Industrie 4.0 | Maschinen, Werkstücke und Menschen vernetzt

Die vierte Phase der Industrialisierung wird vorbereitet. Für die Industrie 4.0 stehen Schlagworte wie cyber-physisches System, Internet der Dinge und Augmented Reality. Was soll das heißen? Welche Rolle wird dem Menschen in der intelligenten Fabrik zugewiesen?

Industrie 1.0 | Die erste industrielle Revolution ersetzte ab der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts Muskelkraft und Handarbeit durch Dampfmaschinen und Produktionsmaschinen (Bsp.: mechanischer Webstuhl).
Industrie 2.0 | Die zweite industrielle Revolution verstärkte seit der Wende zum 20. Jahrhundert die arbeitsteilige Massenproduktion durch elektrische Maschinen und Fließbandarbeit (Bsp.: Schlachthöfe, Automobilproduktion).
Industrie 3.0 | Seit Mitte der 1970er Jahre treibt die dritte industrielle Revolution die Automatisierung der Produktion mit Computertechnik weiter voran und übernahm damit auch menschliche Handarbeit (Bsp.: speicherprogrammierbare Steuerung, Industrieroboter).

Phase 4 der Industrialisierung

Heute steht die Wirtschaft kurz vor der vierten Phase der Industrialisierung. Ziel der Industrie 4.0 ist die intelligente Fabrik oder Smart Factory. Sie wird nicht das Ergebnis einer Revolution sein, sondern einer Evolution. Denn automatisch arbeitende Produktionsanlagen gibt es seit langem. Doch der Grad der Selbstorganisation, Flexibilität und künstlichen Intelligenz wird sich wesentlich erhöhen. Den gesamten Produktionsprozess von der Rohstoffbestellung bis zum Produktversand optimiert die intelligente Fabrik selbst. Hierbei kann sie trotz Massenproduktion auch individuelle Einzelstücke herstellen: kurzfristig, kostengünstig und qualitativ hochwertig.

Das intelligente Werkstück

Werkstücke und Produkte führen in der intelligente Fabrik Bearbeitungsanweisungen für die Produktionsmaschinen digital mit sich. Dazu sind sie mit RFID-Chips ausgestattet. Foto: SmartFactoryKL

Werkstücke und Produkte führen in der intelligente Fabrik Bearbeitungsanweisungen für die Produktionsmaschinen mit sich wie in der SmartFactoryKL (s.u.). Dazu sind sie mit RFID-Chips ausgestattet. Foto: SmartFactoryKL

Neu wird in der intelligenten Fabrik sein, dass die Werkstücke und Produkte Bearbeitungsanweisungen für die Produktionsmaschinen digital mit sich führen. Dazu sind sie mit RFID-Chips ausgestattet. In ihnen sind Kunden-, Auftrags- und Produktionsdaten gespeichert, oder eine Identifikationsnummer, über die entsprechende Daten aus einer Datenbank abgerufen werden können. Die Daten werden im Laufe der Produktionskette per Funk geschrieben und gelesen. So teilt etwa eine Flasche der Befüllstation mit, womit sie befüllt werden soll; ein Gehäuse verlangt von der Montagestation, mit einem speziellen Anschlusssockel ausgerüstet zu werden; und ein Motorblock übergibt dem Fräsautomaten die Bearbeitungsdaten. So lassen sich trotz Massenproduktion Merkmale einzelner Produktstücke auch an individuelle Kundenwünsche anpassen.

Die kommunizierende Maschine

Die Produktionsmaschine ist noch schlauer. Sie überwacht nicht nur ihren Zustand und fordert bei Bedarf ein Ersatzteil an. Sie erkennt, welche Maschinen im Produktionsablauf neben ihr stehen, auch wenn sie gerade eben in den Produktionsablauf eingefügt wurden. So wie heute unterschiedliche Geräte per USB vom PC erkannt werden, sollen in der Industrie 4.0 Maschinen und Anlagen ohne weitere Programmierung zu Produktionssystemen verkoppelt werden können. Die Produktionsmaschine erkennt dann, welche Arbeitsschritte erledigt sind und entscheidet, wie sie das Werkstück unter den gegebenen Bedingungen sinnvoll bearbeitet. Hierfür tauschen Maschinen selbst verschiedener Hersteller Daten untereinander aus. So handeln sie beispielsweise untereinander aus, welches Produkt Vorrang hat, da es am dringendsten ausgeliefert werden muss.

Der assistierte Bediener

In dieses industrielle Internet der Dinge, dem Datennetzwerk der Maschinen und Werkstücke, wird auch der Mensch eingeknüpft, zum Einrichten und Testen, für die Endmontage und Endkontrolle. Er wird dabei von Computertechnik unterstützt, geleitet und überwacht. Ein tragbares Ein- und Ausgabegerät, etwa ein Touchpad oder ein Smartphone, zeigt ihm die jeweils benötigten Maschinenstandorte, Daten und Arbeitsschritte.

Visualisierungen im Brillen-Display. Im europäischen Verbundprojekt COGNITO entwickelt das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) neuartige, lernbasierte Verfahren, mit denen manuelle Arbeitsabläufe sensorisch erfasst und visuell unterstützt werden. Foto: DFKI

Visualisierungen im Brillen-Display. Im europäischen Verbundprojekt COGNITO entwickelt das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) neuartige, lernbasierte Verfahren, mit denen manuelle Arbeitsabläufe sensorisch erfasst und visuell unterstützt werden. Foto: DFKI

Der Wartungstechniker nutzt beispielsweise ein intelligentes Assistenzsystem, bestehend aus einem Brillen-Display und am Körper getragenen Sensoren. Das System erkennt seine Handgriffe und blendet ihm Informationen zu den Arbeitsschritten als Text und Grafik in sein Sichtfeld ein (Augmented Reality). Hierfür erstellte ein Ausbilder den erforderlichen Arbeitsvorgang als digitales Handbuch, indem er den Arbeitsvorgang demonstrierte und mit Zusatzinformationen versah. Das System achtet darauf, dass der Wartungstechniker die Arbeiten korrekt und ergonomisch ausführt. Bei einem Fehler weist es ihn darauf hin und zeigt die erforderliche Korrektur an.

Förderprogramme

Industrie 4.0 soll aus den weiterentwickelten und vernetzten Technologien von heute entstehen. Diese heutigen Technologien sind insbesondere, das LAN-ähnliche Profinet als standardisierte Datenverbindung für Industrieanlagen, das Internet und Simulationssoftware für Produktionsanlagen.

Die einzelnen Schritte in Richtung der intelligenten Fabrik werden zwischen den großen Industrieunternehmen, der akademischen Forschung und der Politik abgestimmt. Das Beratergremium aus Wissenschaft und Wirtschaft für die Hightech-Strategie der deutschen Bundesregierung prägte auch das Schlagwort „Industrie 4.0“. Die Bundesregierung fördert die Umsetzung mit etwa 200 Millionen Euro.

In anderen Ländern gibt es ähnliche Initiativen, auch wenn sie dort anders genannt werden. So will beispielsweise die US-Regierung den Aufbau eines entsprechenden nationalen Netzwerks aus Forschung und Unternehmen mit bis zu einer Milliarde US-Dollar unterstützen.

Aktuelle Ansätze

Siemens Elektronikwerk in Amberg

Das hochautomatisierte Siemens Elektronikwerk im ostbayerischen Amberg produziert speicherprogrammierbare Steuerungen. Mit den Steuerungen werden selbst wieder Maschinen und Anlagen automatisiert, beispielsweise die Bordsysteme von Kreuzfahrtschiffen, Produktionsanlagen der Automobilindustrie oder auch die Steuerung von Skiliften.

Produktionsplanung am Computer. Die Produktion der etwa 1000 Artikel planen die Siemens-Ingenieure mit konzerneigener PLM-Software. Sie planen damit verschiedene Fertigungsvarianten, kalkulieren sie bis ins kleinste Detail und vergleichen sie anhand von Kenngrößen. So wird die Entwicklungszeit eines neuen Produktes verkürzt, die Entwicklung wesentlich besser auf die Produktion abgestimmt und spätere Änderungen vermieden.

Erst nach der Planung am Computer wird in Amberg das Ergebnis in die realen Produktionsmaschinen übertragen, beide Arbeiten werden nacheinander durchgeführt. In der weiteren Entwicklung sollen sie sich dagegen zeitlich zunehmend überschneiden, um schließlich gleichzeitig abzulaufen. Die Übertragung in die Produktionsmaschinen soll dann natürlich vollautomatisch funktionieren.

Individuelle Produktwege. In der blitzblanken Werkhalle bedienen und überwachen Facharbeiter die Produktion, soweit das noch nötig ist. Am Computer prüfen sie beispielsweise die bestückten Leiterplatten. Da die Leiterplatten mit Barcodes individuell markiert sind, lässt sich ihr gesamter Produktionsweg bis ins kleinste Detail überblicken. Jede Leiterplatte kann im Produktionsprozess wie ein Artikel an der Ladenkasse erkannt werden, sodass für sie in Echtzeit Bestückungsdaten, Löttemperatur oder Prüfergebnisse festgelegt und dokumentiert werden können.

SmartFactoryKL – Pilotanlage des DFKI

Wie Industrie 4.0 in der Praxis aussehen könnte, demonstrieren das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) zusammen mit 20 Partnern aus Industrie und Forschung.

Das intelligente Produkt. Zu ihrer Pilotanlage, die in Kaiserslautern aufgebaut wurde, gehört unter anderem die Befüllanlage für Seifenflaschen. In dieser Smart Factory wird demonstriert, wie Produkt und Produktionsanlage kommunizieren. Jede Seifenflasche ist mit einem RFID-Tag versehen und wird so zu einem cyber-physischen System. Das Funketikett teilt den Maschinen mit, welche Flüssigseife sie einfüllen und welchen Verschluss sie aufschrauben sollen.

Beschäftigte der SmartFactoryKL können mit Geräten und Maschinen per Armband-PC oder SmartPhone kommunizieren. Foto: SmartFactoryKL

Beschäftigte der SmartFactoryKL können mit Geräten und Maschinen per Armband-PC oder SmartPhone kommunizieren. Foto: SmartFactoryKL

Wegführung für Servicetechniker. Als weiteres Element zukünftiger intelligenter Fabriken wird in der Pilotanlage auch die Zusammenführung von Ortungs-, Kommunikations- und Interaktionstechnologien erforscht. Im Vordergrund steht dabei die Wegführung der Servicetechniker und die mobile Interaktion mit den Maschinen vor Ort. Per Armband-PC nutzen die Techniker Ortungstechnologien wie GPS und UWB in und außerhalb der Gebäude. Ebenso lassen sich Geräte in der SmartFactoryKL per SmartPhones ansteuern.

Maschinenvernetzung per Plug & Play. Die Produktionslinie soll sich leicht an veränderte oder neue Produkte anpassen lassen. Daher müssen sich die Geräte der Produktionslinie einfach austauschen oder ergänzen lassen, beispielsweise RFID-Lesegeräte, Kameras zur Qualitätskontrolle oder ganze Produktionsmaschinen. Die Plug&Play-Funktion ist in ähnlicher Form vom PC her bekannt. Jedes Gerät enthält hierfür eine digitale Selbstbeschreibung. Schließt man es an die Produktionslinie an, wird das Gerät automatisch vom übergeordneten Kontrollsystem erkannt, konfiguriert und in den Produktionsablauf eingefügt.

Vernetzung über Unternehmensgrenzen hinweg. Um die Produktion zu optimieren, müssen die Produktionsprozesse auch über die Unternehmensgrenzen hinweg vernetzt sein. Dafür werden neue Konzepte, Geschäftsprozesse und Unternehmenssoftware benötigt, die der Software-Cluster mit seinen 350 Partnern entwickelt. In der SmartFactoryKL wird die Durchgängigkeit und Echtzeitüberwachung entlang der gesamten Zulieferkette demonstriert und untersucht, insbesondere die Bereitstellung von Daten zu Produktionsprozessen, Betriebsmitteln und Ressourcen.

it’s OWL

Das Kürzel steht für Technologie-Netzwerk Intelligente Technische Systeme OstWestfalen-Lippe. In diesem Netzwerk haben sich 174 Unternehmen, Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Organisationen zusammengeschlossen. Gemeinsam wollen sie den Entwicklungssprung von der Mechatronik zu intelligenten technischen Systemen gestalten, die sich an den Konzepten cyber-
physischer Systeme und der Industrie 4.0 orientieren. Das Technologie-Netzwerk it’s OWL erhält 40 Millionen Euro an Fördermitteln des Bundes und darf sich „Spitzencluster“ nennen.

Seit 2009 forschen das Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation und die Hochschule OWL zusammen an Technologien für die intelligente Fabrik. Gemeinsam initiierten sie den Bau für eine Forschungsfabrik in Lemgo, im Herzen von OWL. Auf etwa 2000 m² sollen dort im Rahmen des it’s OWL Lösungen für die intelligente Automation erforscht, entwickelt und erprobt werden. Der Bau des rund fünf Millionen Euro teuren Projektes beginnt im Sommer 2014, fertiggestellt sein soll es bereits im ersten Halbjahr 2015.

Die Rolle des Menschen

Die Rolle, die dem Menschen in der hochautomatisierten Industrie 4.0 zugedacht wird, ist zwiespältig. Einerseits soll er als Produktionsleiter computerunterstützt planen und entscheiden. Andererseits sollen Augmented-Reality-Assistenzsysteme die notwendigen Qualifikationen der Arbeiterinnen und Arbeiter drastisch reduzieren.

Es ergeben sich zahlreiche Fragen, die noch zu beantworten sind. Beispielsweise: Inwieweit ist die Überwachung der Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer mit ihren Persönlichkeitsrechten vereinbar? Wie werden private Daten wirkungsvoll geschützt? Droht eine Selbstausbeutung der Angestellten, wenn sich industrielle Prozesse mit Smartphones steuern lassen? Wie wird mit den Folgen der zunehmenden Austauschbarkeit des Produktionsfaktors Mensch umgegangen?

Links

SmartFactory-Kl
http://www.smartfactory-kl.de

Intelligente Technische Systeme OWL
http://www.its-owl.de

SmartFactory OWL
http://www.smartfactory-owl.de

Siemens: Elektronikwerk Amberg
http://www.siemens.com/innovation/apps/pof_microsite/_pof-spring-2014/_html_de/elektronikwerk-amberg.html

BMBF: Industrie 4.0 – Informationstechnologie für die vierte industrielle Revolution
http://www.bmbf.de/de/9072.php

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