Albrecht Winter J. Schmalz GmbH: Industrie 4.0 aus der prozessnahen Automatisierungstechnik

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1 J. Schmalz GmbH Aacher Straße Glatten Tel Fax Albrecht Winter J. Schmalz GmbH: Industrie 4.0 aus der prozessnahen Automatisierungstechnik 1. Unterschiedliche Sichtweisen auf Industrie 4.0 Der Begriff Industrie 4.0 wurde ab 2013 allgemeines Sprachgut und hat sich danach schnell verbreitet. Die damit verbundenen Inhalte werden jedoch - z.b. unter dem Schlagwort Internet der Dinge und Dienste - bereits seit dem Jahr 1999 diskutiert und entwickelt. Die Idee des Internets der Dinge geht davon aus, dass alle physikalischen Dinge mit eigener Intelligenz und mit Kommunikationsfähigkeit versehen werden und eine eigene Identität bekommen - dadurch im weltweiten Netz eindeutig identifizierbar sind - und in diesem hochgradig autark agieren können. Dies ist auf viele Bereiche anwendbar, wie z.b. Life Science, Mobilität, Energieversorgung und Medizintechnik. Das Internet der Dienste geht davon aus, dass diese intelligenten Einheiten über Softwaredienste miteinander kommunizieren und dass aus der Auswertung von Daten aller Bereichen sich neuen Dienstleistungen und Geschäftsmodelle ableiten lassen. Die Umsetzung dieser Konzepte in der Produktionstechnik wird als Industrie 4.0 bezeichnet. Industrie 4.0 ist damit die konsequente Digitalisierung der Produktion und das Schaffen neuer Wertschöpfungsketten im industriellen Umfeld. Albrecht Winter: Industrie 4.0 aus der Sicht der prozessnahen Automatisierungstechnik Seite 1 von 11

2 Nach der Mechanisierung durch mechanische Produktionsanlagen mit Dampf- und Wasserkraft (1. industrielle Revolution), der Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion (2. industrielle Revolution) und der Einführung von Elektronik und programmierbarer Steuerungstechnik (3. industrielle Revolution) wird nun der Schritt zur vollständigen Digitalisierung als 4. industrielle Revolution bezeichnet. Tatsächlich stehen wir damit vor komplett neuen Technologien, Wertschöpfungsketten und möglichen Geschäftsmodellen. Trotzdem ist dies eine kontinuierliche, seit langem vorbereitete Entwicklung. Dies zeigt sich zum Beispiel daran, dass Karl Steinbuch dies bereits 1966 vorausgesagt hat: "Es wird in wenigen Jahrzehnten kaum mehr Industrieprodukte geben, in welche die Computer nicht hineingewoben sind. Produktionsstätten, die nach den Prinzipien von Industrie 4.0 organisiert sind, werden als Smart factory bezeichnet. In einer Smart Factory kommunizieren Menschen, Maschinen und Ressourcen so selbstverständlich wie in einem sozialen Netzwerk. Mit Industrie 4.0 werden sehr unterschiedliche Visionen entwickelt: Individualisierung (Losgröße 1) zu den ökonomischen Konditionen eines Massenherstellers wird Realität Produktion wird hoch-flexibel, hoch-produktiv (bis zu +50%), ressourcenschonend (bis zu -50%) und urbanverträglich Wertschöpfungsprozesse werden bedarfsorientiert in Echtzeit optimiert: Bildung virtueller Ad-hoc- Organisationen Ältere Arbeitnehmer profitieren von intelligenten Assistenzsystemen Die bestehende Infrastruktur kann schrittweise nachgerüstet werden Seite 2 von 11

3 Ein wesentlicher Aspekt von Industrie 4.0 ist, dass Daten auch im Produktionsumfeld eine neue Bedeutung bekommen und als Wirtschaftsgut verstanden werden müssen, da sie Basis für neue Geschäftsmodelle sein werden. 2. Industrie 4.0- taugliche Technologien an der Schnittstelle zum technischen Prozess Die Schnittstelle zwischen dem technischen Prozess und der Automatisierung stellt in der Industrie 4.0 Umgebung gelichzeitig die Verbindung zwischen der realem und der virtuellen Welt dar und hat deshalb eine sehr hohe Bedeutung. Dies kommt in IT orientierten Betrachtungen von Industrie 4.0 leider manchmal zu kurz. Die Schnittstelle zwischen Automatisierungstechnik und technischen Prozess ist lehrbuchhaft durch Sensoren und Aktuatoren gegeben. Als Funktionen zugeordnet ist das Messen (z.b. Druck, Durchfluss, el. Messgrößen, Schwingung, Gasanalyse, ) und das Antreiben und Handhaben (z.b. Hydraulik, Pneumatik, Elektrische Antriebe und Vakuumtechnik) Seite 3 von 11

4 Durch den Einzug von Elektronik und Software ist die Schnittstelle zum technischen Prozess heute durch Embedded Systems, d.h. intelligente Sensoren, Aktuatorik mit eingebetteten Regelkreisen und Geräte mit Bus- Kommunikation gekennzeichnet. Dadurch wird es auch in der Feldebene möglich, komplexere Funktionen wie Auswerten, Kommunizieren, Steuern und Regeln durchzuführen. Es hat sich dadurch eine neue Klasse von Geräten gebildet, die als Smart Field Devices bezeichnet werden. Seite 4 von 11

5 Die Basis von Technologien und Methoden nach Industrie 4.0 stellen sogenannte Cyber-physische Systeme CPS dar. An der Schnittstelle zum technischen Prozess haben Smart Field Devices alle Voraussetzungen, um zu Cyberphysischen Systemen weiterentwickelt zu werden. Quelle: SmartFactoryKL Folgende zusätzliche Merkmale kennzeichnen cyber-physischen Systems: Eindeutige Identität im weltweiten Netz. (z.b. eine IP-Adresse) Reales Objekt und virtuelles Abbild sind vorhanden (z.b. ein elektronisches Typenschild mit elektronischer Instandhaltungsakte). Fähigkeit, eigene Dienste im Netz zur Verfügung zu stellen. Ein eigener Dienst z.b. kann die Anforderung einer Re-Kalibrierung oder einer Wartung sein. Daten werden erzeugt, ausgewertet, gespeichert und über Softwaredienste zur Verfügung gestellt Welche Forderungen für Smart Field Devices daraus konkret ableiten, wird in Kapitel 4 hergeleitet. Für die aus cyber-physischen Systemen zusammengestellte Automatisierungslösung wird damit notwendig, dass Funktionen nicht mehr hierarchisch nach Topologien in der Automatisierungspyramide angeordnet sind, sondern in jedem cyber-physischen Gerät umgesetzt werden können. Alle prozessnahen Funktionen werden damit typischerweise in den Smart Field Devices ablaufen. Seite 5 von 11

6 Diese Trennung von Funktionssicht, Anlagensicht und Automatisierungssicht wurde bereits im VDMA Einheitsblatt Feldbusneutrale Referenzarchitektur für Condition Monitoring in der Fabrikautomation konzipiert und standardisiert. Kommunikationsbeziehungen können über Softwareservices zwischen allen Teilnehmern beliebig aufgebaut werden. Dadurch löst sich die hierarchische Sichtweise auf. 3. Beispiel Greifsysteme und Handhabungstechnik Anschauliches Beispiel für die Entwicklung in der prozessnahen Automatisierung sind Greifsysteme. Diese stellen zwischen dem Flansch von Robotern oder Handhabungsportalen das Interface zu dem zu bewegenden Werkstück dar und setzen alle mit dem Greifprozess zusammenhängenden Funktionen um. Früher wurden diese Systeme als mechanisches Teil ohne eigene Intelligenz ausgeführt, alle dem Greifsystem zugeordneten Funktionen wurden von der Robotersteuerung ausgeführt. Heute entwickeln sich Greifsysteme mehr und mehr zu mechatronisches Systemen mit eigener Intelligenz, welche die Ansteuerung des Greifprozesses (z.b. der Vakuumerzeugung, Abblasimpuls, ) und die Auswertung wichtiger Sensordaten des Greifers selbst ausführen. Ausgestattet mit intelligenter Sensorik können so auch Daten zum Condition Monitoring, zur Energieoptimierung und zur Wartungsplanung direkt auf dem Greifer gewonnen werden. In der Zukunft werden Greifsysteme zu cyber-physischen Systemen weiterentwickelt werden, welche z.b. Daten über Werkstücke, über die Prozessqualität, über das Bewegungsverhaltens des Roboters miteinander in Beziehung setzen und daraus Dienste generieren wie Wartungsanforderung, Erkennung von Materialeigenschaften unterschiedlicher Chargen oder die Ermittlung energieoptimaler Prozessparameter für das System Roboter plus Greifer. Seite 6 von 11

7 Bereits heute sind in Vakuum-Kompaktejektoren von Schmalz einige dieser Industrie 4.0 tauglichen Funktionen realisiert: Die energieoptimale Ansteuerung der Vakuumerzeugung, die Zustandsüberwachung des gesamten Systems bis hin zu den einzelnen Vakuumsaugern, das Monitoring des Energieverbrauchs mit Trendanalyse. Implementiert ist auch die Funktionen Predictive Maintenance : Durch die Überwachung aller funktionsrelevanten Prozessdaten am Ejektor können Informationen über den optimalen Zeitpunkt der nächsten Wartung abgeleitet werden. Dadurch kann maximale Anlagenverfügbarkeit durch detaillierte Zustandsanalyse des Systems im laufenden Betrieb gewährleistet werden. Seite 7 von 11

8 4. Smart Field Devices in einer neuen Referenzarchitektur von Industrie 4.0 Auch wenn heute bereits in Smart Field Devices verschiedener Hersteller Industrie 4.0 taugliche Funktionen und Technologien implementiert sind, gibt es neue Anforderungen, die in der Zukunft umgesetzt werden müssen. Ziel ist, herstellerunabhängige Automatisierungslösungen nach Industrie 4.0 zu ermöglichen. Es ist offensichtlich, dass es dafür Regeln benötigt, die herstellerübergreifend gelten. Diese müssen in einer herstellerneutralen Referenzarchitektur oder durch Quasi-Standards einer Industrie 4.0 Softwareplattform vorgegeben werden. a) Die Kommunikation zwischen Smart Field Devices und zu allen anderen Teilnehmern muss über Softwaredienste erfolgen und darf nicht hierarchisch beschränkt sein b) Um ein durchgängiges Engineering von Anlagen und problemlose Inbetriebnahme zu ermöglichen, müssen Plug&Play Methoden für die Konfiguration und Engineeringsysteme verfügbar sein. Dies bedeutet, dass von jedem Smart Field Device ein virtuelles digitales Abbild verfügbar sein muss, welches Informationen für die Engineeringsysteme und für eine virtuelle Inbetriebnahme enthält (Konfigurationsdaten, Simulationsmodelle, ) Seite 8 von 11

9 c) Diese digitalen Modelle der Smart Field Devices (als cyber-physische Systeme) werden über die gesamte Betriebsphase der Maschine oder Anlage genutzt, um Betriebsparameter, Wartungsinformationen, Software- Updates und Statusinformationen zu sammeln. Diese Daten können genutzt werden, um neue Leistungen dem Betreiber der Anlage zu erbringen (z.b. die Optimierung der Produktionsanlage). Seite 9 von 11

10 d) Cyber-physische Systeme sollen in einer idealen Industrie 4.0 Umgebung zu einem großen Grad autonome Systeme sein. Dies bedeutet, dass sie selbst konfigurierend, selbst optimierend, selbst heilend und selbst schützend sind. Dieser Aspekt ist in der Industrie 4.0 Diskussion noch am wenigsten konkret, für Smart Filed Devices können jedoch einige konkrete Anforderungen abgeleitet werden. Insbesonders ist die kontinuierliche und dynamsiche Selbstoptimierung des angekoppelten technischen Prozesses eine notwendige Funktion. e) Die Kombination von den im Smart Field Device gewonnen Daten (aus dem direkt angekoppelten technischen Prozess) mit Daten aus ERP Systemen oder anderen Office-orientierten Systemen wird eine neue Qualität in der Optimierung von Produktionsprozessen bringen. Dafür ist die direkte und barrierefreie Kommunikation dieser Systeme notwendig und eine serviceorientierte Softwarestruktur. So könnte z.b. aus der kontinuierlichen Analyse des vorliegenden Auftragsbestands eine energieoptmierte Fahrweise von Handhabungs- und Greifsystemen abgeleitet und umgesetzt werden. Seite 10 von 11

11 f) Notwendigkeit einer Referenzarchitektur Industrie 4.0 Alle diese Anforderungen an Smart Field Devices können nur dann sinnvoll umgesetzt werden, wenn es einen herstellerunabhängigen Rahmen dafür gibt. Dieser Rahmen wird als Referenzarchitektur bezeichnet, aus Sicht der Smart Field Devices gibt es dafür folgende Anforderungen: Beschreibung der Struktur von Plattformen Beschreibung der Struktur von Software-Diensten Zusammenhang zwischen virtuellem Abbild und realem Objekt Bezug auf die relevanten Wertschöpfungsketten Die Referenzarchitektur kann in Form von Definitionen und beschreibenden Dokumenten erstellt werden. Solche werden derzeit vom Fachausschuss 7.21 der VDI/VDE Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik GMA erarbeitet. Sie könnte aber auch in Form einer Open Source Software-Initiative oder in Form einer offenen Softwareplattform entstehen. 5. Zusammenfassung / Ausblick Smart Field Devices spielen als cyber-physische Einheiten in Industrie 4.0 eine entscheidende Rolle, weil sie die Verbindung zwischen der Realität und dem virtuellen Abbild schaffen Einige Industrie 4.0 tauglichen Daten und Funktionen sind heute schon in diesen Geräten vorhanden und angelegt Smart Field Devices müssen jedoch Anforderungen an autonome Konfiguration, Kommunikation über Services, Self X Funktionen und an ein digitales Abbild erfüllen, um wirklich ready for Industrie 4.0 zu werden Eine Referenzarchitektur wird helfen, diese Anforderungen zu erfüllen Seite 11 von 11

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