Industrie 4.0. it-production.com Das Online-Magazin für erfolgreiche Produktion. Anbieter Produkte Trends. Sonderteil:

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1 it-production.com Das Online-Magazin für erfolgreiche Produktion gzorgz / industrieblick- Fotolia.com Sonderteil: Industrie 4.0 Anbieter Produkte Trends

2 INDUSTRIE 4.0 Trends & Technologien Die Bedeutung des digitalen Produktgedächtnisses für Industrie 4.0 Bild: SAP Deutschland AG Das digitale Produktgedächtnis entwickelt sich zunehmend aus den klassischen Anwendungsfällen für Produktion und Logistik heraus. Grundsätzlich dient die Speicherung von Informationen am Produkt dem Erfassen von Produkteigenschaften für die Produktion sowie der Erfassung von Produktund Betriebsdaten. So kann etwa ein Werkstück über ein digitales Produktgedächtnis in der einfachen Form eines RFID-Chips verfügen, das die Eigenschaften des zu fertigenden Produktes definiert. Daraus können die Aufgaben der zum Einsatz kommenden Produktionssys- teme abgeleitet werden. In der Logistik kann mithilfe des digitalen Produktgedächtnisses der Fluss eines Werkstücks innerhalb und außerhalb der Produktion verfolgt werden. Immer mehr Unternehmen, insbesondere Hersteller von komplexen Produkten, weiten das Konzept nun auf das Aftermarket- und Service-Geschäft aus: Es gibt zahlreiche Produkte, deren Qualität von den Verhältnissen zum Zeitpunkt der Produktion, wie Wetterbedingungen, Luftfeuchtigkeit oder Temperatur beeinflusst werden. Daher ist die Protokollierung von Zuständen und Eigenschaften in der Produktion von großer Bedeutung für die Behandlung von Wartungs- und Garantiefällen. Darüber hinaus gibt die Protokollierung von Produkt- und Betriebsdaten während des Betriebs eines Produktes wichtige Hinweise für den Techniker, der das Produkt wartet. Zudem kann sie wichtige Hinweise für die Entwicklung neuer Produkte geben. Nicht zuletzt kann das digitale Produktgedächtnis relevante Informationen für den Endkunden liefern, etwa wann das Ende der Lebenszeit eines Produktes erreicht ist. Auch können Neukunden Informationen über ein Produkt erhalten, etwa unter welchen Umweltbedingungen es betrieben worden ist oder welche Teile ausgetauscht wurden. So könnte ein Autokäufer über Smartphone beim Kauf eines gebrauchten Autos Hinweise abrufen, ob es einen Unfall hatte und welche Teile wie oft defekt waren. Um solche Konzepte umzusetzen, reicht der klassische RFID-Chip nicht mehr aus, sondern es bedarf Chips für größere Datenmengen am Produkt. (Timothy Kaufmann, Strategischer Architekt für Industrie 4.0, SAP Deutschland AG & Co. KG ) Simulation und Modellierung komplexer Systeme Bild: GFOS GmbH Stephan Birkmann ist Kundenberater MES bei der GFOS mbh. Ein Kernziel der Industrie 4.0 ist Dezentralisierung. Dieser Gedanke birgt allerdings die Gefahr, dass sich Produktionsbereiche lokal optimieren und bei der Planung das globale Optimum aus dem Auge verloren wird. Um dem entgegenzuwirken, bietet sich der Rückgriff auf ein Bindeglied an, um eine globale Feinplanung nach Geschäftszielen mit den Bedürfnissen einzelner Produktionsbereiche abzustimmen. Grundsätzlich geht es dabei darum, dass viele Aufträge mit unterschiedlichen Prioritäten im Wettstreit um knappe Ressourcen stehen. Diese Rolle der übergeordneten Koordinierungsinstanz können Manufacturing Execution-Systeme (MES) erfüllen. So können globale Ziele wie kurze Durchlaufzeiten mit lokalen Anforderungen etwa zur Rüstoptimierung abgeglichen werden auch unter dem Aspekt von Alternativressourcen. Um globale und lokale Ziele in einem Optimierungslauf berücksichtigen zu können, bietet sich der Rückgriff auf eine mehrstufige Planung an, welche in einer eigenen Simulationsumgebung arbeitet. Auf diese Weise können etwa in der Lösung gfos.mes verschiedene Szenarien durchgespielt, verglichen und bewertet werden. Innerhalb einer Simulationsumgebung können auch iterative Optimierungsverfahren zur Anwendung kommen, um auf Basis globaler Kriterien die Abarbeitungsreihenfolge aller Arbeitsplätze zu definieren. In weiteren Stufen kann dann nach lokalen Optimierungszielen ein immer kleinerer Kreis von Ressourcen betrachtet werden. Nach Auswahl einer Simulation unter Berücksichtigung der globalen Zielsetzung kann dann die Abarbeitungsreihenfolge für den Produktionsbereich festgeschrieben und umgesetzt werden. (Stephan Birkmann) Die Sicht des Fertigungsbetriebs nicht außen vor lassen Je mehr Anbieter, Institute und Medien sich mit Industrie 4.0 beschäftigen, desto vielfältiger und undurchsichtiger wird das Thema. Visionäre Forschungsprojekte, Standardisierungsbestrebungen und erste Umsetzungen malen ein oftmals nebulöses Bild, aber längst nicht alle Innovationen halten das, was sie versprechen. Eine Herausforderung für Softwareanbieter im Produktionsmumfeld und Hersteller von Automatisierungstechnologie gleichermaßen besteht daher darin, Industrie 4.0 für Fertigungsunternehmen greifbarer zu machen. Die Umsetzungsempfehlung ist übergeben und die Plattform Industrie 4.0 offiziell gestartet. Aber damit fängt die eigentliche Arbeit erst an: Schnittstellen müssen standardisiert und der Wildwuchs an Definitionen, Begrifflichkeiten und Deutungen gebändigt und strukturiert werden. Die MPDV Mikrolab engagiert sich in verschiedenen VDI-Arbeitsgruppen zur Vereinheitlichung der Begriffsdefinitionen von MES sowie im MES-D.A.CH-Verband, um die von uns initiierte, standardisierte Maschinenschnittstelle Universal Machine Connectivity for MES (UMCM) auf dem Markt zu etablieren. Mit unserem Zukunftskonzept MES 4.0 stehen wir dafür ein, Industrie 4.0 aus der Sicht eines Fertigungsunternehmens zu beleuchten und beschreiben die Anforderungen an ein Industrie 4.0-taugliches MES. Wir begleiten Produktionsunternehmen auf ihrem Weg zu Industrie 4.0. Doch auch wenn es unser Anliegen ist, Industrie 4.0 für alle Beteiligten greifbar und erlebbar zu machen: Wir raten Betrieben dazu, nicht zwei Schritte auf einmal zu tun, sondern schrittweise in zukunftsfähige Technologie zu investieren. (Jürgen Kletti) Bild: MPDV Mikrolab GmbH Professor Dr.-Ing. Jürgen Kletti ist Geschäftsführer der MPDV Mikrolab GmbH und Vorsitzender im MES- D.A.CH-Verband. 2 IT&Production 9/2013

3 Trends & Technologien INDUSTRIE 4.0 Chancen durch neue Produktionsformen und Geschäftsmodelle Eine Tendenzumfrage zur Perspektive von Industrie 4.0 unter rund 300 Unternehmen hat gezeigt, dass sich bereits über 50 Prozent der Umfrageteilnehmer mit dem Thema befassen. Als branchen- und technologieübergreifende Initiative soll Industrie 4.0 die Rolle Deutschlands als führender Fabrikausrüster weltweit festigen. Dabei steht der gezielte Einsatz verfügbarer Technologien wie Mobile und Cloud Computing, Embedded Systems, RFID sowie Produktionsmanagement- und Engineering-Systeme genauso im Fokus wie die Erforschung und Entwicklung neuer Methoden zum Beherrschen komplexer Fertigungssysteme. Derzeit adressieren erste Forschungsprojekte Aspekte der Vierten Industriellen Revolution, doch auch in der Industrie muss das Thema angegangen werden. Als virtuelle Arbeitsplattform für produktionsnahe Informationstechnik, Maschinen- und Anlagenbau- sowie Automatisierungstechnik steht seit Anfang April 2013 die Plattform Industrie 4.0 zur Verfügung. In der Organisation konzertieren Bitkom, ZVEI und VDMA ihre Ressourcen. Dazu unterstützen der industriell geleitete Lenkungskreis und Vorstandskreis sowie der wissenschaftliche Beirat die Weiter- entwicklung des Zukunftsprojektes. Denn die Gestaltung zukunftsweisender Technologien und Prozesse stellt für alle drei Verbände ein Thema dar, das kontinuierlich behandelt werden muss. Dabei steht auch der Blick auf neue Märkte, Produkte und Geschäftsmodelle im Umfeld von Cyber-Physical Systems (CPS) im Zusammenspiel mit der Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung auf der Agenda. Allerdings wird die Entwicklung intelligenter Erzeugnisse und Systeme anfangs eine höhere Dynamik aufweisen als die Nutzung veränderter Produktionstechnologie. Wenn hier Maschinenbau, Automation und Informatik zusammenfinden, können Synergien für neue IT-basierte Geschäftsmodelle entstehen. Und das wird Industrie 4.0 zunächst stärker treiben als die Frage, wie die Produktion revolutioniert werden kann. Aktuell werden in der Plattform Arbeitsstrukturen zu zentralen Themen wie Standardisierung, Sicherheit oder Forschung aufgebaut. Eine zentrale Aufgabe stellt dabei dar, zu entscheiden, in welchen Bereichen Kooperationen angestrebt werden sollen und eigene Aktivitäten im Vordergrund stehen. Dabei ist auch eine kritische Prüfung zielführend, da das Schlagwort Industrie 4.0 derzeit als Vehikel für unterschiedlichste Interessen genutzt wird. (Rainer Glatz) Bild: VDMA e.v. Rainer Glatz ist Leiter der Geschäftsstelle der Plattform Industrie 4.0 sowie Geschäftsführer der Fachverbände Elektrische Automation und Software im VDMA. Achtung, Neuland: Industrie 4.0 und internetbasierte Dienstleistungen Bild: Acatech Henning Kagermann, Leiter der NPE, Arbeitskreis Industrie 4.0, bei Acatech Deutsche Akademie der Technikwissenschaften Kaum zwei Jahre ist es her, als in der Forschungsunion das Konzept Industrie 4.0 aufkam und der gleichnamige Arbeitskreis zusammentrat. Heute ist Industrie 4.0 ein wirtschaftspolitisches Leitthema. Zu Recht, denn Industrie 4.0 bringt einen chancenträchtigen technologischen Umbruch auf den Punkt. Damit aus der Begeisterung des Aufbruchs kein flüchtiger Hype erwächst, brauchen wir Offenheit, Ausdauer und Kooperation. Industrie 4.0 und die damit verknüpften internetbasierten Dienstleistungen sind ebenso revolutionär wie anspruchsvoll: Wir betreten in vielerlei Hinsicht Neuland. In der Industrie 4.0 verschmelzen die physische Welt der Produk- tion und die digitale Welt der IT. Menschen, Maschinen und Dinge kommunizieren bruchfrei wie in einem sozialen Netzwerk. Das einzelne Produkt bestimmt seine Fertigung in einer hochflexiblen Produktionslandschaft. Im Ergebnis soll die individuelle Fertigung zu den Kosten der Massenware und die bruchfreie Integration ganzer Wertschöpfungsnetzwerke stehen. Die Verbände Bitkom, ZVEI und VDMA eröffneten gemeinsam die Plattform Industrie 4.0 eine der zentralen Umsetzungsempfehlungen des Arbeitskreises. Acatech koordiniert den wissenschaftlichen Beirat der Plattform. Auch der Bundestag hat sich im Juni mit Verve hinter das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 gestellt. Wir haben also den Rückhalt und die Strukturen, um den Weg ins vierte industrielle Zeitalter konsequent zu gehen. Man kann Unternehmen nur ermuntern: Nutzt die Chance, engagiert euch in der Plattform. Dort können wir bei zentralen Themen wie Normung, Standardisierung oder Sicherheit vorankommen und die vorwettbewerbliche Forschung orchestrieren. Alle werden profitieren, wenn wir das notwendige Klima schaffen: eine Kultur der Kooperation, der Neugierde, der Offenheit und des ganzheitlichen Denkens. Industrie 4.0 integriert Wertschöpfungsnetzwerke: von der Zu- lieferung über die Produktion, Logistik bis zur Wartung und zum Recycling. Daraus resultieren riesige Datenmengen. Intelligent verknüpft und analysiert ermöglicht das daraus generierte Wissen neue Dienstleistungen. Wir werden Geschäftsanwendungen sehen, die Dinge, Daten und Dienste bruchfrei miteinander kombinieren und zu individuellen Paketen zusammenstellen. Auch Prozesse wie Komponentenherstellung oder Ersatzteillieferung lassen sich durch diese Services optimieren. Industrie 4.0 steht deshalb für ein neues Prinzip des Wirtschaftens: Wirtschaftswachstum wird künftig verstärkt durch neue Geschäftsmodelle in einem internetbasierten Dienstleistungssektor entstehen. Das zweite Zukunftsprojekt der BMBF-Forschungsunion, Internetbasierte Dienste für die Wirtschaft, wird dieses Prinzip näher ausleuchten. Ein Arbeitskreis unter dem Co-Vorsitz von Acatech und Accenture trat schon Ende März zusammen. Das Projekt folgt der Strategie, High-Tech vom industriellen Kern aus denken. Mit dieser Philosophie ist Deutschland bisher gut gefahren. (Hennig Kagermann) IT&Production 9/2013 3

4 INDUSTRIE 4.0 Trends & Technologien Ökosystem aus Mensch, Maschine und Software Bild: Psipenta Software Systems GmbH Immer individuellere Kundenwünsche führen zu einer sehr hohen Variantenvielfalt, immer häufiger muss in Stückzahl 1 produziert werden. Wirtschaftlich wird dies nur durch kleinere, agile Einheiten und die Zusammenarbeit bis hin zur gemeinsamen Wertschöpfung verschiedener Firmen realisierbar sein. Das hat weitreichende Auswirkungen auf Unternehmensabläufe, die nur bewältigt werden können, wenn Herstellungsprozesse bis auf die Automatisierungsebene integriert werden. Gleichzeitig spielt local content eine größere Rolle bei der Eroberung von Auslandsmärkten. Zur Bewältigung dieser Anforderungen in Produktionssteuerung und Unternehmensführung bedarf es einer effizienten Vernetzung aller Standorte und Wertschöpfungspartner einschließlich der eingesetzten Softwaresysteme. Zudem bedingt das rückläufige Erwerbspersonenpotenzial neben steigendem Automatisierungsgrad veränderte Interaktionskonzepte: Anwendungen im Produktionsumfeld müssen stärker auf den Anwender ausgerichtet werden. Das bedeutet auch, dass eine große Menge an Informationen situativ gefiltert und präsentiert werden muss. Integrative Entwicklung von Produkt und Produktion Um diesen Anforderungen begegnen zu können, sollen Produktionssysteme bald durch sogenannte cyber-physikalische Systeme (CPS) geprägt sein. Eine der wesentlichen Eigenschaften dieser CPS ist die fortgeschrittene Vernetzung der Produktionssysteme über Internet-Standards. Dabei kommunizieren neben Maschinen zunehmend auch Werkstücke und Produktionstechnik. Dieses agile Zusammenwirken in Smart Factories erlaubt die flexible Umkonfiguration der Produktionssysteme. Man spricht von Production as a service. Ein zentraler Erfolgsfaktor dafür ist die integrative Entwicklung von Produkten und Produktionssystemen. Das bedeutet zuerst, dass die interdisziplinäre Zusammenarbeit, vom Produktentstehungsprozess bis zur Entwicklung der Produktionstechnik, auf ein neues Niveau gehoben werden muss. Neben der Schaffung sozio-technischer Voraussetzungen muss auch die IT-Integration vorangetrieben werden, was technische Standards und Organisationsmodelle erfordert. Denn agile Produktionssysteme erfordern agile, dezentrale Softwaresysteme zur Planung, Simulation und Steuerung. Solche hochauflösenden Produktionsregelungssysteme nutzen riesige Sensorik-Datenmengen. Diese Big Data -Informationen müssen kontextspezifisch aufbereitet werden, um eine zielgerichtete Beeinflussung der aktuellen Produktionsparameter zu gestatten: Die erhobenen Daten steuern den Prozess und unterstützen die Ausregelung von Störungen in Echtzeit. Doch das Eco-System Industrie 4.0 besteht nicht nur aus agilen Fabriken. Es geht darum, Menschen hochwertige und kreative Arbeit verrichten zu lassen und ihm eine flexible Balance zwischen Arbeit und Freizeit zu ermöglichen. Industrie 4.0 muss daher als gesamtgesellschaftliches Konzept verstanden werden, bei dem der Mensch im Mittelpunkt steht. Gleichzeitig rückt die urbane Produktion näher an die Wohnungen. Das wird andere Logistikkonzepte für die Produktion bedingen. (Karl Tröger, Head of Product Management bei der Psipenta Software Systems GmbH) Bild: Freudenberg IT 15 Prozent der deutschen Fertiger setzen auf selbststeuernde Produktionsprozesse In Deutschland arbeiten derzeit 15 Prozent aller mittelständischen Fertigungsunternehmen mit dezentral vernetzten, selbststeuernden Produktionsprozessen. Dies geht aus einer aktuellen Umfrage der Marktforschungsund Beratungsfirma Pierre Audoin Consultants (PAC) im Auftrag der Freudenberg IT hervor. Die deutschen Early Adopters von Industrie 4.0 sind vor allem unter Automobilzulieferern mit einer Unternehmensgröße plus 500 Mitarbeiter zu finden. Wohl auch deshalb, weil der Wettbewerb die schnelle Umsetzung von Kundenanforderungen und bedarfssynchrone Produktion verlangt, kommentiert Freudenberg IT-CEO Horst Reichardt die Studienergebnisse. Für die Untersuchung befragte das Marktforschungsinstitut rund 140 IT-Entscheider und Produktionsleiter von mittelständischen Fertigungsunternehmen. Knapp 60 Prozent aller Befragten setzen demnach IT-basierte Automatisierungslösungen ein. Mit 69 Prozent nutzen mehr als zwei Drittel IT-Lösungen zur Fernwartung ihrer Anlagen und Maschinen. Gut die Hälfte verfügt zudem über einen intelligenten Anlagenpark. Der bloße Einsatz von IT-Systemen in der Produktion ohne dezentrale Vernetzung führt noch nicht zu Industrie 4.0, gibt Stefanie Naujoks, Analyst für Project Services and Manufacturing Markets bei PAC, zu bedenken. Obwohl 80 Prozent der Befragten angeben, dass ihre Produktion effizienter und flexibler werden muss, sehe erst eine Minderheit das Potenzial von Industrie 4.0 zur Effizienzsteigerung und Kostenreduktion. Im Interesse einer nachhaltigen Wettbewerbsfähigkeit sollten die IT-Verantwortlichen mit den Fachbereichen in der Produktion und benachbarten Disziplinen Einsatzszenarien von Industrie 4.0 Technologien prüfen, sagt die Beraterin. Wissenswertes zu Industrie 4.0 Das Thema Industrie 4.0 betrifft die Erforschung, Entwicklung und Fertigung von Produktionstechnologie genauso wie die Steuerung komplexer, industrielle Prozesse. Die zahlreichen Facetten dieser Entwicklung reichen von der Etablierung autonomer Cyber-Physical Systems über digitale Engineeringprozesse bis zum Einsatz von Software für Produktionsmanagement und Lieferkettenabstimmung. Durch den Fokus auf IT-Technolgie gewinnt auch die IT-Sicherheit an Bedeutung für Produzenten. Um dieser breiten Themenpalette Rechnung tragen zu können, gibt das Online- Portal der IT&Production als Ergänzung zur gedruckten Ausgabe mit Kommentaren, Meldungen und Hintergrundberichten einen breiten Überblick zum Thema. 4 IT&Production 9/2013

5 Trends & Technologien INDUSTRIE 4.0 Auf dem Weg zum High Resultion Supply Chain Management Bild: FIR e. V. an der RWTH Aachen Im Enterprise-Integration Center (EICE) des FIR an der RWTH Aachen werden zukünftig Prototypenteile der Karosserie des Elektrofahrzeugs Streetscooter sowie ein Pedelec-unterstütztes E-Kart in Vorserie produziert. Gesteuert wird die Forschungsfabrik durch drei gekoppelte Enterprise Resource-Planning-Systeme (ERP), die Auftragsdaten automatisieren und in Echtzeit via my Open Factory austauschen. Um die Vision eines High-Resolution Supply-Chain Management im Zeitalter von Industrie 4.0 umsetzen zu können, stehen folgende Forschungsziele im Vordergrund: Horizontale und vertikale Integration für überbetrieblich koordinierte Auftragsabwicklungs- und Planungsprozesse Klare Information aller Planungsebenen, sowohl über- als auch innerbetrieblich Flexible Anpassung durch dezentrale, selbstoptimierende Regelkreise Auf Ist-Daten beruhende Planung und Regelung Im Fokus der Forschungsprojekte stehen Handlungsfelder der High-Tech-Strategie und insbesondere von Industrie 4.0. Im Rahmen des Forschungsvorhabens Wandlungsfähige Produktionssysteme durch integrierte IT-Strukturen und dezentrale Produktionsplanung und -steuerung (WIND) konnte bereits in einem Demonstrator die Standardisierungslücke zwischen den betrieblichen Anwendungssystemen ERP, MES und PDM geschlossen werden. Um die Integration über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg zu gestalten, kommen zum einen Technologien für intelligente Werkstücke, wie Electronic Product Codes (EPC) und RFID zum Einsatz, die mit der Software verknüpft werden. Zum anderen wurden standardisierte Verfahren zur überbetrieblichen Datenübertragung (EDI) sowie standardisierte Schnittstellen zur innerbetrieblichen Datenübertragung und Konzepte zur Datensicherheit präsentiert. Auch die Forschungsprojekte Prosense und Smart.NRW bauen thematisch auf diese Grundlagen auf. Um diese Zusammenhänge zu erforschen arbeitet das Institut eng mit Produktionsunternehmen sowie Anbietern von industriellen Dienstleistungen und IT-Lösungen zusammen. Hierfür werden die ERP-Systeme AP plus der Asseco Solutions AG, IT.Manufacturing der Itelligence AG auf Basis SAP ERP und Psipenta der Psipenta Software Systems GmbH als dreistufige Supply-Chain in der Produktionsumgebung am Campus integriert. Auch Technologien wie Visual Assembly für die Verknüpfung von Konstruktion und Montage stehen zur Verfügung. Parallel fokussieren die Innovation-Labs die virtuelle Inbetriebnahme von IT-Systemen, experimentelle und anwendungsorientierte Forschung sowie Visualisierungen und Demonstrationen. Organisatorische Fragestellungen etwa die Auswirkung von Kommunikation auf die Produktivität können anhand empirischer Daten abgesichert werden. Die anwendungsorientierte Forschung unterstützt so auch die Entwicklung von Konzepten zu Themen wie Industrie 4.0 und die notwendige Integration unterschiedlicher Technologien. Durch die Visualisierungs- und Demonstrationsumgebung erhalten Partner des Instituts die Möglichkeit, Entwicklungen im Produktionsumfeld zu testen, zu optimieren und zu präsentierten.. (Ulrich Brandenburg, FIR an der RWTH Aachen) Bild: Fraunhofer-Institut IAO Mobile Kommunikation für flexiblen Ressourceneinsatz Mit Industrie 4.0 halten das Internet, Smartphones und mobile Kommunikation Einzug in die Produktionshallen. Im Herbst 2012 startete vor diesem Hintergrund Kapaflexcy als erster Beitrag zum Zukunftsprojekt Industrie 4.0. Im Fokus steht, mobile Kommunikationslösungen zu entwickeln, um Personalkapazitäten zusammen mit den Mitarbeitern flexibel zu steuern. Eine wesentliche Herausforderung für das Projekt wird die Verbindung der Anwendungsfälle in einem cyber-physischen System (CPS) sein. Am Projekt beteiligen sich derzeit die Partner Fraunhofer IAO, Universität Stuttgart IAT, Borgwarner Beru Systems, Bruker Optik, Flughafen Stuttgart, Introbest, Kaba, SAP, Seca sowie Trebing & Himstedt. Mit dem Projekt Kapaflexcy sehen wir eine Möglichkeit, den zukünftigen Anforderungen an eine flexiblere Produktion ein wesentliches Stück näher zu kommen. Speziell mobile Anwendungen im MES-Umfeld werden unserer Ansicht nach stark zunehmen, sagt Trebing & Himstedt-Geschäftsführer Steffen Himstedt. Für interessierte Unternehmen besteht ab September 2013 die Möglichkeit, in einem projektbegleitenden Industriearbeitskreis in einen fundierten Erfahrungsaustausch einzutreten. System-Zusammenspiel unterstützt intelligente Produktion Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert die Entwicklung intelligenter Produktionssysteme im Rahmen des Forschungsprojektes Cypros unter dem Dach des Projektträgers Karlsruhe (PTKA). Ziel ist es, cyber-physische Systeme (CPS) in die industrielle Produktion zu integrieren und zur Marktreife zu entwickeln. Die erste Stufe des dreistufigen Projektes soll eine Referenzarchitektur sowie ein repräsentatives Spektrum an Systemmodulen für Produktions- und Logistiksysteme entwickeln. Darauf aufbauend geht es um die Bereitstellung universeller Vorgehensweisen, Hilfsmittel und Plattformen. Abschließend soll die technische und methodische Basis für den wirtschaftlichen Betrieb solcher Produktionssysteme in einer Schaufensterfabrik geschaffen werden. Im Rahmen des Teilprojekts Technische Realisierung und Integration der Initiative engagiert sich Salt Solutions dafür, die Abstimmung der Fertigungs- und Montageeinheiten der CPS mit IT-Lösungen zur Steuerung und Planung des Produktionsprozesses zu integrieren. Als Ergebnis sollen produzierende Unternehmen künftig ihre Produktionskapazitäten auch lieferkettenübergreifend effizienter planen können. Bild: Salt Solutions GmbH IT&Production 9/2013 5

6 INDUSTRIE 4.0 TRENDS UND TECHNOLOGIEN Cyber Physical Systems: Die Vision wird konkret Bild: DFKI GmbH Um digitale Funktionen erweiterte Automatisierungskomponenten oder cyber-physikalische Systeme können im Zusammenspiel ein Netzwerk aus smarten, dezentral verteilten Objekten bilden. Doch eine höhere Informationsverfügbarkeit bringt nur dann Effizienzsteigerung, wenn Prozessoptimierung auf organisatorischer Ebene angestoßen wird. Ein Kerngegenstand von Industrie 4.0 ist das intelligente Produkt, das seine eigene Produktion steuert. Anstatt fertigungsrelevante Daten zentral, etwa in einer SPS, vorzuhalten, trägt das Produkt die für seine Produktion benötigten Informationen in einem digitalen Gedächtnis mit sich, etwa in Form eines Datenträgers mit Data Matrix Code oder RFID-Transponder. Dieses digitale Produktgedächtnis wird in einem einheitlichen Datenformat gespeichert, das unternehmens- und domänenübergreifend ausgelesen werden kann. Zur Realisierung dieses Konzepts eignet sich das im Rahmen des BMBF-Projekts Semantic Product Memory (SemProM) entwickelte Object Memory Model (OMM). Neben der Hinterlegung von Auftrags- und Produktparametern erlaubt es die Speicherung aller Schritte des Produktlebenszyklus. Das Produkt führt sozusagen Tagebuch. Verteilte Steuerungssysteme durch Serviceorientierung Dies gestattet die Verteilung von Steuerungsaufgaben auf kleinere Steuerungseinheiten, beispielsweise für die lokale Ansteuerung von Feldgeräten oder Baugruppen, und bietet so eine flexible Alternative zu hierarchischen Steuerungsansätzen in der Automatisierung. Insbesondere das Paradigma der Serviceorientierung scheint geeignet, um mechatronische Funktionen von Komponenten zu Services zu kapseln, die über standardisierte Schnittstellen zur Verfügung gestellt und zu höherwertigen Services oder Prozessabläufen kombiniert werden können. Dieser Ansatz macht es möglich, den Produktionsprozess flexibel aus verfügbaren Services zusammenzustellen, andererseits erlaubt er den interoperablen Zugriff übergeordneter Steuerungsebenen für eine vertikale Integration. Dass die Umsetzung entsprechender Steuerungssysteme möglich ist, zeigt die Demonstrationsanlage der SmartFactoryKL am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), in der intelligente, eingebettete Systeme, über Internettechnologien und auf IP-Basis kommunizieren. Zur Integration wurde eine Verpressstation nach dem Plug&Play-Prinzip konstruiert: Die Station kann mit wenigen Handgriffen entnommen und durch eine andere Komponente ersetzt werden. Diese bringt ihre Steuerungsintelligenz auf einem Mikrokontroller mit, meldet sich automatisch im Anlagennetzwerk und kann in den Prozessablauf integriert werden. Um das Potenzial serviceorientierter Steuerungssysteme und Rekonfigurationsmechanismen nach dem Plug&Play -Prinzip ausschöpfen zu können, muss auch das Auffinden, Auswählen und Orchestrieren der gekapselten mechatronischen Funktionalitäten automatisiert werden. Erst semantische Technologien machen es möglich, die Bedeutung der Schnittstellen- und Funktionsbeschreibung in einer maschinenverständlichen Art und Weise zu hinterlegen. Die so ermöglichte, dynamische Orchestrierung von Services, die durch die Feldgeräte und Baugruppen der Produktionsanlage angeboten werden, basiert auf einem logischen Fähigkeitsabgleich, dem sogenannten semantischen Matchmaking. Diese Methodik wurde in der Demonstrationsanlage implementiert, um den Prozessablauf zur Steuerung der Anlage flexibel an Fertigungsvarianten und Komponentenausfälle anpassen zu können. Verbindung von realer und digitaler Welt Bereits heute laufen Produktionsplanung und -betrieb weitgehend virtuell ab. Die dazu verfügbaren IT-Werkzeuge, von Manufacturing Execution-Systemen (MES) und Enterprise Resource Planning-Software (ERP) bis zu CAX, die unter dem Oberbegriff der Digitalen Fabrik zusammengefasst werden, sind auf aktuelle und konsistente Daten angewiesen. Im Hinblick auf die betriebsparallele und prädiktive Simulation und Optimierung kann durch die direkte Synchronisierung mit CPS die bestehende digitale Lücke verringert und überwunden werden. Digitale Werkzeuge gestatten so die Simulation und Optimierung real ablaufender Prozesse auf Basis feingranularer Echtzeitinformationen. Technische Prozesse können dann vom ersten gefertigten Produkt an in ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben werden. Die deutsche Industrie befindet sich bereits seit einiger Zeit auf dem Weg zur vierten Industriellen Revolution. Doch die Verfügbarkeit von Komponenten und Dienstleistungen über das Internet führen nicht per se zu optimierten Abläufen in der Produktion. Dazu ist auch ein kreativer Akt gefragt, der den Dialog zwischen den Akteuren aus den Disziplinen der Automatisierungstechnik, Produktionstechnik, Maschinenbau und Informatik erfordert. Die bereits von der Mechatronik benötigte Interdisziplinarität wird in Industrie 4.0 nochmals um die Bereiche der Anwender und des Prozesswissens erweitert. Industrie 4.0 bietet enorme Chancen für die deutsche Industrie sowohl auf Anbieter- als auch auf Anwenderseite jedoch auch massive Herausforderungen. Profiteure dieser Entwicklung werden diejenigen Unternehmen sein, welche es verstehen, die durch neue Technologien eröffneten Möglichkeiten in nutzbringende Prozesse, Produkte und Mehrwertdienste umzusetzen. Die Autoren: Dr.-Ing. Jochen Schlick, stellvertretender Forschungsbereichsleiter, Dr.-Ing. Matthias Loskyll, Senior Researcher und Teamleiter sowie Dipl.-Ing. Dominic Gorecky, Researcher und Teamleiter, arbeiten am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) im Bereich Innovative Fabriksysteme. 6 IT&Production 9/2013

7 Zuverlässig, auch wenn es mal rau zugeht: SIMATIC RF600

8 INDUSTRIE 4.0 CLOUD COMPUTING Vernetzung und Cloud Computing Automation wird komplexer Bild: VDI Verein Deutscher Ingenieure e.v. Die Automation wird derzeit geprägt von der zunehmenden Vernetzung von Komponenten und Software. Der nächste Schritt auf dem Weg in zukunftsfähige Produktionssysteme besteht darin, globale Netze für automatisierungstechnische Anwendungen zu nutzen. Doch eine offene Kommunikation birgt neben Chancen auch Risiken. Der Einzug der Cloud in die Automatisierung kommt. Das bestätigen auch zahlreiche Fachstimmen auf dem 14. VDI-Kongress Automation, der Ende Juni 2013 in Baden-Baden stattfand. Doch bislang nutzen nur rund die Hälfte der deutschen Unternehmen Cloud Computing, und das auch nur in wenigen Bereichen. Insgesamt steht zu erwarten, dass der Einsatz in der Automation erst in rund fünf Jahren selbstverständlich wird. Immerhin stellt der Rückgriff auf weltweite Informationssysteme die Voraussetzung für die weitere Entwicklung der industriellen Produktion in Richtung Industrie 4.0 dar. Am Standort Deutschland soll dies zu einer flexiblen und nutzerorientierten Automation führen. Die Bewegung hin zu Cyber Physical Production Systems stellt nachhaltig die Weichen: Durch das Speichern und das Zugreifen auf Produktions- und Produktdaten über cloudbasierte Architekturen stehen Daten auch mobil zur Verfügung und sorgen in passender Aufbereitung für eine stärkere Unterstützung des Nutzers. Das belegt auch die Umfrage Automation (in the) Cloud?, welche die VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) im Mai 2013 unter 275 Mitgliedern durchgeführt hat. Über 60 Prozent der befragten Experten sehen demnach die zentrale Datenhaltung als größten Nutzen der Cloud an, gefolgt von der Effizienz bei der Nutzung von Speicher- und Rechenkapazitäten sowie der einfachen Wartung von Software. Doch die weltweite Vernetzung kann auch dazu dienen, das Service-Geschäft weiter zu stärken, und so zu einem zentralen Wirtschafts- und Wettbewerbsfaktor werden. Die Umfrageteilnehmer rücken dementsprechend auch Störungsauswertung, Diagnose und Dokumentation in den Vordergrund. Gleichzeitig zeigt sich die Entwicklung, dass Funktionalitäten in den Komponenten der Automatisierungstechnik zunehmend über Software implementiert werden. Die Abwicklung automatisierter Prozesse über das Netz kann also auch im Umfeld der Fabrikhalle für Effizienz, Zeitersparnis und auch für Anlagensicherheit sorgen. Die sich abzeichnenden Veränderungen in der Automation führen aber gerade bei kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) auch zu Verunsicherungen. Darauf weist etwa Professor Dr.-Ing. Detlef Zühlke, Wissenschaftlicher Direktor Innovative Fabriksysteme am DFKI Kaiserslautern, hin: Der Beratungsbedarf ist groß, da grundsätzlich keine pauschalen Antworten gegeben werden können. Daher benötigen wir in Deutschland auch auf regionaler Ebene Anlaufstellen, die Auskunft und Beratung geben können. Dabei gilt es, auch auf die spezifischen Fragen für die betriebliche Praxis einzugehen. Dennoch glauben knapp zwei Drittel der Befragten an den Erfolg der Cloud in der industriellen Automation. Von den Umfrageteilnehmern aus Entwicklung und Produktion erwarten sogar 70 Prozent, dass die Cloud kommen wird. Mensch-Maschine-Kommunikation als zentraler Faktor Grundsätzlich geht der sinnvolle Einsatz von Informationstechnologie im Produktionsumfeld jedoch weit über die Frage nach der passenden Technologie hinaus. Denn sowohl automatisierte Anlagen als auch Produktionssysteme werden komplexer gleichzeitig wird die zur Verfügung stehende Informationsmenge deutlich größer. Vor diesem Hintergrund gewinnt neben dem zunehmenden Automatisierungsgrad und der passenden Infrastruktur für den Informationsaustausch aus Sicht der Anwender auch die Mensch-Maschine-Kommunikation an Bedeutung. Die Mitglieder der GMA schätzen diese Entwicklung aktuell sogar als zweitwichtigstes Erfordernis der Automation ein. 8 IT&Production 9/2013

9 CLOUD COMPUTING INDUSTRIE 4.0 Datensicherheit wirft zahlreiche Fragen auf Einen weiteren, wesentlichen Faktor für den Erfolg cloudbasierter Lösungen stellt die Datensicherheit dar. Einen Beleg für die Aktualität dieser Thematik liefern nicht zuletzt die jüngst im breiten Maße auch von Publikumsmedien aufgegriffenen nachrichtendienstlichen Tätigkeiten der Dienste NSA sowie GCHQ aus den USA und Großbritannien. Zu den Risiken, die Anwender mit Cloud Computing verbinden, zählen unzureichende IT-Sicherheit und der Umgang mit sensiblen Daten. Das spiegeln auch die Nennungen der Umfrageteilnehmer wider. Erst mit deutlichem Abstand werden Risiken aufgrund von Zuverlässigkeitsproblemen wegen Verbindungsausfall sowie rechtliche Probleme je nach Standort der Cloud genannt. Handlungsbedarf besteht hier sowohl aus technischer als auch organisatorischer Sicht. Die GMA stellt vor diesem Hintergrund die Richtlinie VDI/VDE 2182 Informationssicherheit in der industriellen Automation zur Verfügung. Das Dokument beschreibt in sechs Blättern das grundsätzliche Vorgehen zwischen Betreiber, Integrator und Hersteller von Automatisierungskomponenten. Die Cloud-Nutzung steigt in kleinen Schritten Zwar wird die Nutzung der Cloud steigen, dennoch sind längst noch nicht alle Unternehmen dabei, die Technologie für sich zu nutzen. Die Aussagen von Anwendern, die bereits auf Online-Technologie setzen, zeichnen ein eher positives Bild: Lediglich sechs Prozent der Befragten geben an, durchweg schlechte Erfahrungen mit der Cloud gemacht zu haben. Der überwiegende Teil kann sowohl auf gute als auch schlechte Erfahrungen zurückblicken. Fast ein Viertel der Befragten verweist auf durchweg gute Erfahrungen, auch wenn sich durch den Cloud-Einsatz nicht alle Erwartungen erfüllt haben. Weltweit agierende Anwender haben durchschnittlich bessere Erfahrungen gemacht. Insgesamt überwiegt die Zufriedenheit. Gerade die Verfügbarkeit von Informationen an jedem Ort zu jeder Zeit überzeugt. Doch auch wenn entsprechende Dienstleistungsangebote vielfach positiv bewertet werden, sind sowohl seitens der Anbieter als auch der Anwender-Unternehmen noch große Potenziale zu erheben. Zu den Bereichen, die noch deutliche Verbesserungen erfordern, werden der Einsatz der Cloud als Entwicklungsund Arbeitsplattform, die Software als Dienstleistung und die Cloud als beliebig großer Speicherplatz genannt. Dabei spielt der Einsatz von sogenannten Smart Devices, also Tablet-PC Cloud Computing als Motor für Dienstleistungen: Neben dem Patchmanagement wird Wachstumspotenzial durch den Einsatz entsprechender Technologie vor allem im Bereich Wartung, Instandhaltung und Ressourcenmanagement gesehen. und Smartphone, noch eine eher geringe Rolle. Lediglich diejenigen, die weltweit tätig sind, setzen Tablet und Smartphone überdurchschnittlich viel in der Cloud ein. Immerhin elf Prozent der Befragten nutzen das weltweite Netz und zentralisierte Speicherstrukturen über ihr Leit- oder Automatisierungssystem. Industrielle Automation vor dem Umbruch Industrie 4.0 stellt eine der nächsten Stufen der industriellen Automation dar. Wenn der Standort Deutschland von der Annäherung zwischen Automation, Elektronik sowie Informationsund Kommunikationstechnik profitieren soll, Bild: VDI Verein Deutscher Ingenieure e.v. Dass sich die Cloud im Umfeld der Automation durchsetzen wird, glauben 63 Prozent der Teilnehmer der aktuellen GMA-Umfrage 'Automation (in the) Cloud?'. Bild: VDI Verein Deutscher Ingenieure e.v. spielt auch das Zusammenspiel mit der Cloud eine wesentliche Rolle, um das steigende Informationsvolumen für Betriebe nutzbar zu machen. Diese Entwicklung betrifft neben wirtschaftlichen Aspekten auch die Rolle und die Aufgaben der Mitarbeiter im Produktionsumfeld: Menschen werden langfristig dank der zunehmenden IT-Unterstützung höherwertige Arbeiten verrichten als heute. Der Autor Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp ist Geschäftsführer der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA). IT&Production 9/2013 9

10 INDUSTRIE 4.0 INTEGRATED INDUSTRY Fusion von Produktion und IT Die vernetzte Fabrik Bild: Inqu Informatics/ matspersson0, istock.com Die internetbasierte Digitalisierung der Fertigung schreitet voran. Zusammen mit der Herausforderung, Daten aus Automation, Leitsystem und Lieferkette unter einen Hut zu bringen, steigen bei dieser Entwicklung hin zur Industrie 4.0 auch die Anforderungen an die Sicherheit in immer umfassenderen Produktionsnetzwerken. Mittels computergesteuerter Produktionsprozesse konnte die verarbeitende Industrie in den letzten Jahrzehnten ihre wirtschaftliche Leistungsfähigkeit enorm steigern. Mittlerweile sind Fertigungsprozesse hochautomatisiert, gleichzeitig schreitet die internetbasierte Digitalisierung voran. So ist die finale Fusion von Produktion und IT das Trend-Thema der Branche. Begriffe wie Industrie 4.0 oder Integrated Industry bezeichnen die branchenübergreifende, digitale Vernetzung aller Bereiche der Industrie und damit die Chance auf eine historische Technologiezäsur. Im Zeitalter der Smart Factory soll dann die gesamte Fabriksteuerung von der Automatisierung über produktionsnahe IT bis zur Unternehmenssoftware über das Internet laufen. Dabei bleiben kürzere Innovationszyklen und ein Maximum an Flexibilität bei gleichzeitig steigender Individualisierung von Produkten in einer global vernetzten Welt entscheidende Wettbewerbsfaktoren. Um Arbeitsprozesse im hochdynamischen Produktionsumfeld effizienter und ressourcenschonender zu gestalten, rücken mit der steigenden IT-Durchdringung auch digitale Schnittstellen und internetbasierte Kommunikationswege in den Fokus: Sei es bei der Vernetzung mit Manufacting Execution Systemen (MES) zwischen Produktions- und Managementebene oder Stichwort Smart Factory bei interagierenden intelligenten Werkstücken, Bauteilen, Maschinen und Anlagen, die sich in sogenannten cyber-physischen Produktionssystemen (CPPS) organisieren. Wenn künftig Bauteile den Maschinen mitteilen, wie sie bearbeitet werden sollen, tauschen die Erzeugnisse Daten in Echtzeit gegebenenfalls auch über das Internet aus. Semantische Beschreibungen im Automatisierungsnetzwerk ermöglichen dann die automatische Verknüpfung des benötigten Werkstückes. So lassen sich auch Informationen zu Produkt und Fertigungsmitteln transportieren, um daraus automatisch Produktionsprozesse oder Dienstleistungen abzuleiten. Ein digitales Produktgedächtnis sichert dabei die Dokumentation über den Herstellungsprozess sowie den Produktlebenszyklus einschließlich intelligenter Komponenten, die z.b. Verschleiß frühzeitig erkennen und die Instandsetzung initiieren. Intelligente Verfahren für Monitoring und Analyse Die zunehmende Dynamik und Komplexität der Produktionsprozesse innerhalb solcher Smart Factories machen es notwendig, intelligente Verfahren zur Überwachung, Analyse und Steuerung einzusetzen. Über CPPS kommunizierende Werkstücke und Maschinen sollen dabei eigenständig den Fertigungsprozess kontrollieren. Schon heute ermöglichen beispielsweise RFID-Chips die automatische Identifizierung und Lokalisierung von Gegenständen via Funksignal. Das Beispiel zeigt: erste Bausteine für eine selbstorganisierende Produktion stehen zur Verfügung. Die Innovation besteht darin, die Teilbereiche so miteinander zu verknüpfen, dass eine Integration entlang der Wertschöpfungskette auch über ganze Produktionseinheiten hinweg entsteht. Das Werkstück, welches in der Fabrik der Zukunft weiß, was mit ihm bereits gemacht wurde und was künftig noch passieren soll, steht dabei im Mittelpunkt des Konzepts. Informationen, welche vorher auf dem zentralen Rechner der Fertigungsanlage gespeichert waren, sind dann direkt mit dem Bauteil verknüpft die Fabrik kann so auf Produkte, Maschinen und Lagersysteme zurückgreifen, die über Eigenintelligenz und Kommunikationsfähigkeit verfügen. Neben Produktivitätsgewinnen sollen Produkte auf diese Weise mit einem hohen Grad an Individualisierung hergestellt werden können wie in der vorindustriellen Fertigung. Die Schattenseiten der schönen, neuen Netzwelt Kritiker allerdings warnen vor dem Spionage- Risiko, das mit der vollständigen Vernetzung innerhalb der Werkhalle und zwischen digitalen Fabriken einhergeht. Setzen Unternehmen ausschließlich auf internetbasierte Technologien, gehen sie ein hohes Risiko ein, Ziel von Hackerattacken, Viren und Trojanern zu werden. 10 IT&Production 9/2013

11 INTEGRATED INDUSTRY INDUSTRIE 4.0 Daher stellt sich die Frage, welche alternativen Technologien für eine sichere Vernetzung infrage kommen. Eine Möglichkeit für die Kommunikation innerhalb der cyber-physischen Produktionssysteme ist die Feldbus-Technik. Dieser Master-Slave-Ansatz ist jedoch für die Kopplung zwischen CPPS, Produktionsbereichen oder ganzen Fabriken nicht geeignet. Werkhallenübergreifende Kommunikationsplattform Hier bietet ein Enterprise Service Bus (ESB), wie ihn etwa die Inqu Informatics GmbH anbietet, als Integrationsebene eine Alternative. Durch diese softwarebasierte Verbindung von Anwendungen und Datenformaten lässt sich etwa eine Kopplung zwischen MES und Supply Chain Management (SCM) herstellen. Auch Informationen von Messgeräten oder Steuerungen können in die Plattform einfließen; derzeit stehen dafür konfigurierbare Konnektoren für OPC und Modbus zur Verfügung. Im Gegenzug können etwa XML-Nachrichten protokollunabhängig vom System an die Linie gesendet werden. Jeder Teilnehmer kann dabei gleichzeitig Sender und Empfänger sein. Da die Verbindung zwischen Teilnehmer und ESB über spezifische Konnektoren hergestellt wird, lässt sich für jede Anwendung oder Datenquelle eine Businesslogik definieren beispielsweise um Statusinformationen einer Maschine im Hallenlayout anzuzeigen. Der Ansatz lässt sich auch für die Prozesssteuerung nutzen, etwa um beim Erstellen eines Auftrags das richtige Teil im richtigen Takt an die passenden Maschine zu liefern. Dabei stehen die Nachrichten aller Datenkonsumenten im gleichen Moment zur Verfügung, sobald der Datenlieferant die Informationen auf die Plattform legt. Der Bus verarbeitet auch proprietäre Dateiformate oder Textdateien. Dazu muss die Lösung jedoch projektbezogen angepasst werden. Sicherer Echzeitzugriff auf das gesamte Netzwerk Steuerungs- und Analyseprogramme für beispielsweise Qualitätssicherung und Feinplanung können somit parallel und in Echtzeit mit Daten versorgt werden. Die resultierenden Steuerungsdaten lassen sich auf die gleiche Art und Weise nahezu synchron an die angeschlossenen Produktionssysteme übergeben. Da die Bus-Instanzen kaskadiert werden können, lassen sich auch verschiedene Produktionsbereiche beziehungsweise Fabriken miteinander koppeln. Anders als die internetbasierte Kommunikation über herkömmliche Webtechnologien gestattet der Rückgriff auf die klassischen Wege der Industriekommunikation dabei eine sichere Übertragung von Daten. Dessen ungeachtet wird sich erst in Zukunft zeigen, ob sich die vierte industrielle Revolution mit ihrer Vision von der Smart Factory durchsetzen kann ungeachtet ihres beträchtlichen Potenzials zur Prozessoptimierung. Erahnen lässt sich aber schon jetzt, dass die Fusion von Produktion und IT eine neue Stufe der wirtschaftlichen Entwicklung bedeuten kann, die Fertigungsunternehmen und industrienahen Dienstleistern neue Perspektiven eröffnet. Der Autor Volker Buschendorf ist Projekt Manager bei der Inqu Informatics GmbH. IT Jobs powered by &Production Industrial IT Industrial IT Jobs Der Stellenmarkt für IT-Profis - Anzeige - Mikael Damekier - Fotolia.com Täglich aktuelle Stellenangebote im wichtigsten Online-Magazin für die Industrie www. it-production.com Tel.: Fax:

12 INDUSTRIE 4.0 MANUFACTURING IT Punktlandung durch berechenbare Prozesse Bild: Proxia Software AG Die Etablierung flexibler Fertigungsprozesse geht vielfach von der Automatisierung aus. Doch für die erfolgreiche Umsetzung neuer Technologien müssen auch IT-Systeme und Fertigungsorganisation mit dieser Entwicklung Schritt halten können. Dabei spielt die umfassende Integration zwischen Anlage, Software und Lieferkette eine zentrale Rolle. Die vierte industrielle Revolution ist eine natürliche Folge unseres Zeitalters. Vom Grunde her hat sie schon im 18. Jahrhundert begonnen, als sie die handwerkliche Fertigung ablöste. Die Dampfmaschine machte es möglich die Produktion auf Maschinenkraft umzustellen eine Revolution, die ihresgleichen suchte. Die Erfindung des Fließbandes Anfang des 20. Jahrhunderts hatte eine effizientere Massenproduktion zur Folge. Und nur etwa 80 Jahre später konnten die Fertigungsprozesse mit Hilfe von programmierbaren Steuerungen, Robotermaschinen und Überwachungsterminals weiter professionalisiert werden. All diese Entwicklungsschritte brachten enorme Kosten- und Arbeitskrafteinsparungen zu Lasten der individuellen Produktion. Hinzu kommen noch die immer kürzer werdenden Innovations- und Produktlebenszyklen. Hier setzt nun Industrie 4.0 an: Vor allem in kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) ist es wichtig, auch kleine Losgrößen wirtschaftlich, termingerecht und in entsprechender Qualität zu liefern. Erklärtes Ziel der bereits begonnenen Revolution ist es, die Produktivität bis zu 30 Prozent zu steigern auch bei niedrigen Losgrößen und die Störanfälligkeit der Fertigung zu senken, da sich durch cyberphysische Systeme die Fabrik selbst neu organisieren kann. Wie aber die Geschichte immer wieder zeigt, stellt eine neue Entwicklungsstufe auch neue Anforderungen an alle Beteiligten. Smart factory: Chance und Herausforderung zugleich Ist die Vision zur Realität geworden existiert also die smart factory in der Praxis heißt das, Werkstück und Werkzeugmaschine kommunizieren über einen Webserver, gesteuert von der Leitebene. Um dies zu erreichen, muss eine Verschmelzung moderner IT-Möglichkeiten mit der digitalisierten Produktionsebene stattfinden. Denn eine intelligente Fabrik zeichnet sich durch einen kontinuierlichen Informationsaustausch zwischen Planungs- und Fertigungsebene aus. Dazu müssen zum einen das Internet und die Inhouse-Software aufeinander abgestimmt sein. Zum anderen muss das Produkt gleich mehreren Anforderungen genügen. Dazu gehören die eindeutige Identifizierbarkeit der Erzeugnisse, aber auch stets das Wissen über die aktuelle Position und den Zustand des Produktes und der Wertschöpfungskette. Die Aufzeichnung der Entstehungshistorie der Produkte wird damit zur Notwendigkeit, und auch alternative Prozesswege zum Zielzustand des Produktes müssen bekannt sein, um bei Bedarf eingesetzt werden zu können. Letztlich müssen die Unternehmen, die diese Entwicklung nicht verpassen möchten, sich um eine Flexibilisierung der Produktionsprozesse kümmern. Wer hierbei auf zukunftsfähige Konzepte setzt, bleibt technologisch am Ball. IT-Infrastruktur: Mit der Automatisierung Schritt halten Automatisierungskonzepte im Maschinenumfeld sind eine häufige Maßnahme, um höhere Flexibilität im Produktionsumfeld zu erreichen. Die Praxis zeigt aber auch, dass ein hoher Automatisierungsgrad nur dann voll zur Geltung kommen kann, wenn auch Fertigungsorganisation und IT-Infrastruktur mit dem Prozesstempo mithalten können. Eine 12 IT&Production 9/2013

13 MANUFACTURING IT INDUSTRIE 4.0 nicht zu unterschätzende Herausforderung besteht dabei darin, die Qualität der IT-Prozesse von der kaufmännischen Unternehmenssteuerung bis hin zur Bearbeitungsmaschine auf ein Niveau zu bringen: Die IT-Systeme der Verwaltung und der Produktentwicklung sind zwar vielfach stark vernetzt, in anderen Bereichen finden sich aber meist lokale Softwaremodule, die Prozessinseln unterstützen. So kommt zum Beispiel in der NC-Programmierung ein CAD/CAM-System, in der Werkzeugausgabe eine Datenbank und an den Maschinen eine DNC-Software zum Einsatz. Gleichzeitig dient eine Maschinen- oder Betriebsdatenerfassung zur Prozessüberwachung, Feinplanungssysteme werden auf der Ebene des Produktionsplaners eingesetzt und der Betriebselektriker bedient sich einer Wartungsapplikation auf seinem Laptop. Und nicht selten setzt die Qualitätssicherung auf leistungsstarke Spezialsoftware, die mit dem Kunden besser vernetzt ist als mit der eigenen Produktion. So können viele Produzenten nur auf Insellösungen zugreifen, die für eine effiziente, integrierte Fertigungssteuerung erst auf Linie gebracht werden müssen. An der Schnittstelle zwischen Planung und Produktion Als Schnittstelle zwischen der planenden Leit- und der operativen Produktionsebene schaffen Manufacturing Execution-Systeme (MES) wie die Lösung des Ebersberger Anbieters Proxia Software AG Voraussetzungen, um den kontinuierlichen Informationsaustausch im Sinne einer Smart Factory zu unterstützen. Erfassungsmodule für Betriebs- und Maschinendaten (BDE/MDE) übernehmen dabei den Informationstransfer von der heterogenen Produktionsumgebung in einen zentralisierten Datenspeicher. Die Planungsmodule des Systems verfügen über eine Rückkopplung zu kaufmännischen Enterprise Resource Planning- und Produktionsplanungssystemen (ERP/PPS) für den Abgleich aktueller Planungs- und Organisationsinformationen. Auswertungsund Visualisierungsmodule sorgen für Aufbereitung und Darstellung der verdichteten Informationen. Damit steht Anwendern ein Software-Werkzeug zur Echtzeiterfassung der aktuellen Zustände, bezogen auf einen konkreten Auftrag oder auf eine Fertigungsanlage, zur Verfügung. Dessen Statusinformationen geben Aufschluss über etwaige Kursabweichungen. Maßnahmen können zeitnah initiiert und überprüft werden. Dazu werden per Kennzahlencockpit Statusinformationen verdichtet und in Echtzeit visualisiert. Herausforderung durch steigendes Datenaufkommen Ständiger Informationsaustausch zwischen den unterschiedlichen Unternehmensebenen, Werkstücken und Werkzeugmaschinen erzeugt große Datenmengen, die gehandhabt werden müssen. Grundsätzlich fallen durch die automatisierte Erfassung von Maschinensignalen und der Aufzeichnung von Prozessdaten große Datenmengen an. Bei Kennzahlen-Auswertungen ist somit eine hochauflösende Drill-Down-Funktionalität nötig, um einen konkreten Informationszugriff zu ermöglichen. Hierzu stellt das Softwarehaus eine hybride Datenverarbeitungstechnologie zur Verfügung, die sowohl auf In-Memory- Technologie für schnelle Berechnungen im Server-Hauptspeicher als auch auf klassisches Datawarehousing zurückgreift. Diese Technologie gestattet die gezielte Dimensionierung von Serverstrukturen oder Clustern, auch um Investitionsvolumen und Administrationsaufwand zu reduzieren. Industrie 4.0 setzt auf eine IT-Infrastruktur, die einen Informationszugriff immer und überall ermöglicht. Eine nahtlose Informationsübermittlung vom Maschinensignal bis in das Internet wird eine wesentliche Voraussetzung für diese Ausrichtung im Produktionsumfeld darstellen. Erst dann gewinnen Unternehmen an Reaktionsschnelligkeit, hinzu kommen Vorteile durch nicht mehr ortsgebundene Informationsbeschaffung. Der Einsatz von mobilen Endgeräten, Smartphones und Tablet PC verspricht vor diesem Hintergrund, das Maßnahmenmanagement um eine weitere Facette zu bereichern. Bild: Proxia Software AG Software-Werkzeuge unterstützen Reaktionsfähigkeit Das Jahr 2013 steht beim Systemanbieter Proxia ganz unter dem Motto einer neuen Softwaregeneration. Bei der Entwicklung legte der Hersteller vor allem Wert darauf, Anwender in der Industrie bei der schnellen Reaktion auf Veränderungen in Fertigungsprozessen zu unterstützen. Das Unternehmen stellt seine Lösungen im Laufe des Jahres auf verschiedenen Veranstaltungen interessierten Fertigungspiloten vor. Gestartet wurde die IT-Roadshow auf der Hannover Messe Industrie am 8. April In diesem Kontext bietet der Softwarehersteller auch mobile Anwendungen an. Fertigungsprozesse berechenbar und flexibel gestalten Insgesamt zeigt sich, dass die Planung von Fertigungsaufträgen aufgrund der genannten Rahmenbedingungen nicht mehr statisch mit einem weiten Planungshorizont zu erledigen ist. Das dynamische Fertigungsumfeld zwingt auch die Planung zu einer hohen Reaktionsfähigkeit und ist abhängig von den Rückmeldungen aus der Fertigung. Erst durch die Kopplung der Feinplanung mit der Informations-Cloud aus dem Shopfloor können Unternehmen auf Ressourcen- oder Kapazitätseinflüsse sofort reagieren. Auch der Blick auf diese Detailfrage zeigt, dass die vierte industrielle Revolution schon Einzug hält, und sich in ersten Prozesslösungen wiederfindet. Der Autor Ing. Christian Erlinger ist Produktmarketing-Manager der Proxia Software AG in Ebersberg. - Anzeige - IT&Production 9/

14 INDUSTRIE 4.0 DIGITALES PRODUKTGEDÄCHTNIS Auto-ID-Lösungen für hohe Prozesssicherheit Bild: Harting Radio Frequency Identification gibt stummen Objekten, z.b. Stanzwerkzeugen, Zugdrehgestellen oder Bierfässern, eine Identität und ein Gedächtnis. Dadurch kann ein Bierfass z.b. seinen eigenen Reinigungs- und Befüllungsprozess steuern. Der Einsatz abgestimmter RFID-Komplettlösungen kann so schon heute den Weg in die Industrie 4.0 ebnen. Starre Produktionsprozesse können den steigenden Anforderungen an industrielle Produktionsverfahren nicht mehr in erforderlichem Umfang Rechnung tragen. Als neue Herangehensweise ist Industrie 4.0 in aller Munde, die vertikale Vernetzung von Embedded Systems auf dem Vormarsch. In diesem Konzept steuern Smart Products den Produktionsprozess. Die digitale Veredelung von Produktionsanlagen mit intelligenten Überwachungsprozessen und autonomen Entscheidungen in den Prozessen findet auch in der Praxis zunehmend Eingang in die Fabrikhallen: Integrated Industry bezeichnet die Vernetzung der Wertschöpfungskette mit Komponenten der IT-Landschaft. Die Produkte bringen das Wissen mit, wie sie bearbeitet und weitergeleitet werden müssen. Damit kommt Datenspeicherung und Echtzeit-Abruf von Produktionsinformationen eine wichtige Rolle auf dem Weg hin zur vierten industriellen Revolution zu. Ein Beispiel liefert das Behältermanagement einer Brauerei: Damit das Bierfass nach dem Befüllen, dem Transport über den Bierverlag und in das Gasthaus sauber und gefüllt zurück an seinen Platz im Lager kommt, wird RFID- Technologie eingesetzt. Ein Transponder auf dem Fass liefert die Informationen für die Steuerung von Reinigung und Befüllung und unterstützt eine passgenaue Lagerhaltung. Prozessabsicherung mit automatischer Identifikation Harting unterstützt die Bestückung von Maschinen mit Werkzeugen und Parametern durch RFID-Technologie für die automatische Identifikation von Werkzeugen. Bei zunehmend modularer und komplexer werdenden Maschinen, die von verschiedenen Mitarbeitern genutzt werden, kann so erreicht werden, dass nur passende Werkzeuge geladen werden. Dabei kommuniziert die SPS mit dem RFID-Reader und lädt automatisch das richtige Programm. Dieses Konzept wird als Bestandteil der Integrated Industry von der Technologiegruppe intensiv vorangetrieben, um nachhaltige und zukunftweisende Antworten auf die heutigen Herausforderungen der Industrie zu liefern. Das Konzept umfasst die Vernetzung der gesamten Wertschöpfungskette mit den vorhandenen Komponenten der IT-Landschaft. Der Anbieter entwickelt, produziert und integriert RFID-Technik, die weltweit zum Einsatz kommt. Die individuell gestaltbaren Lösungen bestehen aus Hardware-Komponenten, Software-Bausteinen und umfassenden Beratungsleistungen zur Durchführung von Projekten. Für die Systemarchitektur können unterschiedliche Smart Network Infrastructure Devices eingesetzt werden. Dies können Switches mit Diagnostikund Ein/Ausgabe-Funktionalität (EA) sein, Auto-ID-Geräte oder beispielsweise Smart Power Network Units (SPNU). Zukünftig sollen im Rahmen der Infrastrukturlösungen alle Endgeräte, die Transponder oder Barcodes lesen können, einsetzbar sein. Dazu gehören dann neben Lesegerätan für RFID, Barcode oder Magnetstreifen auch Handhelds oder Tablets. Baukastensystem für einfache Installation In der HA-VIS-Middleware werden die Daten anschließend verarbeitet, wobei der Anbieter 14 IT&Production 9/2013

15 DIGITALES PRODUKTGEDÄCHTNIS INDUSTRIE 4.0 die Lösung gerade um Funktionalitäten erweitert, die Anforderungen des ELE-Standards erfüllen. So können entsprechende Systeme in Zukunft etwa über E/A-Kommunikation Lichtschranken-Daten verarbeiten. Die Software trifft smarte Entscheidungen auf Basis rückfließender Daten aus den Backend- Systemen, um Prozesse anzustoßen. Diese Daten werden dann auf den Transponder zurückgeschrieben. Als Integrationsplattform setzt die Technologiegruppe das HA-VIS Business Application Framework ein. Alternativ zu Business Applikation Framework und Enterprise Service Bus (ESB) werden bei Bedarf auch die Integrationssysteme SAP Auto-ID Infrastructure (SAP AII) und SAP Process Integration (SAP PI) zur Ankopplung von Enterprise Resource Planning-Systemen (ERP) des Walldorfer Softwarekonzerns genutzt. Von der Middleware aus erfolgt die Ansprache des ERP-Systems dann direkt über die SAP- Bausteine. Mit Hilfe des ESB erkennt das System dabei, an welche Backend-Software die Daten weitergeleitet und wo diese verarbeitet werden sollen. Dazu kommen ERP- und Manufacturing Execution-Systeme genauso infrage wie Microsoft Office-Produkte. Ziel ist die einfache Integration über die Entwicklung fertiger Bausteine. Diese Totally Integrated RFID -Lösungen sind generisch angelegt, sodass die Systeme in unterschiedlichen Branchen und Unternehmensbereichen eingesetzt werden könen. Entsprechend lassen sich Projekte in Produktion, Instandhaltung oder Logistik umsetzen. Als Zielbranchen adressiert das Unternehmen Werkzeug- und Maschinenbau, Bahnverkehr und Transportwesen. Der Schwerpunkt vorkonfigurierter RFID-Applikationen liegt dabei in den Bereichen Produktion und Instandhaltung sowie im Anlagenmanagement. Anforderungen rauer Umgebungen begegnen Im Werkzeug- und Maschinenbau findet sich häufig eine raue metallische Umgebung, wodurch hohe Anforderungen an die Hardware gestellt werden. Die aktuelle Generation von Transpondern, Antennen und Readern weist bereits eine hohe Sensitivität zur Verarbeitung von verzerrt eintreffenden Informationen auf. Inzwischen stehen auch On-Metal- Tags zur Verfügung Transponder, die für die Erfassung auf Metall im industriellen Fertigungsbereich vorgesehen sind. In Kombination mit robusten UHF-Antennen kann diese Technologie für die Erkennung von Werkzeugen in Maschinen oder die Sicherstellung der Positionierung von Objekten in der Fertigung eingesetzt werden. Für die Integration von RFID-Lösungen in Industrieumgebungen hat E-Kanban-System als Basis für integrierte Prozesse In der eigenen Produktion versieht Harting als Vorstufe zum digitalen Produktgedächtnis Stahlbehälter mit Transpondern, sodass jederzeit durch Auslesen des Datenträgers der Status des Fertigungsauftrages abgefragt werden kann. Die Rückmeldung der Aufträge erfolgt per Handheld in den Backend-Systemen. Dieses Szenario wurde in der Druckguss-Fertigung im Rahmen einer E-Kanban-Lösung realisiert. So entsteht ein integriertes System, in dem Daten von einem RFID-Transponder aufgenommen und dann an mobile oder stationäre Reader übergeben werden. In der Middleware werden die Informationen dann vorselektiert, um im Business Application Framework aufbereitet zu werden. Schließlich routet der Enterprise Service Bus die Daten in die Backend-Software, um Prozess- und Systembrüche zu vermeiden. Hier kommen sowohl Enterprise Ressource Planning-Software als auch ein Manufacturing Execution-System (MES) zum Einsatz. In der Automationstechnik wird das Kommunikationsprotokoll OPC-UA eingesetzt, um mit dem MES- Backend zu kommunizieren. Die Echtzeit-Daten erhalten dabei auch eine maschinenlesbare, semantische Struktur. Transponder, Reader, Middleware und Automatisierung werden so im Sinne einer Integrated Industry in einem System zusammengeführt. der Hersteller die RFID-Box entwickelt: Die Komponenten sind aufeinander abgestimmt, die Systeme fertig installiert und getestet, der Reader ist fest im Schaltschrank integriert. Damit lässt sich insbesondere in rauer Umgebung eine hohe IP-Schutzklasse von bis zu IP65 erreichen, ein Gehäuse aus zwei Millimeter dickem Stahl gestattet hohe Stabilität bei mechanischer Belastbarkeit. Um Anforderungen durch den Einsatz im Außenbereich, etwa auf Baustellen, Rechnung zu tragen, stehen auch witterungsbeständige RFID- Transponder zur Verfügung, die zum Teil extreme Temperaturbereiche von minus 65 bis plus 210 Grad Celsius vertragen und bis zur Schutzklasse IP69k ausgelegt sein können. Effizienzgewinn durch konsequente Integration Die Umsetzung von Industrie 4.0 und die Weiterentwicklung des Konzeptes einer Totally Integrated RFID versprechen konsequente Kostensenkung und signifikante Effizienzgewinne. Der Einsatz bestehende Lösungen sorgt bei dem Technologieanbieter bereits durch die Verbesserung der Geschäftsprozesse für deutliche Kostensenkungen. Diese werden unter anderem durch reduzierten Materialeinsatz und beschleunigte Arbeitsabläufe bei gleichzeitiger Erhöhung der Flexibilität erreicht. In Summe führt dies auch zu einer höheren messen - steuern - regeln Kundenzufriedenheit, da schneller und zuverlässiger geliefert werden kann. Dieser Ansatz einer integrierten Informations- und Technologiekette wird fortgeschrieben: Der Lösungsanbieter hat die Software-Architektur bereits weiter ausgebaut, es werden zusätzliche, vorkonfigurierte Applikationen auf den Markt gebracht. Szenarien für vergleichbare Lösungen existieren schon heute, die Entwicklung neuer Lösungen dafür sind in Arbeit. Der Autor Claus Hilger ist Geschäftsführer der Harting IT Services GmbH & Co. KG, der Harting IT Software Development GmbH & Co. KG und der Harting IT System Integration GmbH & Co. KG. Die richtige IT für Industrie 4.0 Neue PCI E/A - Karten mit Safety - Funktionen KOLTER ELECTRONIC Tel Bild: Harting - Anzeige - IT&Production 9/

16 INDUSTRIE 4.0 DIGITALE PROZESSLANDSCHAFTEN Prozessautomatisierung an der virtuellen Linie Bild: Edag Production Solutions Firmen müssen ihre Fertigung an den immer schnelleren Takt von Markt- und Kundenanforderungen anpassen. Aus Sicht der Anlagenplanung bietet sich dazu der Rückgriff auf virtuelle Fabrikmodelle an, während zur Gestaltung der Fertigungsprozesse produktionsnahe IT zur Verfügung steht. Den größten Effizienzgewinn verspricht jedoch die Verbindung der beiden Disziplinen. Um die wachsenden Anforderungen durch globalisierte Märkte im Hiblick auf Produktindividualisierung, Flexibilität, Qualität und Kosten erfüllen zu können, werden zum einen Manufacturing Execution- Systeme (MES) eingesetzt, die durch konsequente Nutzung von Informationstechnologie dazu befähigen, Fertigungsprozesse schnell, wertschöpfend und zielgerichtet zu gestalten. Zum anderen greifen Betriebe zur effektiven Planung neuer oder verbesserter Produktionsprozesse auf Mittel der Digitalen Fabrik zurück. Hierzu werden Prozesse mit allen interagierenden Geräten simuliert, visualisiert und ausgewertet. Durch die Virtualisierung von Interaktionen zwischen Komponenten und Prozessen lassen sich nicht nur Fehler vor der Inbetriebnahme beseitigen, sondern auch Optimierungspotenzial frühzeitig erkennen. Die Bereitstellung eines bidirektionalen Datenaustausches zwischen produktionsnaher IT und der digitalen Fabrik bildet das Fundament für eine flexible, in Echtzeit anpassungsfähige Fabrik. Diese flexible Smart Factory ist einer der Eckpfeiler des Zukunftsprojektes Industrie 4.0. Ziel ist eine vernetzte, intelligente und wandlungsfähige Fabrik auf Basis von Cyber-Physical System (CPS) und dem Internet der Dinge (IOT). Zusammenspiel von digitaler Fabrik und Produktions-IT Die Smart Factory muss genügend Flexibilität gewährleisten, um sich an unterschiedliche Fertigungsprozesse und deren Entwicklung anpassen zu können. Die Grundlage dazu bildet die durchgängige Modellierung und Simulation der Prozesse von Planung und Konstruktion bis zu Fertigung und Wartung. Die aus der digitalen Fabrik generierten Informationen können auch das MES mit aktuellen Planungsdaten versorgen. Dieser Informationsaustausch ermöglicht dem Leitsystem, neue Prozesse innerhalb der Produktion in vorhandene Abläufe zu integrieren und die Kommunikation zu neuen Teilnehmern aufzubauen. Dazu generiert die produktionsnahe IT auf Basis von automatisierten Verfahren zur Objektverfolgung ein virtuelles Abbild der Produktion. Dies wird durch Kennzeichnung der einzelnen Objekte mithilfe einer eindeutigen Identifikationsnummer ermöglicht, etwa durch RFID-Technologie. Zudem senden Maschinen und Anlagen Zustands- und Statusinformationen an die produktionsnahe IT. So kann die Software die ressourceneffektivste Auftragsabarbeitungsreihenfolge ermitteln und einsteuern, auf Störungen und Engpässe reagieren, Fehleranalysen und Optimierungsmaßnahmen unterstützen. Durch Wissensmanagement innerhalb des Systems lassen sich dann Prozessoptimierungen erfassen, bewerten und strukturiert archivieren. Dieses Wissen kann sofort oder zeitverzögert als Grundlage für die Planung neuer oder verbesserter Prozesse oder Fabriken dienen. Durch konsequenten, bi-direktionalen Informationsaustausch zwischen MES und Digitaler Fabrik lassen sich so Planungs- und Anlaufzeiten reduzieren und die Flexibilität der Fabrik erhöhen. 16 IT&Production 9/2013

17 DIGITALE PROZESSLANDSCHAFTEN INDUSTRIE 4.0 Automation ML als neutrale Datenplattform Um den Informationsaustausch zwischen den beteiligten Technologien sicherzustellen, empfiehlt sich der Rückgriff auf ein neutrales Austauschformat, da aufgrund der Verwendung verschiedener Hersteller-Standards oft keine homogene Prozesslandschaft im Unternehmen existiert. Dazu eignet sich Automation ML (AML), welches im Rahmen einer Initiative von Industriebetrieben und Universitäten ins Leben gerufen wurde. Als Weiterentwicklung vorhandener Standards basiert das Format auf der Extensible Markup Language (XML). Engineering-Informationen werden in AML objektorientiert abgelegt, um beispielsweise Signale, SPSen, Roboter, Fertigungszellen oder ganze Linien und Fabriken in verschiedenen Detailstufen zu beschreiben. Typische Informationsbestandteile umfassen dabei Topologie, Geometrie, Kinematik sowie die Logik für Ablaufsequenzen, Verhalten und Steuerung. Die Anlagentopologie bildet den Rahmen von AML und wird durch das Datenformat Caex beschrieben. Zusammen mit Collada und PLC Open für Geometrie und Kinematik sowie Ablaufsequenzen, Verhalten und Steuerung entsteht das Format AML. Standardisierung als Eckpfeiler der Integration Wie die Praxis und Forschungsprojekte wie Cosmos zeigen, ergänzen sich Digitale Fabrik und produktionsnahe IT erst durch ihre Vernetzung. AML ist ein Format das diese Vernetzung realisiert und damit ein wichtiger, vielleicht sogar entscheidender Beitrag zu Industrie 4.0. Denn erst durch das umfassende Zusammenspiel von Engineering, Automation und Produktionsmanagement lässt sich durch einen hohen Automatisierungsgrad auch in der Modellierung von Fertigunsprozessen das volle Potenzial einer Fabrik der Zukunft realisieren. Der Autor Dipl.-Inf. (FH) Dierk Nau ist Fachverantwortlicher Leit- und Steuerungstechnik bei Edag Production Solutions GmbH & Co. KG. - Anzeige - Besuchen Sie uns: Halle A3 Stand 226 Automatisierter Workflow Im Zuge des EU-Forschungsprojektes Cosmos wurde vor diesem Hintergrund ein Konzept zur Echtzeitverbindung zwischen digitaler Fabrik und MES auf Basis von AML spezifiziert, umgesetzt und verifiziert. Das Ziel der Initiative ist eine 20-prozentige Steigerung der Anlageneffizienz durch Nutzung eines modularen, anpassungsfähigen Systems. Edag PS hat auf Basis produktionsnaher IT und Tools der Digitalen Fabrik eine Produktionslinie einschließlich Prozessen, Ressourcen und Produkten modelliert und vernetzt. Diese virtuelle Linie kann mithilfe von Adaptern nach AML überführt und ins MES als Konfigurationsgrundlage importiert werden. Werden Produkt- oder Prozessänderungen nötig, etwa zur Integration neuer Varianten, werden diese modelliert und in das MES übertragen. Um Planungs-, Konfigurations- und Anlaufzeiten zu verkürzen, werden dabei Module, Workflows und Benutzeroberflächen automatisch angepasst. Die Industrie 4.0 hält Einzug in die Produktionsindustrie und eröffnet völlig neue Potenziale. itac unterstützt Unternehmen, die relevanten technologischen Entwicklungen für die industrielle Revolution frühzeitig zu adaptieren. Die itac.mes.suite öffnet mit ihren Funktionalitäten wie Supply-Chain-Traceability die Tür zur effizienten Produktion über Landes- und Werksgrenzen hinweg. Die 1998 gegründete itac Software AG ist Hersteller von Standardsoftware für unternehmensübergreifende IT-Anwendungen und führender System- und Lösungsanbieter eines Supply-Chain-übergreifenden Manufacturing Execution System (MES). Das Unternehmen entwickelt, integriert und wartet seine Cloud-based itac.mes.suite für produzierende Firmen rund um den Globus. Sprechen wir über Ihre Anforderung unsere Lösung!... perfekt aufeinander abgestimmt Oktober 2013, Kempinski Hotel Airport München

18 INDUSTRIE 4.0 FLEXIBLE PRODUKTION Wachsenden Anforderungen an das Engineering begegnen Bild: Aucotec AG Die Idee 'Industrie 4.0' setzt neue Maßstäbe und wird sowohl die Produkt- als auch die Fertigungssicht umkrempeln. Zusammen mit Elektro- und Automatisierungstechnik wird damit deren Engineering an Bedeutung gewinnen. Individualisierte Produkte und hochkomplexe Anlagen gibt es bereits. Ein Engineering Tool, das dort erfolgreich arbeitet, kann die Entwicklung zur 'Industrie 4.0' schon heute effizient unterstützen. Statt starrer Fertigungsstraßen für ein Produkt in einer Ausführung sollen nach der vierten Industrierevolution Einzelaufträge für individuelle Produkte mit der Effizienz und Kostenentwicklung der Serienproduktion abgearbeitet werden. So würde zum Beispiel nicht mehr eine Fertigungsstraße ausschließlich für den Bau eines bestimmten Limousinentyps aufgebaut, eine andere für Cabrios und wieder eine für Kombis. Stattdessen soll der Fertigungsprozess so flexibilisiert werden, dass eine Straße alle drei Varianten baut, in wechselnder Reihenfolge, aber im gleichen Tempo wie zuvor. Oder eine Abfüllanlage wird in der Lage sein, verschiedene Rezepturen in entsprechende Behältnisse zu füllen und empfängerbezogen zu konfigurieren. Mit solch einer sich Produkt- und Auftrags-Anforderungen anpassenden Fertigungsstraße entfallen aufwändige Hallen-Umbauten oder Hardware-Umrüstungen bei jeder Produktänderung. Auf Dauer kann das die Kosten deutlich senken, auch wenn die Investitionen in flexible Roboter und intelligentere Automatisierungstechnik zunächst ansteigen. Die Frage nach der Rolle des Engineerings von Elektro- und Automatisierungstechnik lässt sich dabei aus zwei Perspektiven angehen: Zum einen wird die zunehmende Individualisierung deutlichen Einfluss auf das Engineering des Produkts haben, zum anderen auch auf die Fertigungsanlagen. Die Produktsicht: Individualität gewinnt Aus der Produktsicht geht es um die individualisierte Planung des Produktes, sofern es elektrotechnische Anteile aufweist. Dazu bietet die Automobilindustrie bereits Beispiele: Die großen deutschen Hersteller setzen auf kundenspezifische Kabelstränge (KSK). Das Schlagwort lautet Modularität. Dies ist das große Plus der deutschen Premium-Hersteller, denn in diesem Segment erwarten Kunden, frei zu sein in der Zusammenstellung ihres Wunschfahrzeugs. Nicht die maximale Luxus-Ausstattung ist das Optimum, sondern die individuelle Konfiguration von Assistenzsystem, Infotainment, Licht und Ähnlichem. Diese Modularität mit beliebigen Varianten ist nicht vergleichbar mit Ausstattungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel U.S.- Hersteller sie anbieten. Dort bekommt der Käufer etwa 150 Varianten. Bei den Autobauern, die den KSK zum Prinzip gemacht haben, ergeben sich hingegen einige Kombinationen. Das führt zwangsläufig dazu, dass vom Engineering höchste Flexibilität und der bestmögliche Überblick verlangt wird. Dabei muss der Leitungsstrang mit allen Varianten als 150-Prozent-Entwurf abbildbar sein, um alle kombinatorischen Möglichkeiten im Planungstool vorausdenken zu können und dann auf einhundert Prozent herunterzubrechen. Die datenbankbasierte Software-Plattform Engineering Base (EB) von Aucotec kann solche modularen Beziehungen darstellen, indem sie die Grafik mit einer flexiblen Datenbank verbindet. Dadurch lässt sich die komplette Logik aller Verbindungen nachvollziehbar und aktuell abbilden. Bei großen deutschen Autobauern ist dieses System bereits seit Jahren im Einsatz. Die Erfahrungen aus dieser Industrie könnten auch als Grundlage für den Umgang mit den Flexibilitäts-Anforderungen anderer Branchen im Hinblick auf Industrie 4.0 dienen. 18 IT&Production 9/2013

19 FLEXIBLE PRODUKTION INDUSTRIE 4.0 Die Fertigungssicht: Flexible Anlagen gefordert Der zweite Bereich, der eklatanten Veränderungen entgegensieht, ist der Maschinen- und Anlagenbau. Fertigungsstraßen mit immer mehr Robotik und hochflexiblen Fertigungszellen werden entstehen, um variierende Produktmodule im Takt der Serienfertigung herzustellen. Zum Erkennen der Produktgeometrie und dem schnellen Reagieren darauf ist ein Vielfaches an Sensoren und Aktoren zu planen und dokumentieren. Doch nicht nur deren Anzahl wird zunehmen, sondern auch ihre Intelligenz: SPSen für Sensoren mit Zweidrahttechnik haben dann ausgedient, Kamera- und Scannertechnik muss via Ethernet eingebunden werden. Das Mehr an Informationen ergibt komplexere Datenströme und erfordert größere Rechenkapazität. Egal, ob Rechner vor Ort oder eine zentrale Einheit zum Einsatz kommen, auch für die aufwändigere Steuerung und deren Technik ist ein adäquates Planungssystem notwendig. Ein Rohling, der an einer Fertigungszelle ankommt, enthält alle Informationen für seine weitere Verarbeitung. Die Station muss diese Informationen erkennen und blitzschnell umsetzen. So müssen Stellmotoren von Greifern auf die Geometrie reagieren oder Rezepturen, Druck und Abfüllmenge in Verpackungsanlagen angepasst werden. In dem Bild: Oystar Hassia Maß, wie sich die Automatisierungstechnik vervielfacht, steigt auch der Engineering-Aufwand vermutlich aber wegen Kostendrucks ohne zusätzliche Ressourcen. Daher muss das Engineering mit Flexibilität, Durchgängigkeit und Qualität ausgleichen. Hier kann sich eine Engineering-Methodik aus der Prozesstechnik und der Planung für Elektro-, Mess- und Regeltechnik (EMR) etablieren, in der das Handhaben von Massendaten Alltag ist. Von der Prozessindustrie zum Anlagenbau Die Software-Plattform EB ist auch in Großanlagen der Prozessindustrie im Einsatz. Von diesen Lösungen kann auch der Maschinen- und Anlagenbau im Hinblick auf 'Industrie 4.0' profitieren zum Beispiel mit dem in der Prozesstechnik verbreiteten, alphanumerisch-orientierten Arbeiten. Beim Design-Prozess geht der Trend ohnehin in diese Richtung. Dies ist aber nur mit einer zentralen Datenbank umsetzbar, denn nur so lassen sich grafische Arbeitsschritte einsparen oder automatisieren. Das System erlaubt das Planen von Objekten, auch wenn sie grafisch noch gar nicht dargestellt sind. Es aktualisiert alle weiteren Darstellungen, wenn ein Objekt in einer Liste, einem Arbeitsblatt oder grafisch bearbeitet wurde. Die datenbankgestützte Verwaltung der Mess- und Stell-Stellen Vorteile durch Modularisierung und Standardisierung Andreas Kurth ist Engineering Director E-Technik am Oystar Hassia-Standort Ranstadt. Das Werk arbeitet seit seit einiger Zeit mit der Engineering-Software EB. Die Plattform führt Elektrik und Verfahrenstechnik zusammen. Die Oystar-Gruppe gehört in Verpackungsfragen weltweit zu den führenden Unternehmen. Da in den Hassia- Anlagen verschiedene Linien zusammenlaufen, gab es höchste Anforderungen an Durchgängigkeit und Einheitlichkeit im Engineering. Diese Know-how-Kombination ist einzigartig, sagt Kurth, und die Fakultäten arbeiten heute praktisch automatisch miteinander auf einer Datenbasis, das beschleunigt erheblich. Dank EBs Datenbank-Konzept haben wir außerdem die Fehlerquote bei der Zeichnungs- und Stücklistenerstellung der unterschiedlichsten Funktionen wie Elektrik, Pneumatik, Verfahrens- und Prozesstechnik deutlich minimiert. Hassias Modularisierungs- und Standardisierungskonzept wird durch die nun mögliche virtuelle Baukastenstruktur leichter umsetzbar. Die Software sichert nach Angaben von Kurth Wissen durch nur einmal zu erarbeitende Bausteine. Gleichzeitig werde unter anderem mit Variantenhandling und Multiuser-Einsatz Zeit geschaffen. Der Engineering Manager erklärt: Wir denken, dass wir mit diesem System auch den Herausforderungen von Industrie 4.0 gut gewappnet entgegengehen können. sowie automatisierte Zuordnungen der Einund Ausgänge (E/A) von SPSen und Leitsystemen sind weitere in der Prozesstechnik erworbene Fähigkeiten, welche die zukünftige Datenflut der Industrie 4.0. eindämmen können. Sie funktionieren unabhängig von der Hardware, denn hier muss die Vielfalt der Anbieter in jeden Planungsprozess, auch für länderübergreifende Projekte mit unterschiedlichen Zulieferern, integrierbar sein. Mit einem dritten Aspekt schließt sich der Kreis der erweiterten Anforderungen an das Engineering von Produkten und Fertigungsanlagen: Aus der Fertigungssicht wird bei Betrachtung der Maschinen einer Anlage schnell wieder die Produktsicht: Wenn in Zukunft ein Kunde eine Maschine ordert, die zehn verschiedene Produkte seriell bearbeiten kann, werden solche Maschinen etwa so komplex sein wie ein Auto. So wird im Sondermaschinenbau das Thema Modularität noch einmal einen gewaltigen Schub erleben. Das Arbeiten mit hochkomplexen Baukastensystemen wird noch notwendiger. Engineering-Methoden ohne zentrale Datenbank werden dieser Datenflut und Kombinatorik nicht gewachsen sein, aber durchaus ein Tool, das e Bordnetzvariationen im KFZ-Bau handeln (oder: handhaben) kann. Erfolgsfaktor zentrales Änderungsmanagement Allein die Anforderungen an das Änderungsmanagement werden durch die wachsende Vielfalt noch deutlich potenziert. Es muss zwei unterschiedliche, aber parallel existierende Arbeitsweisen unterstützen, um den zukünftigen Aufgaben gerecht zu werden. Zum einen das kooperative Arbeiten einer Gruppe an einem Versionsstand eines bestimmten Themas schon das ist effizient nur mit zentraler Datenhaltung machbar zum anderen das asynchrone Arbeiten unterschiedlicher Disziplinen an einem Produkt. Das zeigt etwa die Zusammenarbeit von Elektrik und Hydraulik, oder wenn eine Gruppe bereits an der nächsten Version eines Produktes arbeitet: Ändern sich Anschlüsse oder Kabellängen, muss jeder betroffene Bereich davon wissen. Das ist sofort der Fall, wenn alle auf einer Datenbasis arbeiten. Nur eine zentrale Datenbank erkennt Änderungen an jeder Stelle und zeigt sie an, so dass jede Gruppe ihren Anteil anpassen kann. Der Autor Reinhard Knapp ist leitender Product Manager der Aucotec AG. IT&Production 9/

20 INDUSTRIE 4.0 BEDIENEN UND BEOBACHTEN Höhere Flexibilität in der Anlagenüberwachung Bild: CIIT Mit steigendem Marktdruck wächst auch die Komplexität der Automatisierung. Um Anlagen zu entwickeln, zu warten oder umzubauen, müssen Techniker, Systemingenieure und Anlagenbauer heute 'Alleskönner' sein. Um diese Situation auch in Zukunft beherrschen zu können, wird der Übergang in eine neue, intelligente Automation nötig. Zu Beginn der vierten, durch das Internet geprägten Revolution auch als Industrie 4.0 bezeichnet halten zunehmend Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) Einzug in die Automation. Beispiele dafür sind verbesserte Mensch-Maschine-Schnittstellen, eine stärkere Vernetzung und Assistenzfunktionen. Der gemeinsame Nenner ist die Verlagerung von menschlichem Expertenwissen in die Automation. Die Maschine übernimmt Aufgaben, die bislang Experten mittels komplexer Engineering-Werkzeuge manuell programmieren mussten. Das Institut für industrielle Informationstechnik (init) der Hochschule OWL sieht in der Human-Centered-Automation einer Automation, die den Mensch in den Mittelpunkt rückt und die steigende Komplexität der Systeme für den Menschen beherrschbar macht einen Ausweg aus dem Dilemma. Mittels intelligenter Assistenzsysteme in der Automation soll Komplexität beherrschbar werden, indem deren Wirkung auf den Menschen durch die Verwendung von entsprechenden Lösungen entschärft wird. Engineering-Aufgaben für Automatisierer erleichtern In der klassischen Automation modelliert ein Experte manuell das Wissen zum Lösungsweg mit Hilfe von Engineering-Werkzeugen. Das Wissen liegt prozedual vor, Intelligenz und Know-how liegen ausschließlich beim Menschen. Die Folge ist nicht nur ein hoher Engineering-Aufwand bei Inbetriebnahme und Anlagenanpassungen. Dieses Vorgehen zwingt den Automatisierer auch dazu, ein breites Wissen über die Anlage, die Produktionsziele, die IT und vor allem die Automatisierungstechnik zu besitzen. In Zeiten von Industrie 4.0 sollte die Automationslösung das Wissen zur Anlage genauso vorhalten wie Lösungswege für bekannte Probleme. Der Benutzer formuliert im Optimalfall lediglich Ziele wie Durchsatz, Energieverbrauch oder den gewünschten Umgang mit Verschleiß und Fehlern (Bild 3). Hierdurch kann sich der Aufwand in der Automation bei Inbetriebnahme und Anlagenumbau massiv verringern. Der Automatisierer kann sich damit verstärkt um seine Kernaufgabe, die Produktionsautomatisierung, kümmern. Intelligente Assistenzsysteme unterstützen ihn dann konkret bei der komplexen IT und den technischen Details der Automatisierungstechnik. Selbstständiges Erkennen von Anlagen-Störungen Die Überwachung von komplexen vernetzten Anlagen stellt eine besondere Herausforderung dar. Betreiber haben mit einer Fülle von Daten zu tun, die sie interpretieren müssen. Zukünftig können selbstlernende Maschinen hierbei Hilfestellung leisten. Die Lemgoer Forscher des init entwickelten dazu einen Algorithmus, mit dem Produktionsanlagen selbständig lernen Störungen zu erkennen. Zur Anlagenüberwachung und Diagnose wurden bisher Regeln für das Normal- und Fehlverhalten manuell aufgestellt. Der Experte musste dabei alle Fehlermöglichkeiten vorhersehen und deren Auswirkungen auf die Sensordaten vorausdenken. Das bedeutet ebenfalls einen hohen Aufwand bei jedem Anlagenumbau. Hinzu kommt, dass Fehler auf diese Weise selten vorausgesehen werden können. Was bisher nur manuell möglich war, kann die Maschine fortan überneh- 20 IT&Production 9/2013

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