Smart Factory – so sieht die Fabrik der Zukunft aus

14. Jun 2019

Die Fertigungsindustrie steht aktuell vor großen Herausforderungen. Der Markt erfordert mehr Flexibilität und Effizienz bei der Produktion. Gleichzeitig ist die Branche mit einem eklatanten Fachkräftemangel konfrontiert. Wie aber sollen immer weniger Mitarbeiter immer mehr leisten können? Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der intelligent automatisierten Smart Factory.

Die Globalisierung und die Forderungen des Marktes nach mehr Flexibilität und Effizienz haben weitreichende Konsequenzen für die Fertigung. Gefragt sind vielfältige Varianten, die zu immer kleineren Chargen bis hin zur Losgröße 1 führen. Klar ist, dass diese Anforderungen mit der bislang überwiegend als Massenproduktion gestalteten Fertigung nicht erfüllbar sind.

In die Smart Factory der Zukunft einzusteigen, fordert jedoch gerade die mittelständische Fertigungsindustrie immens heraus. Der Umbruch betrifft nicht nur die Produktion, sondern fast alle Unternehmensteile. Erschwerend kommt hinzu, dass es eine fertige Out-of-the-Box-Industrie-4.0-Lösung nicht gibt. Für jede Branche und jedes Unternehmen muss eine individuelle Lösung gefunden werden. So stehen bei Automobil-Zulieferern Pay-per-Use-Modelle im Vordergrund, während Pharmaunternehmen zuerst die nahtlose Rückverfolgbarkeit sicherstellen müssen.

Um die Zukunft aktiv mit zu gestalten, sollte der Mittelstand jetzt handeln. Zwar kann die Umwandlung in eine Smart Factory ein komplexes Projekt sein, der Einstieg ist jedoch auch einfacher zu haben. Ein Pilotprojekt vermag als praktisches Lernobjekt zu dienen, um möglichst schnell reale Daten und Vergleichsmöglichkeiten aus der Fertigung zu gewinnen. Ein Beispiel dafür ist eine voll automatisierte und vernetzte Roboterzelle. Über beispielsweise die KUKA Cloud werden alle beteiligten Komponenten miteinander vernetzt – dabei ist es gleich, von welchem Hersteller die eingebundenen Komponenten der Zelle stammen. Aufsetzen kann man durch die Verbindung von analoger und digitaler Welt diverse Services wie Authentifizierung, Datenverarbeitung, vorausschauende Wartung und Ereignisauswertung. Da alle Daten der Maschinen, Roboter und der Werkzeuge visuell gut verständlich dargestellt werden, haben Werker, Instandhaltung und Management stets die volle Übersicht und Kontrolle über den Produktionsprozess.

Autonom und intelligent: Das ist die Zukunft

Die Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur Smart Factory ist die intelligente Automatisierung der Produktion. Statt starrer Bearbeitungslinien mit langen Umrüstzeiten werden autonome Systeme eingesetzt werden, die sich selbst organisieren. Sowohl das erforderliche Material als auch Werkzeuge und Vorrichtungen werden zukünftig zusammen mit dem Fertigungsauftrag just in time an die autonomen Bearbeitungszentren geliefert werden. Bei Störungen wie beispielsweise ausbleibenden Material- oder Werkzeuglieferungen ist geplant, dass diese Systeme selbstständig reagieren.

Zentrale Bausteine für eine smarte Fabrik der Zukunft sind die sogenannten „Cyberphysischen Systeme (CPS)“. Sie werden einen physischen Gegenstand mit einer intelligenten, vernetzbaren IT-Komponente koppeln und ihm damit Intelligenz und eine digitale Identität verleihen. Nicht nur Fertigungsmaschinen und Roboter werden mehr und mehr als CPS gestaltet. Auch die Logistikfahrzeuge und Transportbehälter werden mit Sensoren, die Ort und Status mitteilen, in die Smart Factory eingebunden, ebenso mobile Werkzeuge. Beispiele für autonom agierende Systeme in der Smart Factory der Zukunft:

Vernetzung ist Pflicht

Die Vernetzung der Maschinen untereinander und mit anderen Unternehmensbereichen sowie die Kommunikation mit menschlichem Personal sind zwingende Voraussetzungen für eine Smart Factory. Dementsprechend vielfältig sind die Möglichkeiten dazu im Vergleich zur herkömmlichen Massenproduktion.

Aktuell gibt es noch keine Standards, aber Open Platform Communications – Unified Architecture (OPC-UA) scheint sich durchzusetzen. Erst vor Kurzem haben sich Partner wie KUKA und die SAP in der Open Industry 4.0 Alliance zusammengefunden, um sich gemeinsam zu offenen Standards zu verpflichten. Dadurch sollen ganzheitliche, interoperable Industrie-4.0-Lösungen und -Services effizienter entstehen können.

Bei stationären Maschinen ist die Anbindung per Kabel meistens noch das Mittel der Wahl. Dies bietet eine höhere Bandbreite, ist weniger Störungen ausgesetzt und entlastet die Funkkanäle. Hier existieren historisch bedingt mehrere Bus-Systeme, von denen Profibus und Canbus schon sehr lange eingesetzt werden. Auch über Ethernet hat sich eine Reihe von Bus-Systemen etabliert. Für M2M zeichnet sich derzeit OPC-UA als Standard ab.

Verständnis zeigen

Menschen und Maschinen in der Smart Factory kommunizieren ständig miteinander. Doch das allein reicht nicht. Die Systeme müssen sich auch verstehen. Bislang ist es noch eine große Herausforderung, Geräte, Fahrzeuge, Maschinen und IT-Systeme unterschiedlicher Hersteller mit den verschiedensten Schnittstellen und Datenprotokollen zur Zusammenarbeit zu bewegen. Eine sichere und komfortable Vernetzung ohne großen Aufwand wird erst durch herstellerübergreifende Standards möglich. Daher werden gerade mit Hochdruck weltweit einheitliche und harmonisierte Industriestandards für die Machine-to-Machine(M2M)-Kommunikation entwickelt. In Deutschland treibt dies die neu gegründete „Open Industry 4.0 Alliance“ voran.

Hunger nach Daten

Autonome Fertigungszellen benötigen im Vergleich zur herkömmlichen Massenproduktion eine hohe Intelligenz. Aus diesem Grund werden in der Smart Factory der Zukunft zunehmend Methoden angewandt, die auf künstlicher Intelligenz (KI, englisch: Artificial Intelligence, AI) beruhen. Dabei ist aber zu beachten, dass diese intelligenten Modelle erst anhand realer Daten erstellt, überprüft und trainiert werden können. Häufig stammen diese Daten aus unterschiedlichen Quellen, sind heterogen und wenig strukturiert. Eine entsprechende Sorgfalt bei der Verarbeitung dieser Daten ist also zwingend notwendig. Der große Vorteil von Daten, die im eigenen Unternehmen generiert werden, beispielsweise durch die in einer Smart Factory zahlreich vorhandenen Sensoren, ist die Berücksichtigung der unternehmensspezifischen Randbedingungen. KI zu nutzen, kann damit zu individuellen und damit effizienten Lösungen führen.

Intelligente Fertigung in der digitalen Fabrik der Zukunft

Obwohl bereits viele Führungskräfte von Fertigungsunternehmen angeben, bereits initiative Projekte zur Vernetzung von Fertigungsprozessen und Big Data oder dem Internet der Dinge gestartet zu haben, können ...

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Die Rolle des Menschen

Die Fertigungsindustrie steht vor zahlreichen neuen Herausforderungen. Gleichzeitig kämpfen alle Unternehmen weltweit mit einem Fachkräftemangel, der zunehmend das Wachstum begrenzt. Smarte Automationslösungen können dieses Dilemma lösen. Durch ihre Intelligenz sind sie in der Lage, autonome Entscheidungen zu treffen und so die menschlichen Experten zu entlasten. Diese können sich auf hochgradig wirtschaftliche Tätigkeiten konzentrieren, dort, wo ihre Expertise unabdingbar ist.

Unter diesen Randbedingungen gewinnt die intuitive und intelligente Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstellen große Bedeutung. Sie wird darüber entscheiden, ob die Komplexität in einer vernetzten Smart Factory handhabbar bleibt. Langfristig werden immer Menschen in der Lage sein müssen, gezielt und kompetent einzugreifen. Letztlich soll der Mensch auch die abschließende Kontrolle über die Smart Factory behalten.

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