Fabrik der Zukunft

Die Fabrik der Zukunft organisiert sich selbst. Sie basiert auf einem Netzwerk kommunikationsfähiger Komponenten und verschiedener Schlüsseltechnologien:1. Vernetzte Systeme zur lokalen dezentralen Informationsverarbeitung.2. Fortschreitende Miniaturisierung ermöglicht kleine, preiswerte und leistungsfähige Sensoren und Aktoren.3. Auto-ID für eine individualisierte Produktherstellung – eindeutige Identifizierung und Verknüpfung mit der virtuellen Welt.4. Intelligente Feldgeräte – Die Software ermöglicht die weltweite dynamische Verteilung von Funktionalität und ist integraler Bestandteil der Systemintegration.5. Mobiles Devices Management (MDM) – Mensch-Maschine-Schnittstelle zur intuitiven Bedienung komplexer Systeme, auch ohne spezielle Ausbildung. Bild: Weidmüller

Nach der Dampfmaschine, dem Fließband und dem Computer soll das Internet der Dinge, die vollständige Digitalisierung der Produktionswelt, ein neues Zeitalter einläuten: die Ära der vierten industriellen Revolution. Industrie 4.0 steht für die Verschmelzung von realer und virtueller Produktwelt. Manch einer kennt das Prinzip schon lange aus dem Consumer-Bereich: Smart Home oder das Fitness-Armband Fuel Band sind bekannte Beispiele für die Vernetzung von Gegenständen mit dem Internet.

Automatisierungspyramide

Bisherige Kommunikationsstruktur: Hierarchische Kommunikationsstruktur in der klassischen Automatisierungspyramide.

Industrie 4.0

Zukunft mit Industrie 4.0: Durchgängige Kommunikation in der Automatisierungscloud am Beispiel eines intelligenten Schmalz Kompaktejektors.

So hat der Einbau von eingebetteten Systemen in Alltagsgegenstände die Verbindung von realer (physischer) und virtueller (Cyber-)Welt überhaupt erst hergestellt. In der Smart Factory verknüpfen vernetzte eingebettete Systeme – so genannte Cyber Physical Systems (CPS) – physische Gegenstände mit intelligenten Steuerungsprozessen. Die Vernetzung von CPS per Internet mit beliebigen anderen Computern wird als das Internet der Dinge und Dienste bezeichnet.

CPS formen ein umfangreiches vernetztes System, in dem die anfallenden Daten von Maschinen und Sensoren zusammenlaufen, zur weiteren Verwendung abgerufen und per Software ausgewertet werden können. So werden Möglichkeiten zur dezentralen Selbstoptimierung von Arbeitsabläufen durch intelligente Maschinen, wie etwa autonome Roboter, geschaffen. Die klassische Automatisierungspyramide mit dem Modell einer zentralen Steuerung ändert sich dadurch grundlegend.

Modulare Systeme

Bei der Frage, ob Industrie 4.0 nun eine Revolution oder eine Evolution der industriellen Fertigung ist, verweisen Automatisierer zunehmend auf die wachsenden Anforderungen, denen sich die deutsche Industrie zu stellen habe: Industrie 4.0 ist die konsequente Antwort auf Anforderungen, die von Konsumenten an Produzenten gestellt werden. Individualisierte Produkte, wie persönliche Grußbotschaften auf Pralinen, selbst erstellte Flaschenetiketten oder auf den individuellen Geschmack abgestimmte Parfüms werden zunehmend nachgefragt und erfolgreich umgesetzt. Maschinen- und Anlagenbauer richten ihre Entwicklungen zunehmend auf Losgröße 1 aus. Das erfordert eine Vernetzung der Maschinen mit Fertigungsprogrammen und Konfigurationsdaten sowie eine Flexibilisierung der Anlagen.

„Die steigende Variantenvielfalt bedingt modulare Konzepte für die Entwicklung von Hard- und Software, die von Automatisierungsanbietern in unterschiedlichen Formen unterstützt wird. Industrie 4.0 ist vom Konzept her eine Revolution. Im Maschinenbau umsetzen wird sie sich in Form einer Evolution von Maschinengeneration zu Maschinengeneration“, erklärt etwa Markus Sandhöfner, Geschäftsführer des Automatisierers B&R Deutschland. Individuelle Kundenwünsche bedienen, ohne in eine Komplexitätsfalle zu geraten: das ist die hohe Kunst für die Industrie. Der gemeinsame Nenner ist die Modularisierung von Produkten und Produktion.

In der Fabrik der Zukunft werden intelligente Sensoren und Aktoren in verteilten Systemen immer mehr die Funktionen von Steuerungen übernehmen. Eine verbesserte Interaktion von Maschinenmodulen untereinander und von Mensch und Maschine ist das Ziel. Dank Mikroprozessoren können intelligente Produkte ihren Produktionsablauf selbst planen und somit spontan auf Engpässe oder Änderungen reagieren. Wenn eine Variante im Bauplan umgesetzt oder die Stückzahl erhöht werden soll, reagiert das System unverzüglich mit einer entsprechenden Anpassung des Produktionsablaufs: es denkt mit. „Bearbeitungsstationen müssen so modular aufgebaut sein, dass zusätzliche Prozessfunktionen mit geringen Rüstkosten eingefügt werden können“, erklärt Frank Knafla von Phoenix Contact.

„Mit zentralistisch ausgelegten SPS-Steuerungen, wie sie heute im Einsatz sind, können die Vorteile einer Modularisierung nicht komplett ausgeschöpft werden: Änderungen in einzelnen Anlagenteilen verursachen einen überproportional hohen Aufwand auf der Steuerungsebene, da dann alle Programmstrukturen und die Kommunikationsbeziehungen der Module untereinander an zentralen Stellen der Steuerung verändert werden müssen“ bestätigt Armin Glaser, Leiter Produktmanagement bei Pilz.

Baukästen und Anschlüsse

Prozesskommunikation

Intelligente Prozesskommunikation am Beispiel des Schmalz Kompaktejektors X-Pump. Bild: Schmalz

Ein anschauliches Beispiel ist ist das AV-System von Aventics, ehemals Rexroth Pneumatics. Das Ventilsystem beruht auf der Advanced-Valve-Familie, die auf der diesjährigen Motek um den AV05 erweitert wurde. „Im Baukasten befindet sich viel mehr, als nur die beiden Ventile“, erklärt Wolf Gercke, Leiter Produktmanagement. So stand im Lastenheft für die AV-Familie vor allem die Modularität ganz oben auf der Prioritätenliste. „Wir wollten die Einsatzmöglichkeiten der AV-Ventile erweitern und gleichzeitig die Komplexität bei Logistik und Konstruktion verringern“, so der zuständige Produktmanager.

So lassen sich Zweier- und Dreier-Grundplatten miteinander kombinieren – das ermöglicht den Einsatz einer beliebigen Anzahl von Ventilen mit nur zwei Grundplattentypen. Und Schlauchdurchmesser sowie Abgangsrichtung der Steckanschlüsse können im Konfigurator bestimmt oder auch nachträglich ausgetauscht werden. Auch die elektrischen Anschlüsse entsprechen der geforderten Modularität: Die dezentrale Feldbus-Anbindung mit Advanced Electronic System (AES) trägt dazu bei. Das AES verarbeitet analoge ebenso wie digitale Signale und ermöglicht schnelle Montage sowie flexiblen Einsatz. Über den Multipol-Anschluss lassen sich bis zu 36 Ventile in einem Ventilblock ansteuern.

Flexibel kommunizieren

Smart Factory

Für die Smart Factory müssen Automatisierer, Informatiker und Ingenieure interdisziplinär enger zusammenarbeiten. Bild: Phoenix Contact

Für die Fluidtechnik setzt dies offene Kommunikationsschnittstellen und eine Verlagerung von Hydraulik- oder Pneumatikfunktionalität in die Software voraus: zwei entscheidende Bedingungen für dezentrale Intelligenz. Für dezentral intelligente Achsen hat Bosch Rexroth die Hydraulic Motion Control (HMC) entwickelt. Der 1-Achs-Regler für hydraulische Antriebe fügt sich mit Multi-Ethernet- und Multi-Geber-Schnittstellen sowie einer Programmierung nach IEC 61131-3 zukunftssicher in verschiedenste Fluidikkonzepte ein.

Immer mehr Maschinenhersteller nutzen Echtzeit-Ethernet-Protokolle für koordinierte Bewegungen. Große Endkunden spezifizieren immer häufiger ein bevorzugtes Protokoll, um die Kommunikationsarchitektur zu standardisieren. OEMs müssen darum ihre Baureihen parallel mit verschiedenen Ethernet-Varianten ausrüsten. Die HMC von Rexroth verringert den dazu notwendigen Aufwand entscheidend.

Die Multi-Ethernet-Schnittstelle der HMC unterstützt auf einer Hardware alle gängigen Protokolle: den Automatisierungsbus Sercos, EtherNet/IP, Profinet RT sowie Ethercat und Profibus. Die HMC verschmilzt die Programmiersprache nach IEC 61131-3 mit einer leistungsfähigen Motion Control für hydraulische Antriebe. Als Slave übernimmt sie dabei die dezentrale Regelung einer Achse und entkoppelt die Hydraulik von der Automatisierung.

Rexroth HMC

Die Hydraulic Motion Control (HMC) von Rexroth: offen, einfach und flexibel. Bild: Bosch Rexroth

Ein weiteres Beispiel: die intelligenten Vakuumerzeuger der i-Serie von Schmalz. Die Serie ermöglicht eine intelligente Prozesskommunikation und trägt damit zu einer immer stärkeren Vernetzung bei. Eine solche Vernetzung bedeutet jedoch, wie schon eingangs erwähnt, die schrittweise Auflösung der klassischen Automatisierungspyramide. Ergebnis ist eine Automatisierungscloud, in der intelligente Geräte und Dienste miteinander kommunizieren und sich selbst organisieren. Die angesprochene Verfügbarkeit aller relevanten Prozessdaten in Echtzeit ist dabei die Basis für die Implementierung von Industrie 4.0.

Die sogenannten Smart Field Devices von Schmalz, wie der Kompaktejektor X-Pump, sammeln solche Daten, interpretieren sie und kommunizieren sie bis in die Leitebene. Dazu nutzen sie IO-Link als Schnittstelle zur Kommunikation in alle gängigen Feldbussysteme. Ihre Diagnose- und Prognosefunktionen leiten Informationen über den Zustand der Anlage ab – zum Beispiel Verschleiß oder Verschmutzung – und erkennen schleichende Veränderungen und drohende Ausfälle. So lassen sich ungeplante Maschinenstillstände vermeiden und die Anlagenverfügbarkeit erhöhen.

Auch Festos elektrische Automatisierungsplattform CPX für Ventilinseln bietet schon heute mehr als nur den Anschluss der Feldebene an die Leitebene. Sie ist diagnosefähig und kann Condition-Monitoring-Aufgaben übernehmen. CPX integriert mit ihren einzelnen Modulen die Ansteuerung pneumatischer Zylinder über die modularen Ventilinseln MPA und VTSA mit den Motion Controllern für elektrische Antriebe.

Auch Safety-Funktionen sind im CPX-Konzept inklusive. Außerdem kann mit der CPX auf Diagnose-Informationen zugegriffen, Fehler schnell lokalisiert und Module schnell ausgetauscht werden. Beispiele für die Integration von Funktionen sind IT-Leistungen wie ein Web-Server, ein Front-End-Controller zur dezentralen Steuerung vor Ort, ein End-Position-Controller, ein Proportionalventil oder ein Drucksensor zur Erfassung von internen Ventilinsel-Drücken und externen Signalen.

Feldbus Anbindung

Die dezentrale Feldbus-Anbindung mit dem Advanced Electronic System (AES) der AV-Serie von Aventics trägt der neuen Modularität Rechnung. Bild: Aventics

Schon heute integriert CPX alle gängigen Bussysteme und Industrial-Ethernet-Protokolle. In die Zukunft weist beispielsweise der in absehbarer Zeit verfügbare Sercos-III-Feldbusknoten (CPX-FB39). Einer aktuellen Studie zufolge wird sich der Anteil von Sercos III bei den auf Ethernet basierenden Feldbussen mehr als verdoppeln. Ein weiteres Zeichen der Flexibilität der Automati-

sierungsplattform CPX ist der Feldbusknoten CPX-FB40, der das CPX-Feldbusprogramm um das Industrial-Ethernet-Protokoll Powerlink erweitert. Damit besteht eine direkte Ventilinsel-Anschaltung für Powerlink-Systeme. Die CPX von Festo zeigt sich damit als feldbusunabhängige Automatisierungsplattform.

Interdisziplinäres Teamwork

Die Integration intelligenter Automatisierungstechnik in die Fabrik der Zukunft führt dazu, dass alle Beteiligten neue Kompetenzen erlernen müssen. Hierbei steht die Zusammenarbeit zwischen Automatisierern, Informatikern und den klassischen Ingenieurdisziplinen im Mittelpunkt.

Festo CPX

Schon heute integriert Festos CPX alle gängigen Bussysteme und das Industrial Ethernet. Bild: Festo

Dr. Jan Stefan Michels, Leiter der Technologieentwicklung beim Automatisierungsspezialisten Weidmüller, sieht die Aus- und Weiterbildung in der Pflicht: „Intelligenz fließt in der Smart Factory immer mehr in die Komponente.

Die klassische Trennung zwischen Mechanik, ECAD (Electronic-Computer-aided-Design) und Software wird verstärkt aufgelöst. Das wiederum bedeutet, dass Konstrukteure neue multidisziplinäre und mechatronische Produkte entwickeln. Der Konstrukteur wird sich darüber hinaus mehr mit dynamischer Verhaltenssimulation beschäftigen, bevor das Gerät, die Anlage oder Maschine real existiert. Er wird letztlich eher zum Systementwickler.

Bei der Schulung der Endanwender kann laut Frank Knafla, Master Specialist im Geschäftsbereich Control Systems, bei Phoenix Contact Electronics gerade die Anbindung der Automation an das Netz helfen: „Durch die Vernetzung der Assistenzsysteme können vor Ort Schulungsunterlagen bereitgestellt werden, in denen die Funktionsweise einzelner Komponenten oder ganzer Einheiten erläutert ist. Fachwissen liegt also schnell vor und trägt zum interaktiven Know-how-Aufbau des Mitarbeiters bei.“

Das Interesse an den berufsbegleitenden Kursen im Bereich Embedded Systems und an vergleichbaren Studiengängen zeigt, welche technischen Aspekte der viel diskutierten Industrie 4.0 schon jetzt Anwendung in den Unternehmen finden. Echtzeit-Anwendungen und die fortschreitende Automatisierung von Produktionsprozessen stellen den Zeiger schon jetzt auf fünf vor zwölf.

Autor: Florian Blum, Redaktion