Industrie 4.0 Wie das Internet die Automatisierung verändert

Autor / Redakteur: Rüdiger Dabelow * / Gerd Kucera

Industrie 4.0 ist ein Zukunftsprojekt in der Hightech-Strategie der Bundesregierung, mit dem die Informatisierung der klassischen Industrien, wie Produktionstechnik, vorangetrieben werden soll.

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Industrie 4.0: Die Demo-Anlage, wie sie auf der Hannover-Messe zu sehen war; Produkte tragen ein Gedächtnis mit hinterlegten Auftrags- und Produktionsdaten und bestimmen damit ihre Produktion
Industrie 4.0: Die Demo-Anlage, wie sie auf der Hannover-Messe zu sehen war; Produkte tragen ein Gedächtnis mit hinterlegten Auftrags- und Produktionsdaten und bestimmen damit ihre Produktion
(Bild: SmartFactory e.V.)

Das Internet ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Reale Objekte in unserer Umgebung sind zunehmend miteinander vernetzt und haben eine eindeutige Identität im Internet. Haushaltsgeräte kommunizieren mit dem Smartphone, Postsendungen lassen sich über das Internet verfolgen.

Der allgegenwärtige Zugriff auf Informationen über physische Objekte, unabhängig vom Ort und von der Art des Zugangs, bildet dabei den zentralen Mehrwert für den Nutzer. Die Übertragung dieses allgegenwärtigen Informationszugriffs und neuer Kommunikationstechnologien auf die industrielle Produktionstechnik bedeutet einen Paradigmenwechsel, man spricht von der vierten industriellen Revolution.

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Mit Industrie 4.0 fördert die Bundesregierung die Chance, die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands auf diesem Gebiet zu sichern und entscheidend zu steigern. Folgende Herausforderungen der zukünftigen industriellen Produktion stehen dabei im Vordergrund: die individuelle Fertigung mit hoher Variantenvielfalt und geringen Losgrößen, die Erhöhung der Wandelbarkeit und Flexibilität von Anlagen und Prozessen sowie die umfassende Informationsbereitstellung für den Menschen.

Die zentralen Aspekte der vierten industriellen Revolution können anhand von drei Paradigmen verdeutlicht werden: das intelligente Produkt, die kommunizierende Maschine und der assistierte Bediener. Die Leitidee des intelligenten Produkts beschreibt die Rolle des Rohlings als handelnder Teil des Systems. Produkte tragen ein Gedächtnis mit hinterlegten Auftrags- und Produktionsdaten und bestimmen damit ihre Produktion. Durch das Paradigma der kommunizierenden Maschine werden Anlagenkomponenten zu Cyber Physical Systems. Darunter versteht man autonome Einheiten mit lokaler Steuerungsintelligenz, die über offene Netze und semantische Beschreibungen in einem Automatisierungsnetzwerk mit anderen Maschinen, Produkten und Anlagen kommunizieren.

Der Kernaspekt des assistierten Bedieners zielt darauf ab, den Menschen im Zentrum der Fabrik durch kontextsensitive Informationsbereitstellung und die Anreicherung der realen Welt mit virtuellen Informationen (Augmented Reality; AR) zu unterstützen. So lässt sich die steigende technische Komplexität optimal beherrschen. Die herstellerunabhängige Technologie-Initiative SmartFactoryKL am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) leistet seit vielen Jahren Pionierarbeit zur praktischen Umsetzung der Kernaspekte der nun gegenwärtigen vierten industriellen Revolution.

Das Leistungsspektrum reicht von der Entwicklung und Erprobung maßgeschneiderter Lösungen in gemeinsamen Projekten bis hin zur individuellen Beratung. Die Grundlage dafür bietet die Forschungs- und Demonstrationsplattform der SmartFactoryKL sowie ein exzellentes Netzwerk aus Industrie und Wissenschaft.

Auf der HMI 2013 zeigten SmartFactoryKL und DFKI eine Demonstrationsanlage als zentrales Ausstellungsstück des Forums Industrial-IT. Anhand einer kompletten Produktionslinie wurden die relevanten Inhalte der vierten industriellen Revolution mittels innovativer Informations- und Kommunikationstechnologien veranschaulicht. Die modular aufgebaute Anlage verdeutlichte die flexible kundenindividuelle Fertigung eines beispielhaften Elektronikproduktes, dessen Bauteile (Gehäusedeckel, Gehäuseboden, Platine) gehandhabt, mechanisch bearbeitet und montiert werden.

Das Beispiel einer Komissionierstation

Der Produktionsprozess zur Herstellung des exemplarischen Produkts startet mit der Erstellung eines kundenindividuellen Produktionsauftrags. Die Auftragsdaten werden vom Auftragssystem per OPC UA an die Steuerung der Kommissionierstation übertragen und in das digitale Produktgedächtnis gespeichert. Dieses ist in Form eines RFID-Transponders direkt am Produkt angebracht und enthält alle fertigungsrelevanten Parameter sowie Informationen über den Produktionsstatus. Nach Initialisierung des Produktgedächtnisses übernimmt der Roboter die Funktion als Bindeglied zwischen Materiallager, Frässtation und der automatisierten Montagestation.

Beispiel Frässtation: Der Roboter entnimmt den Produktdeckel aus einem automatisierten Werkstücklager und bestückt die Frässtation, in der nach Kundenwunsch eine individuelle Gravur in den Gehäusedeckel des Produkts eingebracht wird. Basierend auf dem Konzept der dezentralen Prozessteuerung, werden die Auftragsdaten für den Zerspanungsprozess aus dem digitalen Produktgedächtnis verwendet. Nach Abschluss des Bearbeitungsprozesses wird der Gehäusedeckel durch den Roboter entnommen und an die nächste Station übergeben.

Die automatisierte Montagestation

In der automatisierten Montagestation werden die Einzelteile des Produkts durch eine Pick&Place-Einheit gehandhabt und durch verschiedene Verpressstationen zusammengefügt. Mit einem intelligenten Werkstückträger wurde eine prototypische Ausprägung eines Cyber Physical Systems gezeigt, das durch eingebettete Sensorik, lokale Verarbeitungsintelligenz und drahtlose Kommunikation mit der Anlagensteuerung aktiv Einfluss auf den Fertigungsprozess nimmt. Durch ein neuartiges Plug&Play-Konzept ist der einfache Austausch einer Anlagenkomponente möglich.

* * Rüdiger Dabelow ist Forschungsbereichsmanager am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH und Geschäftsführer der Technologie-Initiative SmartFactoryKL e.V.

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