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Industrie 4.0 und Cyber Physical Systems – ganz oder gar nicht?

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Welche Aufgabe übernimmt ein Agent, also ein intelligentes Stück Software, in diesem Konzept?

Bild 2: Kommunikationsbeispiel über Botschaften zwischen mehreren Joghurt CPPS- durch Agenten
Bild 2: Kommunikationsbeispiel über Botschaften zwischen mehreren Joghurt CPPS- durch Agenten
(Bild: Vogel-Heuser)
Architekturmodelle: Der Agent bildet die Schnittstelle einer Anlage oder Teilanlage zum CPPS-Netzwerk. Anlagenteile können auf unterschiedlichen inkompatiblen Steuerungen basieren, die nur über das Inter-/Intranet miteinander verbunden sind. Der Ansatz unterstützt Migrationskonzepte zu Altanlagen in hervorragender Weise, weil die bestehenden Alt-Anlagen in der installierten Weise bestehen bleiben können. Beispielsweise sind die Stationen zum Abfüllen von Schokoladenkugeln durch einen Agenten repräsentiert, der die Fähigkeiten dieser Anlage kennt und bei Anfragen entscheidet (Bild 2). In einer Cloud liegen die Informationen über die erreichbaren CPPS, die verfügbaren Diensten und Fähigkeiten sowie der Botschaften zur Kommunikation.

Dasselbe Prinzip funktioniert genauso CPPS-übergreifend für MyJoghurt, den Laboranlagen-Verbund der beteiligten Forschungseinrichtungen (Bild 3).

Bild 3: Offener Hochschulübergreifender Industrie 4.0 Demonstrator „MyJoghurt“
Bild 3: Offener Hochschulübergreifender Industrie 4.0 Demonstrator „MyJoghurt“
(Bild: Vogel-Heuser)
Bild 4: Architektur eines agentenbasierten CPPS-Netzwerks
Bild 4: Architektur eines agentenbasierten CPPS-Netzwerks
(Bild: Vogel-Heuser)

Informationsaggregation und -aufbereitung für den Menschen

Augmented Reality ist seit vielen Jahren ein Thema, um den Menschen bei seiner Tätigkeit zu unterstützen, bzw. ihm zusätzliche Informationen zu seiner Tätigkeit zu übermitteln.

Bild 5: Augmented Reality: Überblendung des Kamerabildes mit Prozessdaten
Bild 5: Augmented Reality: Überblendung des Kamerabildes mit Prozessdaten
(Bild: Mayer & Pantförder 2014)

Im Fall der Joghurtherstellung wird dem Monteur vor Ort (Bild 5) die Lage der Geräte (schwarz umrandet) und die in der Prozessleitwarte abrufbaren Prozessdatenverläufe z.B. des Temperaturverlaufs der Heizung (Diagramm rechts) auf dem smart device eingeblendet, so dass der Monteur alle in der Steuerung, der Visualisierung sowie dem Engineering verfügbaren Informationen vor Ort abrufen kann.

Ein zweites CPPS wurde gemeinsam mit verschiedenen Unternehmen für die Automatica 2014 erstellt. Per Handy-Browser wird ein persönlicher Schriftzug für einen Flaschenöffner erstellt und in Auftrag gegeben, der durch verschiedene Roboter gefertigt (Bild 6) und transportiert wird. Diese Kopplung geschieht weitgehend automatisch und dynamisch: Wenn ein Transportroboter ausfällt, übernimmt ein anderer. Die dynamische Vernetzung der Produktionsanlagen der verschiedenen Unternehmen erfolgt mit derselben Softwarearchitektur wie bei MyJoghurt. Die Botschaften mussten neu vereinbart werden. Während ein Roboterhersteller die Software auf seiner Linux-Plattform direkt implementiert, nutzen andere einen Schnittstellen-PC zur Entkopplung.

Smart Factory: Intelligente Produktion und Transport sowie Auftragssteuerung verschiedener Roboter mit verschiedenen Betriebssystemen und Schnittstellen
Smart Factory: Intelligente Produktion und Transport sowie Auftragssteuerung verschiedener Roboter mit verschiedenen Betriebssystemen und Schnittstellen
(Bild: Vogel-Heuser)

Das Ende des Echtzeitverhaltens und Determinismus

Industrie 4.0 in der Produktion geht das nur ganz oder gar nicht? Aufgrund der eingangs erwähnten These, dass Industrie 4.0 alles verändert und disruptiv erfolgt, nehmen viele Unternehmen Abstand von den Ansätzen und erklären, dass dies nichts für sie sei. Einige Unternehmen sehen in Industrie 4.0 oder besser CPS das Ende der Automatisierungstechnik bzw. das Ende des Echtzeitverhaltens und Determinismus. Beides ist falsch!

Zunächst zum zweiten Punkt: Sicherlich gibt es Ideen, dass durch CPS beliebige Plattformen bis in die sicherheitsrelevanten Ebenen der Automatisierungstechnik eindringen bzw. Automatisierungstechnische Plattformen ablösen. Dies ist technisch seriös aber nur dann denkbar, wenn diese nachweislich die technischen Anforderungen der Echtzeit und der Verfügbarkeit erfüllen.

Die Antwort zum ersten Punkt ist nicht ganz oder gar nicht, sondern Industrie 4.0 hat viele Facetten. Jedes Unternehmen sollte sich aussuchen, welcher Aspekt für seine Kunden oder es selbst am ehesten zu einem Vorteil führt in die Strategie passt und damit beginnen. Für eine ganze Reihe von Unternehmen ist dies das Thema Datenanalyse und Kopplung von Prozessdaten und Qualitätsdaten. Hier entsteht direkt ein Wettbewerbsvorteil und Kundennutzen mit einem vergleichbar geringen Aufwand, wenn die Datenbanken zugänglich sind.

Industrie 4.0 ist kein Allheilmittel, sondern muss mit den verschiedenen Facetten auf die Passfähigkeit auf die eigenen Zielsetzungen, den Markt und den Mitbewerb betrachtet werden. Industrie 4.0 ist schrittweise möglich und auch sinnvoll.

Literaturverzeichnis

acatech (Hrsg.) (2011). Cyber-Physical Systems - Innovationsmotor für Mobilität, Gesundheit, Energie und Produktion (acatech POSITION). Springer, Heidelberg.

Cândido, G., Colombo, A. W., Barata, J. & Jammes, F. (2011). Service-Oriented Infrastructure to Support the Deployment of Evolvable Production Systems. IEEE Tran. Ind. Inf., 7(4), S. 759–767.

Colombo, A., Schoop, R. & Neubert, R. (2006). An agent-based intelligent control platform for industrial holonic manufacturing systems. IEEE Trans. Ind. Elect., 53(1), S. 322–337.

Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft, acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e.V. (Hrsg.) (2013). Deutschlands Zukunft als Produktionsstandort sichern. Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0. Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0.

Hoos, J. (2014). Funktionsorientiertes Engineering für komponentenbasierte Automatisierungssysteme. Expertenforum „Agenten im Umfeld von Industrie 4.0“.

Mayer, F. & Pantförder, D. (2014). Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical-Production-Systems. In T. Bauernhansl, M. ten Hompel & B. Vogel-Heuser (Hrsg.), Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik (S. 481-491). Wiesbaden: Springer Fachmedien.

Vogel-Heuser, B. (2014). Herausforderungen und Anforderungen aus Sicht der IT und der Automatisierungstechnik. In: T. Bauernhansl, M. ten Hompel & B. Vogel-Heuser (Hrsg.), Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik (S. 37-48). Wiesbaden: Springer Fachmedien.

Vogel-Heuser, B., Bayrak, G. & Frank, U. (2012). Forschungsfragen in „Produktionsautomatisierung der Zukunft“. acatech Materialien, Diskussionspapier für die acatech Projektgruppe „ProCPS - Production CPS“.

* Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser ist Lehrstuhlleiterin am Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München.

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