Nachhaltigkeit Automatisierungstechnische Systeme in der Produktion

Die gehäufte Verwendung des Begriffs Nachhaltigkeit sollte nicht darüber hinwegtäuschen, dass zwischen Problembewusstsein und -lösung noch ein weiter Weg liegt. Auch ist an der unterschiedlichen Verwendung des Begriffs Nachhaltigkeit zu erkennen, dass eine weite Spanne der Meinungen besteht, welche der drei Säulen der Nachhaltigkeit: ökonomisch, ökologisch oder sozial in den Vordergrund zu stellen ist. Die Erfüllung dieser drei Nachhaltigkeitsgesichtspunkte führt zu einem multikriteriellen Optimierungsproblem.

Bezüglich der Frage, wie eine nachhaltige Produktion gestaltet werden kann, steht unter ökonomischen Gesichtspunkten die dauerhafte Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens im Mittelpunkt. Unter ökologischen Gesichtspunkten betrachtet, konzentriert sich die Gestaltung einer nachhaltigen Produktion eher auf den effizienten Einsatz von Ressourcen, genauer gesagt die Erhöhung der Produktivität von Ressourcen. Soziale Maßstäbe der Nachhaltigkeit wiederum führen zu der Frage, wie in einer nachhaltigen Produktion qualifizierte Arbeitsinhalte für den Menschen geschaffen werden oder bestehende Aufgaben des Menschen in der Produktion qualitativ verbessert werden können. Das heißt, die Bedingungen menschlicher Arbeit müssen sowohl in physiologischer wie auch psychosozialer Hinsicht verbessert werden.

Innovative Automatisierung als Schlüssel

Die Entwicklung automatisierungstechnischer Systeme für die Produktion hat eine Fülle von Innovationen hervorgebracht, durch die entweder die Wettbewerbsfähigkeit verbessert, der Ressourceneinsatz effizienter gestaltet oder der Mensch von anstrengenden Tätigkeiten entlastet werden konnte. Insofern kann Automatisierung als ein Schlüssel zu nachhaltiger Produktion angesehen werden. Automatisierungssysteme müssen heute die vorangehend dargestellten Nachhaltigkeitskriterien zusammenhängend erfüllen. Zusammenhängend heißt, ein oder mehrere Kriterien einer nachhaltigen Produktion zu verbessern. Diese Herausforderung für Ingenieure und Informatiker als wesentliche Entwickler von Automatisierungssystemen steht vor dem Hintergrund einer zunehmenden Komplexität technischer Systeme, einer zunehmend individualisierten Produktion, in der diese eingesetzt werden, sowie der demographischen Herausforderung einer alternden Gesellschaft, für die in dieser Produktion anspruchsvolle und zugleich erfüllende Tätigkeiten generiert werden sollen.

Automatisierungssysteme sind der Kern wandlungsfähiger Produktionsanlagen. Sie müssen daher auch in sich wandlungsfähig sein, um als wesentliche Ressource des Produktionsprozesses ihre eigene Nutzenproduktivität im Sinne von Nachhaltigkeit zu optimieren. Das heißt, das automatisierte Produktionssystem muss in sich erneuerbar sein, um unter gleichzeitiger Wiederverwendung möglichst vieler seiner Teilsysteme ein größtmögliches Maß an Produktivität im Erfüllen neuer Aufgaben zu erzielen.

Ressourcen eines automatisierten Systems sind seine mechatronischen Komponenten, das heißt mechanische Elemente, Sensoren, Aktuatoren sowie steuerungstechnische Hard- und Software. Im Sinne einer nachhaltigen, das heißt möglichst langfristigen effizienten Nutzung dieser Teilsysteme ist das Problem des unterschiedlichen Lebenszyklus aufzulösen. Aufgrund der kurzen Innovationszyklen in der Informationstechnik unterliegt das Steuerungssystem mit seiner Hard- und Software einem schnelleren Wandel als die mechanischen Komponenten und auch die Antriebe. Dieser Umstand führt dazu, dass nachgerüstete Maschinen und Anlagen heute mit der zweiten und dritten Steuerungsgeneration betrieben werden.

Nachhaltig wandlungsfähige Produktion

Entscheidend für die Erneuerbarkeit ist die effiziente Austauschbarkeit von Teilsystemen. Die Leistungsfähigkeit einer Steuerung wird heute im Wesentlichen durch ihre Softwaremodule bestimmt. Die Erneuerung durch Update und Upgrade dieser Module ist verhältnismäßig einfach zu bewerkstelligen, wobei hier im Vergleich zu der PC-Welt die Zuverlässigkeit und Fehlerfreiheit der Software einen deutlich höheren Stellenwert einnimmt. Die Austauschbarkeit von Sensoren und Aktuatoren ist heute auf der Basis vereinheitlichter Kommunikationsschnittstellen ebenfalls deutlich vereinfacht.

Wiederverwendung von Teilsystemen bei der Anlagenrekonfiguration kann sich rechnen. Dies belegen bisher nicht veröffentlichte Studien von Unternehmen der Automobilproduktion. Entscheidend für die Wiederverwendbarkeit ist jedoch die Bewertung der Zuverlässigkeit und Restnutzungsdauer der Teilsysteme. Informationstechnische Systeme beispielsweise zur dezentralen Erfassung der Einsatzbedingungen des Betriebsmittels, so genannte Life-Cycle-Units, sollen dabei unterstützen. Es fehlt jedoch noch die effiziente Integration dieser Daten, beispielsweise in Komponentendatenbanken, um in der Anlagenplanung die komplexen Lebenszyklusparameter eines potenziell wiederverwendbaren Betriebsmittels transparent bewerten zu können.

Mit Bezug zu der Zielsetzung einer nachhaltigen Nutzung in sich wandlungsfähiger Automatisierungssysteme als Ressource des Produktionsprozesses stellt sich allerdings grundsätzlich die Frage, ob die Wiederverwendung von Teilsystemen ebenso innovationsförderlich ist, wie der vollständige Austausch kompletter Anlagen. Die Wechselwirkung zwischen Nachhaltigkeit und Innovationsfähigkeit, das heißt die Frage wie eine innovationsorientierte Wandlungsfähigkeit von Produktionsmitteln gestaltet wird, bedarf in diesem Zusammenhang zukünftig noch einer genaueren Betrachtung.

Wandelbarkeit und Adaptierbarkeit sind wesentliche Säulen einer wettbewerbsfähigen Produktion. Wie vorangehend erläutert, hängt die nachhaltige Nutzung des Automatisierungssystems wesentlich von der Erneuerbarkeit der mechatronischen Teilsysteme, insbesondere der Steuerung ab. Darüber hinaus hat sich die Automatisierungstechnik insbesondere auf Anforderungen der zunehmend individualisierten Produktion einzustellen, also die schnelle Rekonfigurierung der automatisierten Produktionssysteme durch Wandlungsfähigkeit und Adaptionsfähigkeit zu unterstützen. Adaptionsfähigkeit bestimmt damit neben der grundsätzlichen Leistung des Automatisierungssystems zunehmend den Produktionsdurchsatz und die Maschinenauslastung und damit letztendlich die Nutzenproduktivität der Produktionsressourcen.

Wandlung beinhaltet Komplexität

Nachhaltige Beherrschung komplexer, sich wandelnder Prozesse erfordert eine angepasste Prozessführung. Diese kann nur dann effizient beherrscht werden, wenn die Möglichkeiten der Informationstechnik genutzt werden, um die Prozesse transparent zu machen und die Konsequenzen alternativer Abläufe bis hin zu Fehlermöglichkeiten zu verdeutlichen. Ein Werkzeug zur Beherrschung von Komplexität ist die Simulation von Produktionssystemen und -prozessen.

Die Digitale Fabrik mit ihren Softwarewerkzeugen von der Konstruktion über die Anlagenplanung bis hin zur Inbetriebnahmesimulation ist ein großer Schritt im Sinne der Adaptierbarkeit und Rekonfigurierbarkeit und damit der nachhaltigen Wandlungsfähigkeit automatisierter Fertigungssysteme und Produktionsanlagen. Zwei Herausforderungen werden hierbei jedoch in der Zukunft im Vordergrund stehen: zum einen die vollständige simulationstechnische modulare Abbildung der einzelnen Automatisierungssysteme; die Wiederverwendung älterer Automatisierungssysteme in neuen Anlagen wird schon aufgrund ihrer mangelnden Unterstützung der rechnergestützten Planung erschwert. Zum anderen liegt die Herausforderung der Digitalen Fabrik darin, die Durchgängigkeit der Softwarewelten von der rechnergestützten Konstruktion über die Werkzeuge zur Planung und Kontrolle der qualitätsbestimmenden Parameter und Funktionen des Produkts bis zur Anlagenplanung, einschließlich der Softwaremodule zur Automatisierung auf Feldebene herzustellen. Diese Durchgängigkeit wird einen entscheidenden Beitrag zur nachhaltigen Nutzung von Software als Kernressource des Produktionsprozesses und damit gleichzeitig der nachhaltigen Wettbewerbsfähigkeit des Produktionsunternehmens leisten.

Human-orientierte Automatisierung

Beherrschung von Komplexität als Voraussetzung einer wandlungsfähigen Produktion ist aber nicht nur mit den Mitteln der Digitalen Fabrik zu erreichen. Die anpassungsfähigste und auch trotz jahrzehntelanger Forschung auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz immer noch mit Abstand intelligenteste Ressource des Produktionsprozesses ist nach wie vor der Mensch. Dies zeigt sich insbesondere bei komplexen Montageprozessen, in denen sich der Mensch mit seinen überragenden sensomotorischen Fähigkeiten und seiner schnellen Lernfähigkeit als unersetzbar erweist. Je kleiner die Losgrößen einer individualisierten Produktion, umso mehr kommen menschliche Fähigkeiten zum Tragen. Nicht nur auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz wurde und wird erforscht, wie diese Fähigkeiten informationstechnisch nachgebildet werden können. Auch die deutliche Zunahme von Systemen der digitalen Bildverarbeitung und Mustererkennung, insbesondere zur Qualitätskontrolle, unterstreicht die Bedeutung der visuellen Wahrnehmungsfähigkeit des Menschen in produktionstechnischen Prozessen. In der Robotik wird seit jeher versucht, motorische Fähigkeiten des Menschen nachzubilden und diese mit den Fähigkeiten zur Koordination komplexer Bewegungen und der Ortsflexibilität des Menschen zu verbinden. Kooperierende, ortsflexible und humanoide Roboter sind Ausdruck dieser Forschung.

Dabei stehen unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit der Mensch und hochentwickelte rechnergestützte Systeme nicht zwangsläufig in Konkurrenz zueinander. Gerade die Betrachtung von Automatisierung unter den Nachhaltigkeitsgesichtspunkten ökonomisch, ökologisch und sozial führt vielmehr zu einer Perspektive, die den Blick auf eine deutlich engere Verzahnung zwischen Mensch und Automatisierungssystem öffnet, die in der Konsequenz zu einem neuen automatisierungstechnischen Paradigma führt, der human-orientierten Automatisierung.

Das Ziel der human-orientierten Automatisierung ist nicht die Nachbildung, sondern die optimale Unterstützung der menschlichen Fähigkeiten durch das Automatisierungssystem. Unterstützung vor allem in der Weise, dass die körperliche Leistungsfähigkeit erhalten bzw. erweitert wird, beispielsweise durch Kraftunterstützung in der Bewegungsführung, mit der Ermüdung und belastungsbedingte Berufskrankheiten verhindert werden. Beispiele solcherart human-orientierter Automatisierungsgeräte sind die so genannten kooperativen Roboter, kurz Kobots, die bei körperlich belastenden Tätigkeiten unterstützen, dem Menschen jedoch die volle Bewegungskontrolle überlassen und daher auch keiner Programmierung individueller Bewegungsvorgänge bedürfen. Der Mensch führt den komplexen Prozess, der Roboter entlastet ihn und lernt zugleich den Prozessablauf. Die Nachhaltigkeit der Produktion wird mit der human-orientierten Automatisierung in mehrfacher Hinsicht unterstützt: ökonomisch durch verbesserte Anpassungsfähigkeit der teilautomatisierten Systeme an veränderte Produktionsabläufe, ökologisch durch langfristige Nutzbarkeit und Energieeffizienz human-orientierter Systeme sowie sozial durch verbesserte Integration des Menschen in den Produktionsprozess und dessen körperliche Entlastung von schweren Handhabungsaufgaben.

Die Forschung zur Abbildung der natürlichen Wahrnehmung und sensomotorischen Fähigkeiten des Menschen im Sinne vollautomatisierter Systeme wird zweifellos voranschreiten, wie insbesondere in Japan zu beobachten ist. Human-orientiert automatisierte Assistenzsysteme, wie sie in den USA und zunehmend auch in Europa eingesetzt werden, gewinnen jedoch im Sinne nachhaltiger Automatisierung für die Produktion zunehmend an Bedeutung.

Die Frage der Entwicklung und Gestaltung einer nachhaltigen Automatisierungstechnik sollte jedoch generell zu einer umfassenderen Nutzung der Ressource Wissen anregen. Automatisierungstechnisches Wissen stellt ein Kernelement der wettbewerbsfähigen Produktion dar. Die hierin zusammengeführten Kompetenzen, wie zum Beispiel Bewegungsführung mit hochgenauer Lageregelung oder Sensorsignalauswertung in der digitalen Bildverarbeitung, bilden häufig komplexe Fähigkeiten des Menschen mechatronisch ab. Diese Wissensressource umfassender und damit nachhaltiger als bisher zu nutzen heißt, sie auch auf nicht produktionstechnische Prozesse zu übertragen. Die Medizintechnik ist ein Anwendungsfeld, in der sich bereits erfolgreiche Beispiele finden. Robotergestützte Systeme zur Unterstützung des Menschen in Haushalt, Pflege und Rehabilitation bieten darüber hinaus noch große Herausforderungen, aber auch Potenziale. Die Übertragbarkeit des automatisierungstechnischen Wissens von der Fabrik auf andere Anwendungsgebiete sollte daher in den Köpfen der Ingenieure stärker bzw. früher als bisher Berücksichtigung finden.(aus ZWF 6/2007)

Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger, Leiter Geschäftsfeld Automatisierungstechnik, Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik. Geschäftsführender Direktor des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF, Berlin

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