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25. Mai 2012

Der Industrie 4.0 auf der Spur

Beitrag aus openautomation 3/2012


Auf dem Weg zur intelligenten Fabrik, der über eine intelligente Vernetzung der Produktion führt, wurde die vierte industrielle Revolution ausgerufen. Deutschland hat hier eine gute Ausgangsposition und strebt an, bis 2020 Leitanbieter für Cyber-Physical Systems zu sein.


Spätestens seit Cebit und Hannover Messe 2012 hat der Begriff „Industrie 4.0“ deutlich an Popularität zugelegt. So manch einer mag sich im Zusammenhang mit der „Version 4.0“ fragen, welches genau die ersten drei industriellen Revolutionen waren. Hierzu gibt das deutsche Forschungszentrum für künstliche Intelligenz (DFKI) ein geschichtliches Update:

• 1784 wurde der erste mechanische Webstuhl auf den Markt gebracht. Er war Wegbereiter für die 1. industrielle Revolution, die die Einführung mechanischer Produktionsanlagen mithilfe von Wasser- und Dampfkraft beschreibt.
• 1870 wurde mit dem ersten Fließband die nächste Stufe beschritten, nämlich die Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mithilfe von elektrischer Energie.
• 1969 kam die erste speicherprogrammierbare Steuerung „Modicon 084“ auf den Markt. Durch den Einsatz von Elektronik und IT kam es zu einer weiteren Automatisierung der Produktion, die als dritte industrielle Revolution bezeichnet wird. Gleichzeitig wurde damit ein Teil der Kopfarbeit an Maschinen delegiert.
• Aktuell stehen wir vor dem vierten gewaltigen Umbruch in der Industrie. Dieser erfolgt auf Basis von Cyber-Physischen Systemen (CPS). Gemeint sind damit autonome, selbststeuernde, wissensbasierte und sensorgestützte Produktionssysteme.

Der Industrie-4.0-Start
Zunächst mag man sich fragen: Wer ruft eigentlich eine industrielle Revolu­tion aus? Und wer benennt diese mit „Industrie 4.0“?
Einen wichtigen Part nimmt die Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung ein, die auf eine zukunftsweisende Innovationspolitik abzielt, um die Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Deutschland zu sichern. Entsprechend sollen für die deutsche Wirtschaft bestehende Wachstumspotenziale ausgebaut und neue Perspektiven eröffnet werden. In diesem Zusammenhang gibt es eine Richtlinie zur Förderung „Forschung für die Produktion von morgen“ mit dem Themenfeld „Intelligente Vernetzung in der Produktion“. Hintergrund dabei ist, dass die zunehmende Komplexität der Produktion dazu führt, dass auch die Steuerung der sehr heterogenen Produktionssysteme komplexer wird. Heutige Systeme genügen nicht den künftigen Anforderungen an Wandelbarkeit und Dynamik. Sie erfüllen darüber hinaus nur in Teilbereichen die Anforderungen hinsichtlich der Kommunikationsfähigkeiten von Produktionssystemen über Unternehmensgrenzen hinweg.

Ein entscheidender Lösungsansatz für diese Problematik findet sich in den Technologien des Internets, die eine intelligente Vernetzung ermöglichen. Hier setzt die Förderung zur „Intelligenten Vernetzung in der Produktion“ an. Einen wesentlichen Beitrag dazu leistet das ressortübergreifende Zukunftsprojekt „Industrie 4.0“. In dessen Rahmen soll sich Deutschland – unter anderem gefördert durch Maßnahmen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie – zum Leitanbieter für Cyber-Physische Systeme entwickeln.


Deutschland gut positioniert
Dass Deutschland hier eine Vorreiterrolle einnimmt, hängt damit zusammen, dass es auf dem Gebiet der eingebetteten Systeme weit vorn liegt. Heute arbeiten bereits 98 % der Mikroprozessoren eingebettet, sind also über Sensoren und Aktoren mit der Außenwelt verbunden. Damit ist die nächste Entwicklungsstufe, die CPS, nicht mehr weit: In Cyber-Physischen Systemen vernetzen sich die Mikroprozessoren untereinander und mit dem Internet. So verschmilzt die physikalische zunehmend mit der virtuellen Welt. Smart­phones, Navigationsgeräte oder Mautsysteme gelten als Vorboten dieser vierten industriellen Revolution.
„Cyber-Physical Systems werden die Produktion, Mobilität und Medizinversorgung revolutionieren“, prophezeit ein Positionspapier von Acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften. Zugleich seien sie eine entscheidende Grundlage für ein intelligentes Energiesystem. „Wer die Technologieführerschaft erlangen möchte, muss eine beispiellose Leistung in der Systemintegration vollbringen. Der strategische und wirtschaftliche Nutzen für Deutschland ist enorm, weil wir vor allem bei integrierten IT-Lösungen stark sind“, meint Acatech-Präsident Henning Kagermann. „Allein in der Produktion erschließen Cyber-Physical Systems enorme Effizienzgewinne. Die Fabrik der Zukunft integriert dank CPS Produktion, Zulieferketten und individuelle Kundenwünsche in Echtzeit.“


Die intelligente und ressourcenschonende Produktion

Diverse Forschungsinstitute haben sich des Themas angenommen und forschen auf unterschiedlichen Gebieten. So beispielsweise auch das DFKI. Zum besseren Verständnis für noch nicht Eingeweihte, erläutert Dr. Anselm Blocher, Forschungsbereich Intelligente Benutzerschnittstellen am DFKI, zunächst die Handlungsgrundlagen: „Durch zentrale Paradigmenwechsel in der Industrie verändert sich derzeit die Basis der Produktion. Die klassische, zentral gesteuerte Produktionshierarchie wird durch die dezentrale Selbstorganisation der Produkte abgelöst werden.“ Als Lösungsansatz fügt er an: „Digital veredelt mit Cyber-Physischen Systemen, die die Brücke zwischen dinglicher und digitaler Welt schlagen, werden Produkte zu Smart Products, die den Produktionsprozess aktiv unterstützen. Der schonende Einsatz von Energie und Ressourcen wird dabei zur Randbedingung für einen erfolgreichen Produktionsstandort. Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 verdichtet aktuelle Informatiktrends zur 4. industriellen Revolution.“

Zum besseren Verständnis der Zukunftsthematik zieht er soziale Webdienste, wie Facebook und Twitter, heran, in denen Menschen sich austauschen. Mit Blick auf die intelligente Produktion von morgen zeigt er auf, dass in ähnlicher Weise industrielle Erzeugnisse und Alltagsgegenstände Auskunft über ihren Zustand, über Umgebung, Produktionsprozesse oder Wartung geben – und das entweder auf Nachfrage oder selbsttätig. „Cyber-Physische Systeme machen Produkte kommunikationsfähig und verbinden sie so mit der Datenwelt des Web zu einem ,Internet der Dinge‘“, läutet Dr. A. Blocher den nächsten populären Begriff ein.

Bei der Entwicklung dieser Cyber-Physischen Systeme, die integrierte Speicher- und Kommunikationsfähigkeiten, Sensoren, Aktuatoren und digitale Produktgedächtnisse verbinden, wird in Deutschland bereits auf die Ergebnisse mehrerer erfolgreicher Forschungsprojekte zurückgegriffen, deren Zielsetzung die Erforschung und Nutzung des Technologietrends für innovative Produkte und Lösungen ist. Beispielhaft ist das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Innova­tionsallianz Digitales Produktgedächtnis geförderte Verbundprojekt „SemProM“ (Semantic Product Memory).


Verbundprojekt SemProM
Produkte und ihre Einzelkomponenten werden die zentrale Rolle in Herstellungs- und Logistikprozessen spielen: Sie wissen, welche Bauteile integriert wurden, wie sie transportiert und gelagert werden müssen und sie geben die entscheidenden Signale für den weiteren Produk­tionsprozess, dessen Ablauf in ihrem digitalen Produktgedächtnis gespeichert ist. „Das entstehende Produkt steuert somit den Fertigungsprozess selbst, überwacht über die eingebettete Sensorik die relevanten Umgebungsparameter und löst bei Störungen entsprechende Gegenmaßnahmen aus – es wird gleichzeitig zum Beobachter und zum Akteur. Dabei folgt die Produktion immer dem Takt des Menschen, dessen Eingreifen jederzeit möglich bleibt“, informiert Dr. A. Blocher.

Er weist aber auch darauf hin, dass die Geschäftspotenziale von Industrie 4.0 nicht nur in der betrieblichen Prozessoptimierung liegen, sondern auch in Dienstleistungen für vielfältige Anwendungsbereiche. „Komplementiert wird das ,Internet der Dinge‘ durch das ,Internet der Dienste‘“, erklärt er, „denn Smart Products bieten ihre Fähigkeiten als intelligente Dienste an.“ Diese neue Genera­tion von Produkten könne über das Internet durch Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) eigenständig Informationen austauschen, Aktionen auslösen und sich wechselseitig steuern.

Ansätze für die Effizienzsteigerung beim Ressourceneinsatz liefern dynamisierte, dezentrale Produktionsprozesse. „Ereignisse, wie Störungen im Produk­tionsablauf, differierende Rohstoffqualitäten, Energie- oder Materialengpässe werden durch dezentrale Sensorik erfasst und es wird zeitnah darauf reagiert“, sagt der Experte. Reibungsverluste durch den Informationsfluss über eine zentrale Steuerungseinheit würden minimiert. Der Ressourcenbedarf wird dynamisch ermittelt und geplant. „Ressourcen, wie Wasser, Energie oder Rohstoffe, können ,on demand‘ bereit gestellt und auch abgerufen sowie Überkapazitäten reduziert werden. Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) werden so zum Motor für eine ressourcenschonende Produktion“, weiß Dr. A. Blocher. Damit sei es beispielsweise möglich, nicht nur den ökonomischen, sondern auch den besonderen ökologischen Anforderungen einer CO2-neutralen, energieeffizienten, urbanen Produktion besser gerecht zu werden.


Verbundprojekt Res-Com

Ein erster Baustein auf dem Weg zu ressourcenschonenden Produktions- und Dienstleistungsangeboten ist das BMBF-geförderte Forschungsprojekt Res-Com. Darin werden Szenarien einer kontextaktivierten Ressourcenschonung durch hochvernetzte und integrierte Sensor-Aktuator-Systeme von eingebetteten Systemen bis zu Cyber-Physischen Systemen prototypisch umgesetzt. „Eine große wissenschaftliche Herausforderung, deren Lösung durch die Vorreiterrolle Deutschlands auf dem Gebiet des ,Internet der Dinge‘ in greifbare Nähe gerückt ist“, betont Dr. A. Blocher.

Das digitale Produktgedächtnis, eingebettete Systeme und Softwaredienstagenten bilden die Basistechnologien. „Vernetzt durch Maschine-zu-Maschine Kommunikation treffen verteilte Systeme ganzheitliche Entscheidungen, welche ressourcenrelevante Parameter der Unternehmensleitebene, Anlagenteile und individuelle Produktspezifikationen berücksichtigen“, informiert der Experte und resümmiert: „Ressourcenverschwendung wird zum Anlagenfehler, der sich aufgrund detaillierter Aufzeichnungen – einschließlich deren Entscheidungsgrundlage – in kürzester Zeit dia­gnostizieren lässt.“ Durch eine Standardisierung der Kommunikationsstrukturen könne Ressourcenschonung dabei als Dienstleistung angeboten werden, auf einer Plattform, die Auftraggeber und <>nehmer flexibel miteinander verbindet und Entscheider genauso wie ausführende Techniker im Sinn ressourcenschonenden Handelns begleitet. „Das Ergebnis sind material und energieeffiziente, ressourcenfreundliche Technologien und Prozesse“, erklärt er.


Anpassung der IKT-Strukturen erforderlich
Zentrale Herausforderung für eine produktgesteuerte Herstellung ist die Anpassung der IKT-Strukturen für eine Kommunikation zwischen Datenquellen, Anlagen und Produkten. „Im Lauf ihres Lebenszykluses werden Produkte oftmals untrennbar zu komplexeren Einheiten verschmolzen, definieren einen Vorgang durch physische Nähe oder hängen nur logisch zusammen als Elemente eines Prozesses“, informiert der Experte. Zukünftige IT-Systeme müssten die Kommunikation dieser temporär oder permanent entstehenden Informationskollektive unterstützen und nutzbar machen, um eine umfassende und detaillierte Sicht auf den Einsatz von Ressourcen in assoziierten Vorgängen zu erhalten. „Sie eröffnen nicht nur neuartige Möglichkeiten der Ressourcenschonung bei Automatisierung, Produktion und Wartung, sondern schaffen darüber hinaus die Grundlage für eine ganzheitliche, branchen-übergreifende Betrachtung der kosteneffizienten und verantwortungsvollen Ressourcennutzung“, sagt Dr. A. Blocher weiter.

„Der Res-Com-Ansatz basiert auf einer völlig neuartigen Kerntechnologie, die aus der Komposition aktiver digitaler Produktgedächtnisse und Softwaredienstagenten mit eingebetteter Sensorik und Aktuatorik besteht“, erklärt Dr. A. Blocher. Beispielhaft nennt er den Nutzen von Res-Com bei der Transparenz und Optimierung des Infrastrukturbetriebs im Sinn einer „Energy-Supply-Chain“, beim Materialeinsatz für die Vision einer „Null-Ausschuss-Produktion“ sowie bei der intelligenten Prozessführung, etwa mittels einer Übertragung der aus dem Automobil bekannten Start-Stopp-Automatik in den Bereich der urbanen Produktion. „Aktive Produktgedächtnisse erfassen Ressourcenverbräuche dezentral, bewerten sie und kommunizieren untereinander zur autonomen Optimierung der zugrundeliegenden Prozesse. Res-Com adressiert diese Anforderungen durch eine Vernetzung lokal verteilter, autonomer Systeme mit zentralisierten Strukturen im Sinn der Vision eines ,Internets für Ressourceneffizienz‘, fasst er abschließend zusammen.

Res-Com ist im Juni 2011 gestartet und wird über eine Laufzeit von drei Jahren im Rahmen des Programms IKT 2020 mit einem Volumen von circa
9 Mio. € vom BMBF gefördert.

Weitere Informationen unter
www.dfki.de,
www.res-com-project.org sowie
www.semprom.org.

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