Weisers Visionen sind Wirklichkeit geworden; wir leben bereits in einer solchen Welt, in der Kameras, Mobiltelefone, Haushaltsgeräte und Autos von Computern gesteuert werden. Miniaturcomputer (sogenannte eingebettete Systeme) machen diese Entwicklung möglich. Wirklicher Fortschritt wird jedoch erst dann erreicht sein, wenn diese Miniaturcomputer nicht mehr unabhängig voneinander arbeiten, sondern Informationen in einem Netzwerk austauschen können. Dies wird durch die Fortschritte in der Netzwerktechnologie der letzten zehn Jahre ermöglicht: Angetrieben vom enormen Konsumgütermarkt stehen uns leistungsstarke und erschwingliche technische Geräte für viele Anwendungsbereiche zur Verfügung. Auch die Automatisierungstechnik beginnt, diese Ideen aufzugreifen.
Beispiel für einen Maschinenausfall
Wenn eine Maschine in einem Produktionswerk ausfällt, steht die gesamte Produktionslinie still.
Die Maschine sendet per Bluetooth eine Nachricht an das Smartphone des Bedieners. Dieser begibt sich zur Maschine, führt einige Tests durch und identifiziert den Motor als Ursache. Über das Smartphone erstellt er einen dringenden Wartungs- und Reparaturauftrag, der im Wartungszentrum des Unternehmens eingeht. Dort wird der Maschinenfehler zunächst online diagnostiziert. Anschließend wird (ebenfalls per Smartphone) der Techniker zur Reparatur entsandt. Der Techniker steigt in sein Fahrzeug, gibt die Standortdaten in das Navigationssystem ein und wird per GPS durch das weitläufige Werksgelände zum richtigen Gebäude geleitet. Dort angekommen, übernimmt das Indoor-Positionierungssystem und kommuniziert mit dem Smartphone des Bedieners, um ihn zur defekten Maschine zu lotsen.
Hier verbindet der Techniker sein Tablet drahtlos mit dem Steuerungssystem der Maschine und führt Systemtests durch. Er bestätigt, dass ein Motor ausgetauscht werden muss, fotografiert das Typenschild mit seinem Smartphone und sendet die Informationen an das zentrale Ersatzteillager. Dort wird das passende Teil identifiziert und umgehend versandt. Der Wartungstechniker kann den Weg des Ersatzteils auf seinem Tablet verfolgen und es am Eingang abholen, um die Reparatur an der Maschine durchzuführen. Erneut überprüft er mit seinem Smartphone die Teilenummer und Version über den RFID-Tag, um Probleme im komplexen Zusammenspiel aller Komponenten zu vermeiden. Anschließend startet er das System über sein Tablet und überprüft dessen korrekte Funktion auf dem großen Bildschirm. Nach Bestätigung der erfolgreichen Reparatur schließt er den Wartungsauftrag über sein Smartphone ab und initiiert eine neue Bestellung des Bauteils aus dem Lager. Dabei erfasst er auch die Daten für die Kostenstellenrechnung.
Von der Idee zur Realität
Technisch gesehen ist dies bereits möglich, auch wenn Unternehmen noch weit davon entfernt sind, dies zu erreichen. Der Trend geht jedoch in diese Richtung, wenn auch anders als im Konsumgüterbereich. Industrieunternehmen erwarten von installierten Geräten und Anlagen einen hohen Reifegrad und höchste Zuverlässigkeit. Industrieanwender wollen zudem sicher sein, dass in zehn Jahren ein Ersatz-Smartphone verfügbar ist und nicht (wie derzeit üblich) nach neun Monaten durch ein anderes Modell ersetzt werden muss, das sich möglicherweise deutlich vom Vorgänger unterscheidet. Was im Konsumgüterbereich nützlich ist, ist aber auch im Industriebereich relevant. Im Jahr 2004 wurde eine Gruppe von Vertretern aus Industrie und Wissenschaft gegründet, um die Auswirkungen und Anwendungsbereiche intelligenter Informations- und Kommunikationstechnologien zu diskutieren. Daraus entstand die Idee einer Smart Factory, die 2005 als Forschungs- und Demonstrationszentrum in Kaiserslautern realisiert wurde.
Die SmartFactory-Initiative
Kernstück der SmartFactory ist eine Test- und Demonstrationsanlage, in der ein Flüssigseifenproduktionsprozess mit branchenüblichen Komponenten realisiert wurde. Die Produktionslinie umfasst die Seifenvorbehandlung, das Färben, die Abfüllung und die Etikettierung. Betrieben
wird die Produktionslinie vom Verein „Technologieinitiative SmartFactory KL e.V.“, dem derzeit 15 führende Mitglieder aus Industrie und Wissenschaft angehören. Hauptziel der Initiative ist die Schaffung einer herstellerunabhängigen Test- und Demonstrationsanlage, in der das Potenzial neuer Technologien für den Fabrikbetrieb erforscht und weiterentwickelt werden kann. Dabei geht es nicht darum, Menschen durch Automatisierungstechnik zu ersetzen, sondern vielmehr darum, die Beschäftigten durch Ubiquitous Computing bestmöglich zu unterstützen.
Dieser reale und typische industrielle Produktionsprozess bildet die Grundlage, auf der verschiedene Forschungsdisziplinen ihre Arbeit in Richtung der „Fabrik der Zukunft“ durchführen können.
Digitale Produktspeicher: Zur Steuerung des Abfüllprozesses ist jede Flasche mit einem RFID-Chip (Radiofrequenzidentifikation) ausgestattet, der alle wichtigen Parameter der Bestellung und des Produktionsprozesses enthält. So verfügt jedes Produkt über einen eigenen Speicher. Zukünftig werden „intelligente“ Produkte ihre Umgebung durch M2M-Kommunikation (Maschine-zu-Maschine) beeinflussen und effizientere Fertigungsprozesse ermöglichen.
Drahtlose Kommunikationssysteme verbessern zudem die Flexibilität und Agilität von Fabriken. Installations- und Umbauarbeiten werden reduziert, wenn herkömmliche kabelgebundene Kommunikationssysteme verkleinert werden können. In einem industriellen Umfeld sind die Anforderungen an ein drahtloses Netzwerk jedoch deutlich höher als in anderen Bereichen: Zuverlässigkeit und Sicherheit haben höchste Priorität, weshalb eine sorgfältige Planung und Kontrolle der Funkfrequenzen unerlässlich ist.
Bei kabelgebundenen Verbindungen ist der Standort eines Geräts implizit bekannt.
Werden viele kabelgebundene Verbindungen weggelassen, gewinnt die Maschinenlokalisierung an Bedeutung. Insbesondere bei mobilen Betriebssystemen spielt der Kontext der Betriebssituation eine wichtige Rolle: Manche Anlagen- oder Systemfunktionen lassen sich nur aktivieren, wenn sich der Bediener in der Nähe des Systems befindet. In der SmartFactory wurden drei verschiedene Echtzeit-Ortungs- und Trackingsysteme für Innenräume installiert. Diese unterstützen Wartungstechniker bei der Lokalisierung defekter Geräte oder liefern Bedienern wichtige Daten für spezifische Aufgaben, abhängig vom Standort des Geräts in der Produktionslinie oder innerhalb des Systems.
Selbstkonfigurierbare Automatisierungssysteme stellen einen weiteren Schritt hin zu flexiblen und anpassungsfähigen Fabriken dar. Bis zu einem gewissen Grad können auch „Plug-and-Play“-Mechanismen in Fabriken eingesetzt werden.
Voraussetzung hierfür ist die Entwicklung neuer Standards und abstrakter Modelle der installierten Komponenten.
intelligent werden
Mithilfe moderner Embedded-Systems-Technologien können viele einfache Feldgeräte zu „intelligenten Objekten“ werden und ihre Funktionen innerhalb des Automatisierungsnetzwerks ähnlich wie Webserver bereitstellen. Diese technisch realisierbare Homogenität von Informationen und Funktionen von der Feldebene bis zur Planungsebene wird Veränderungen in den IT-Strukturen von Unternehmen mit sich bringen: Die streng hierarchische Automatisierungspyramide entwickelt sich zu einem konvergenten Netzwerk mit Zugriff auf die verschiedenen Steuerungs- und Planungsebenen. Ähnlich dem „Internet der Dinge“, wo immer mehr physische Objekte in der realen Welt identifiziert und mit ihrer virtuellen Repräsentation in der IT-Welt verknüpft werden, zeichnet sich bereits das Bild einer zunehmend vernetzten und integrierten „Objektfabrik“ ab.
Zukünftig wird IT-Sicherheit wichtiger denn je sein, um die Datensicherheit und die Integrität von IT- und Produktionssystemen vor internen und externen Bedrohungen zu schützen.
Autor:
Detlef Zühlke, Professor und Doktor der Ingenieurwissenschaften, Wissenschaftlicher Direktor, Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz DFKI GmbH, Innovative Factory Systems, Kaiserslautern.
