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SmartFactory KL Das Internet der Dinge zieht in das Fabrikumfeld ein

| Autor / Redakteur: Dr. Jochen Schlick, Dominic Gorecky, DFKI - Deutsches Forschungsinstitut für Künstliche Intelligenz, / Reinhard Kluger

Die Technologien des Internet der Dinge, welche heute bereits Einzug in unseren Alltag halten, helfen, die wachsende Komplexität heutiger Produktionsanlagen für den Menschen beherrschbar zu machen. In der SmartfactoryKL werden solche neuen Technologien an realen Produktionsanlagen entwickelt und für den Einsatz in der Produktion fit gemacht.

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Die SmartFactoryKL ist nicht nur eine voll funktionstüchtige Fabrik der Zukunft – sie ist vor allem ein herstellerunabhängiges Forschungs- und Entwicklungslabor für Automatisierung und IKT im Produktionsumfeld. Dabei produziert die hochmoderne Anlage nichts anderes als farbige Seife.
Die SmartFactoryKL ist nicht nur eine voll funktionstüchtige Fabrik der Zukunft – sie ist vor allem ein herstellerunabhängiges Forschungs- und Entwicklungslabor für Automatisierung und IKT im Produktionsumfeld. Dabei produziert die hochmoderne Anlage nichts anderes als farbige Seife.
( Archiv: Vogel Business Media )

Wir befinden uns heute inmitten einer neuen IT-Revolution: Die Allgegenwart der Computer und deren umfassende Vernetzung erfassen unseren Alltag - eine Entwicklung die Internetpionier Marc Weiser bereits 1991 als „Ubiquitous Computing“ voraussagte. Die Gegenstände unseres Alltags vernetzen sich zu einem Internet der Dinge und läuten damit das nächste digitale Zeitalter ein, das sich durch Informationsflut und Schnelllebigkeit auszeichnet.

Wettbewerbsfähigkeit von Hochlohnländern gewährleisten

Dieser Umbruch wirkt sich auch auf die Anforderungen an die Produktion von Konsumgütern aus. Neben dem globalen Wettbewerb und dem daraus resultierenden Zwang zur kontinuierlichen Verbesserung erhöhen kürzere Produktlebenszyklen und gestiegene Variantenvielfalt den Druck auf produzierende Unternehmen. In heutigen Produktionssystemen ist das Paradigma des Computer Integrated Manufacturing weitreichend implementiert. Mit zunehmender Automatisierung nimmt jedoch auch der Aufwand zur Planung und Wartung moderner Fertigungsanlagen zu – mit der Konsequenz, dass der Mensch durch die technischen Möglichkeiten überfordert ist. Dabei werden gerade seine kognitiven Fähigkeiten benötigt, um Verbesserungsprozesse zu initiieren und die Wettbewerbsfähigkeit von Hochlohnländern zu gewährleisten.

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Technik auf das Wesentliche reduzieren

Es erscheint deshalb unausweichlich, die Komplexität der Prozesse und Technologien auf ein beherrschbareres Niveau zu reduzieren. Die Lean Production beweist, dass Transparenz in der Organisation zu weniger Fehlern und Verschwendungen in der Produktion führt. In Analogie zur Lean Production bedarf es heute einer Art Lean Technology, bei der sich die Technik an uns anpasst und nicht umgekehrt. Dies bedeutet, dass die Technik auf das Wesentliche reduziert, oder - falls dies nicht möglich ist - durch eine unterstützende Assistenz vereinfacht wird.

Bedienung muss intuitiv sein

Zur Unterstützung des Menschen gelten Trends aus der Konsumelektronik, z.B. SmartPhones oder aus dem Automotive-Bereich, z.B. Fahrassistenzsysteme als zukunftsweisend. Hier wurde der Ansatz des Ubiquitous Computing konsequent umgesetzt: Er verlangt, dass die Bedienung so einfach und intuitiv sein muss, dass die dahinterliegende Technik gar nicht mehr wahrgenommen wird. Solche smarte Assistenzen besitzen heute eine ausreichende technologische Reife, um sie auch in der industriellen Praxis effizient einzusetzen. Dazu muss das Internet der Dinge auf die Fabrikwelt übertragen werden.

Objekte der Fabrikwelt werden smart

Ob Sensoren oder Aktoren, ob einzelne Komponenten oder ganze Anlagen, ob Werkzeuge oder Produkte – die Objekte der Fabrikwelt werden smart. Sie besitzen eine integrierte Intelligenz, welche es ermöglicht, Daten aus der Umgebung zu sammeln, zu interpretieren und weiterzuleiten. In der Fabrikautomation stellen die RFID-Tags, berührungslos lesbare und wiederbeschreibbare Datenträger, den Einstieg in diese Entwicklung dar. Durch die Verfügbarkeit von immer mehr Rechenleistung auf engstem Raum, werden diese Tags bald mit einer eigenen Recheneinheit und mit vielfältigen Kommunikationsschnittstellen ausgerüstet sein.

Diese Kommunikationsfähigkeit führt dazu, dass sich diese smarten Gegenstände miteinander vernetzen und Informationen austauschen können. Der Grundstein für diese informationstechnische Vernetzung von Gegenständen ist bereits heute durch die Erweiterung des Adressraums des Internetprotokolls gelegt.

Fortschritte bei der drahtlosen Datenübertragung und die Verfügbarkeit von hochauflösenden LCD-Displays ermöglichen innovative Bedienkonzepte. Mittels universeller Bedieneinheiten kann der Anwender mobil und zu jeder Zeit auf beliebige Produktionsprozesse zugreifen.

Automatisierung und IKT im Fabrikunfeld

Viele der hier genannten Innovationen konnten bereits erfolgreich von der Technologie Initiative SmartFactoryKL umgesetzt und erprobt werden. Die SmartFactoryKL ist nicht nur eine voll funktionstüchtige Fabrik der Zukunft – sie ist vor allem ein herstellerunabhängiges Forschungs- und Entwicklungslabor für Automatisierung und IKT im Produktionsumfeld. Dabei produziert die hochmoderne Anlage nichts anderes als farbige Seife. Der Clou ist jedoch nicht was gemacht wird, sondern wie es gemacht wird.

Der Produktionsarchitektur ist strikt modular aufgebaut, d.h. die Anlage besteht aus mechanisch und steuerungstechnisch abgeschlossenen Modulen, die sich nach dem „Plug’n’Play“-Prinzip beliebig kombinieren und erweitern lassen. Der modulare Charakter wird durch die drahtlose Kommunikationsarchitektur der SmartFactoryKL weiter unterstützt. Die Auftragsdaten werden auf einem an den Flaschen angebrachten RFID-Tag gespeichert und können von dezentralen Steuerungseinheiten eingelesen und bestätigt werden.

Ortsinformationen bereitstellen

Trotz des hohen Automatisierungsgrades steht der Anwender in der SmartFactoryKL im Mittelpunkt der Forschung. So wurde ein universelles Bediengerät entwickelt, welches Fabrikkomponente unterschiedlicher Hersteller mittels Wlan und Bluetooth überwachen und parametrieren kann. Die jeweilige Bedienoberfläche wird dabei dynamisch und komponentenspezifisch generiert.

Zur weiteren Unterstützung von Logistik und Service wurden verschiedene Ortungssysteme, darunter GPS, UWB und RFID, untersucht und miteinander kombiniert. Die angemessene Bereitstellung von Ortsinformationen hilft dem Anwender sich bei seiner Tätigkeit in unübersichtlichen Fabrikanlagen zurechtzufinden.

Virtueller Nachbau

Die SmartFactoryKL funktioniert heute nicht nur in der Realität; sie existiert zudem als virtueller Nachbau und ermöglicht die Optimierung von real ablaufenden Prozesse anhand von Echtzeitsimulationen.

In Zukunft sollen die Verbindung von digitaler und realer Welt im Sinne des Internet der Dinge noch enger geknüpft werden. Die aktuellen Forschungsschwerpunkte konzentrieren sich darauf, die dazu notwendigen Voraussetzungen zu schaffen. Die Vernetzung der einzelnen Geräte untereinander erfordert einheitliche Schnittstellen und Standards zum Kommunikationsaufbau. Gerade in der Fabrikautomation existieren heute eine Vielzahl unterschiedlicher Bussysteme und Übertragungsprotokolle - die Fähigkeit zur ad-hoc Vernetzung bieten allerdings nur wenige Systeme.

Service-orientierte Dienststrukturen

In Hinblick auf die Schnelllebigkeit von Konsumprodukten und der damit geforderten Flexibilität, muss die Planung und Umsetzung von Fertigungsanlagen auf einem höheren Abstraktionsniveau realisiert werden als es heute der Fall ist. Hier können Service-orientierte Dienststrukturen (SoA), wie sie aus Unternehmenssoftware bekannt sind, als Vorbild dienen. Innerhalb von komplexen Software-Systemen werden einzelne Funktionalitäten gekapselt und semantisch beschrieben. Auf Basis dieser semantischen Beschreibung werden die jeweiligen Dienste dann zu einem Gesamtprozess orchestriert. Der Fokus der Planung liegt damit auf der Ausgestaltung von Prozess und nicht auf der Systemintegration.

Die aktuellen Forschungsthemen der SmartFactoryKL zielen auf die umfassende technologische Weiterentwicklung des gesamten Produktionssystems. Ubiquitären Kommunikationskonzepten gelten dabei als wegweisende für die Produktion des 21.Jahrhundert. Mit der Übertragung des Internet der Dinge ins Fabrikumfeld kommt die SmartFactoryKL diesem Ziel einen großen Schritt näher.

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