Der Schriftzug "Industrie 4.0" war auf der Hannover Messe Industrie allenthalben zu sehen, konkrete Installationen gab es allerdings weniger. Das mag auch daran liegen, dass die "Smart Factory" eine enorme Herausforderung für Hersteller, Konstrukteure, Entwickler und Betreiber von Fertigungsstätten ist, weil die Innovationszyklen im Anlagenbau sehr viel länger sind, als in der IT.
Viele Maschinen und Produktionsanlagen haben eine Lebensdauer, die ihre Betreiber in Jahrzehnten messen. Wer diese Installationen zügig ins vierte industrielle Zeitalter überführen möchte, muss vorhandene Technik um intelligente Systeme erweitern. Doch alte und neue Komponenten sind in der Regel inkompatibel, etwa weil Maschinensignale heute analog und mittels Industrieprotokoll übertragen werden, intelligente Erweiterungen auf Windows-, Linux- und Unix-Basis dagegen IPv6 (Internet Protocol Version 6) verwenden. Auch für die vertikale und horizontale Integration von Datenflüssen und Arbeitsabläufen gibt es heute zu viele Brüche, um etwa durchgängige Sicherheitskonzepte oder nahtlose Logistikprozesse über ERP-, SCM- und MES-Installationen hinweg umzusetzen.
Der Begriff Industrie 4.0 soll auf die bevorstehende vierte industrielle Revolution verweisen (nach der Mechanisierung, Massenfertigung und Automatisierung). Tatsächlich werden sich die Änderungen langsam und evolutionär einstellen. Daher ist es kein Wunder, dass auf der Hannover Messe vor allem die Forschungseinrichtungen Exponate zum Thema Industrie 4.0 vorweisen konnten.
DFKI: Modulare Smart Factory
In den vergangenen Jahren hat sich insbesondere das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI) hervorgetan, wenn an der Fabrik der Zukunft entwickelt wird. Die Vision der Forscher ist es, die Einzelfertigung mit den Mitteln der Massenproduktion zu betreiben. Dazu sind auf Maschinenebene flexible Anlagen mit minimalen Umrüstzeiten erforderlich. Zudem muss das zu fertigende Produkt - oder zumindest sein Begleiter durch den Produktionsprozess wie etwa das Trägersystem - ein intelligentes Gedächtnis mit sich führen. Auf Prozessebene sind durchgängige und mit der Produktion synchronisierte Abläufe erforderlich, um eingehende Einzelaufträge anzunehmen, in den Fertigungsprozess einzupflegen, in Rechnung zu stellen und das Endprodukt an den Kunden auszuliefern.
Auf der Messe in Hannover konnte das Institut einige Industriepartner für eine kleine Modellfabrik gewinnen, die die Herausforderungen ansatzweise skizziert. Die Aufgabe bestand darin, Anlagenmodule von unterschiedlichen Herstellern mit jeweils eigenen Steuerungsarchitekten so zu einer vollständigen Produktlinie zu kombinieren, dass sie gemeinsam in der Lage waren, Visitenkartenhalter mit unterschiedlichen Deckelfarben und individueller Gravur herzustellen.
Die Fertigungseinheiten von Festo, Rexroth, Harting, Phoenix Contact und Lapp Kabel haben dabei jeweils einzelne Fertigungsschritte übernommen (etwa das Festo-Modul für die Gravur, Rexroth für Verbindung von Klammer und Gehäuse, Lapp-Kabel für die Qualitätskontrolle). Weitere Kooperationspartner lieferten unterstützende oder haben Backend-Dienste zu. Beispielsweise übernahm der ERP-Hersteller Proalpha den Auftragseingang am Terminal und die erste Programmierung des RFID-Tags. Cisco lieferte Dienste für die Videoüberwachung des Prozesses.
Die Standards und Schnittstellen zwischen den einzelnen Modulen (etwa für die Schleusen, Höhe des Transportbandes, RFID-Programmierung) hatte das DFKI definiert. Die Versorgung mit Strom, Druckluft und Kommunikationsdiensten lieferte ein gemeinsamer Backbone an der Rückseite der Anlage, an den jedes einzelne Modul per Standardstecker angeschlossen wurden.
Um die Flexibilität der Anlage zu zeigen, wurden einzelne Anlagenteile zweimal am Tag in ihrer Reihenfolge verändert. Während der Umrüstung, die nur wenige Minuten dauerte, lief die Produktion der Kartenhalter in den nicht betroffenen Module unverändert weiter. Das wurde möglich, weil dafür erforderlichen Produktionsdaten auf den RFID-Chips gespeichert wurden, die im Deckel jedes Visitenkartenhalters integriert waren. Der RFID-Chip lieferte jeder Anlage Informationen darüber, welche Produktionsschritte bereits absolviert waren und welche noch ausstehen. Damit konnten DFKI und Industriepartner zeigen, dass sich die traditionellen hierarchischen Steuerungsarchitekturen in der Produktion aufbrechen und auf dezentrale, intelligente Einheiten verlagern lassen.
CIIT: Augmented Reality in der Fertigung
Auch das Centrum Industrial IT (CIIT) treibt das Thema Industrie 4.0 voran, indem es Industrie und Forschung unter einem Dach zusammenführt. Das CIIT ist ein Gemeinschaftsprojekt vom Fraunhofer Anwendungszentrum Industrial Automation (IOSB-INA) und der Hochschule Ostwestfalen Lippe. Es kooperiert, um die Fabrik der Zukunft zu gestalten, eng mit Industriepartnern aus der Region. In Ostwestfalen Lippe haben sich viele mittelständische Fertigungsunternehmen beziehungsweise Anlagenhersteller und -zulieferer wie etwa Claas, Miele, Hella und Benteler angesiedelt. Sie vermarkten sich als Technologienetzwerk "it´s owl" und leisteten sich auf der Messe einen Gemeinschaftsstand unter diesem Logo.
Auf diesem Stand präsentierte auch das CIIT einen Ausschnitt seiner kompletten Industrie-4.0-Montagelinie, die das Forschungsprojekt auf dem Campus der Hochschule betreibt. In Hannover zeigten Fraunhofer und Hochschule die teilautomatisierte Fertigung von Lego-Figuren (unter anderem eine Eule als Referenz an das Technologienetzwerk), die sich individuell beschriften ließen.
Das CIIT nutzte ebenfalls die RFID-Technik, um die Abläufe zu steuern und die einzelnen Prozessschritte zu koordinieren. Hier wurde die Intelligenz aber nicht der Legofigur hinzugefügt, sondern der Trägereinheit für das zu fertigende Produkt. Das hat den Vorteil, dass der RFID-Tag wiederverwertbar ist, weil er am Ende des Prozesses für den nächsten Auftrag zur Verfügung steht.
Zu den Kooperationspartnern der CIIT-Installation zählen unter anderem die Konkurrenten Phoenix Contact und Weidmüller, die für den Betrieb der Demo-Anlage beispielsweise I/O-Systeme und Industrial-WLAN-Module zur Verfügung stellten. Das MES-System des Anbieters ISI Automation übernahm Aufgaben wie die Auftragserfassung und Produktionssteuerung. Turck Automation wiederum zeichnete für das Beschreiben und Lesen der RFID-Chips verantwortlich.
Das besondere an dem CIIT-Exponat war die Integration der manuellen Fertigung in die automatisierten Prozesse. Um künftige Arbeitsweisen von Fabrikmitarbeiter zu demonstrieren, wurde die Legofigur noch vollständig von Automaten assembliert. Die abschließenden Arbeiten mussten händisch erledigt werden. An einem Arbeitsplatz konnten Messebesucher die Legofiguren aus einzelnen Bausteinen zusammensetzen.
Die Anleitung zum Bau der Legofiguren lieferte eine Datenbrillen, die grafische Informationen in das Sichtfeld des Betrachters einblendete. Die digitale Brille des Anbieters Vuzix - sie ist für das industrielle Umfeld besser geeignet als Google Glas, weil sie robuster ist - zeigte beispielsweise an, welches Legoteil im nächsten Fertigungsschritt benötigt wird, wo es im Regalsystem zu finden ist und wie es dem Korpus hinzugefügt werden muss. Das CIIT möchte mit dieser Installation die Möglichkeiten der überlagerten digitalen und realen Welt (Augmented Reality) in der manuellen Fertigung demonstrieren.
TU Berlin: Robotersteuerung per Microsoft Kinect
Die Technische Universität (TU) Berlin zeigte auf dem Gemeinschaftsstand von Berlin Brandenburg einen Roboter, der mittels Gesten zu steuern ist. Mit einfachen Handbewegungen lässt sich der Ablauf des Greifarms nach Vorstellungen des Bedieners programmieren. Dazu zeichnet der Bediener die gewünschten Abläufe mit der Hand in die Luft, eine Kamera speichert die Bewegungen und die vom Bediener ebenfalls per Geste gesetzten Aktionspunkte und übersetzt sie in vom Roboter verstandene Maschinensprache. Anschließend kann der so programmierte Automat die Abläufe selbsttätig wiederholen.
In der Praxis soll sich das Exponat überall dort einsetzen lassen, wo eine schnelle Umrüstung der Automaten erforderlich ist, ohne das ein Techniker in die Programmierung der Maschine eingreifen muss.
Das auf der Messe gezeigte Modell ist ein in seiner Funktion reduziertes Ausstellungsstück. Das Original, das im Fachgebiet Industrielle Automatisierungstechnik am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin betrieben wird, arbeitet mit zwei installierten Kinect-Boxen von Microsoft, die die Gesten punktgenau erfassen und den Roboter dadurch exakter steuern.
Die Steuerung der Demo-Roboter erfolgt über eine vom Verbundforschungsprojekt gestaltete Cloud. Das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Vorhaben möchte die Inkompatibilität zwischen den Robotern verschiedener Hersteller sowie die Trennung der unterschiedlichen Steuerungsebenen in den Produktionsanlagen aufheben. Dazu arbeitet das Projektteam an eine Art "Universalschnittstelle" für Roboter, die sie in der Cloud ablegt. Über eine solche Installation sollen sich dann Automaten unabhängig vom Hersteller und Endgerät (PC, Tablet, Smartphone) steuern lassen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens Projekt Picasso (Industrielle Cloudbasierte Steuerungsplattform) sind Effizienzgewinne, indem es Anwendern Steuerungstechnik für cyber-physische Systeme in der industriellen Produktion flexibel bereitstellt. Die vorhandene, monolithische Steuerungstechnik sollen aufgebrochen und modularisiert werden sowie um eine zentrale Datenverarbeitung in der Cloud und durch service-orientierte Softwarearchitekturen erweitert werden. Die Cloud-Installation, die bis dato noch nicht einsatzbereit ist, kann zudem als Basis für Mehrwertdienste dienen.
Am Vorhaben sind Hersteller wie die Robert Bosch GmbH, Sotec, die Robomotion GmbH und Reis Robotics beteiligt. Neben der TU Berlin stellen die Universität Stuttgart und das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) Forscher für das Projekt Picasso ab.
Wibu Systems: Verschlüsselte Embedded Systems
Auch abseits der Forschungsinstitute gibt es Aktivitäten zur Ausgestaltung der Industrie 4.0. Ein besonderes Augenmerk gilt der Sicherheit, denn mit der Vernetzung der Industrieanlagen auf IP-Basis und der nahtlosen Integration von Maschinen- und Fertigungs- und Prozesssteuerung entstehen neue Bedrohungen und Möglichkeiten, in die Produktionsabläufe einzugreifen.
Die Verschlüsselung der Fertigungsdaten ist ein Anliegen des in Karlsruhe ansässigen Security-Unternehmens Wibu Systems. Das Unternehmen ist bereits seit 25 Jahren in der IT-Security-Branche aktiv und konzentriert mehr und mehr darauf, auch Industrieanlagen abzusichern. Dazu engagiert sich Wibu Systems beispielsweise in der vom BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik) und Bitkom gestarteten "Allianz für Cyber-Sicherheit". Zudem besteht seit einigen Wochen auch eine Kooperation mit dem DFKI.
"CodeMeter" ist die zentrale Produktlinie für vernetzte Industrieumgebungen aus dem Hause Wibu Systems. Sie besteht im Wesentlichen aus Hardware-Dongle in verschiedenen Größen und Bauformen sowie mit diversen Schnittstellen (etwa USB, Compact-Flash, PC Card). Eine Software ergänzt die Lösung um Funktionen wie das Lizenz-Management.
Auf der Messe zeigte Wibu Systems, wie sich Maschinen mit Embedded-Systems auf Windows-CE-Basis schützen lassen. Dazu hatte der Security-Anbieter eine kleine Anlage des Stickmaschinenherstellers ZSK mit nach Hannover gebracht, die mit einer lokalen Steuerungskomponente unter Windows CE ausgeliefert wird.
In dem Anwendungsfall wurde ein Fußballschuh mit einem Muster bestickt. Die Stickvorlagen ließen sich an einem PC erstellen und verschlüsselt in die Auftragsabwicklung einspeisen. Anschließend wurde die Datei via Internet an die Stickmaschine übertragen. Maschinenseitig wird die Anlage mit einem USB-Dongle auf der Rückseite der Windows-Konsole gesichert.
Das Szenario erlaubt es beispielsweise, Stickmuster so zu schützen, dass sich die Vorlagen nicht entwenden lassen. Zudem sorgt die Anlage dafür, dass nur die tatsächlich angeforderte Auftragsmenge bestickt wird. Damit lässt sich etwa verhindert, dass die Textilmaschinen, die oft in entfernten Niedriglohnländern betrieben werden, unkontrolliert über die Auftragsmenge hinaus Produkte für den Schwarzmarkt produzieren.