Netzwerkverbindung angesprochen werden. Aus Safety- und Deterministik-Gesichtspunkten ist es überdies sinnvoll, auf kurzem Wege Entscheidungen zu treffen.

Dieses Edge Device kommuniziert mit der lokalen Steuerung, es werden damit die Aufgaben – je nach Kompetenz – sinnvoll aufgeteilt. Die Funktionsabarbeitung in Echtzeit bleibt in der industriellen Steuerung der Smart Production Solution (SPS). Natürlich kann die SPS auch Bestandteil eines Edge Devices werden. Ihre Grundfunktion ist aber absolut unbestritten. Daher ist ihre Lokalisierung und damit der Aufbau mit SPS und Edge Device oder als Edge Device mit integrierter SPS sekundär. Welche konkreten Aufgaben das Edge Device innerhalb des Produktionsmoduls ausführen soll, wird momentan in der SmartFactoryKL erarbeitet. Es geht zum einen darum, alle relevanten Daten der Verwaltungsschale konsolidiert in einem Edge Device zu administrieren, um dann flexibel Produktionsservices anzubieten. Wenn beispielsweise ein Modul mit einem Bedruckungsservice mit neuen Produkten konfrontiert wird, so soll das Modul autark entscheiden können, ob diese neuen Produkte bedruckt werden können und daraufhin die Parametrierung der notwendigen Automatisierung veranlassen. Es soll dabei erlernt werden, welche Produkte bedruckt werden können und welche nicht.

Aber hier stehen wir noch am Anfang, und die Arbeitskreise der SmartFactoryKL sind für alle Mitglieder offen, um dort gemeinsam Standards für die autonome Produktion zu setzen.

Machine Learning und Edge Devices heute

Edge Devices werden schon in einzelnen Applikationen eingesetzt. Zumeist geht es um die Erkennung von Objekten und um deren Beurteilung, z. B. im Rahmen der Qualitätskontrolle. Das intelligente Erkennen von Objekten ist eine Grundvoraussetzung, um in einer wandelbaren und hochflexiblen Fertigung individuell den Automatisierungsprozess zu steuern. Im Industrie 4.0 Demonstrator hat HARTING zur Hannover Messe 2019 gemeinsam mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) die Objekterkennung mittels KI auf der MICA (Modular Industry Computing Architecture) implementiert. Dabei wird mit Hilfe einer Kamera und eines angelernten Systems erkannt, ob das richtig zusammengestellte Produkt produziert wurde. Bei fehlerhafter Zusammenstellung wird über die MICA direkt in den Fertigungsprozess eingegriffen. Dieses Testbed lässt sich auf viele Fragestellungen in einer klassischen Fertigung verallgemeinern. Zukünftig können mit Hilfe einer intelligenten Bilderkennung fehlerhafte Teile identifiziert und der Prozess gestoppt oder justiert werden.

Service oder Autonomie – ist das die Frage?

Service und Autonomie ist die Antwort, denn allein durch die Services können Produktionsprozesse effizienter und transparenter gemacht werden. Aber allein durch Autonomie kann eine hochkomplexe Ein-Stück-Produktion mit ähnlicher Effizienz wie die Massenfertigung von Standardprodukten erfolgen. Die heutigen Services setzen also an der heutigen Produktion und an den heutigen Produkten an. Die Idee einer Vierten Industriellen Revolution ging aber weiter und hat mit dem Begriff Mass Customisation zu neuen Produkten aufgerufen. Die Produkte brauchen eine robuste und effiziente Produktion, die adaptiv ist. Wie will man das anders als durch selbstlernende und damit autonome Produktionsmodule erreichen? Diesen Weg hat die SmartFactoryKL eingeschlagen.

Unsere Redaktion empfiehlt:

Relevante Beiträge

Hinterlasse einen Kommentar

Hinterlasse den ersten Kommentar!

avatar
400
  Subscribe  
Benachrichtige mich zu:
X
- Gib Deinen Standort ein -
- or -