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

Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser * / Johann Wiesböck

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. Eine Analyse für Maschinen- und Anlagenbauer.

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

Der disruptive Charakter des technischen Wandels im Rahmen von Industrie 4.0 wird aufgrund der Verfügbarkeit vieler Daten und damit auch des Wissens über das Internet auch für die produzierende Industrie prognostiziert. Die digitale Verfügbarkeit vieler Daten im persönlichen Bereich erlebt jeder, ob nun bei der Navigation zu einem neuen Ziel, mit der nahezu permanenten persönlichen Erreichbarkeit, der Suche im Internet anstatt im Lexikon oder der Kommunikation über soziale Netzwerke.

Wie sich diese Technologien für die Industrie im Besonderen den Maschinen- und Anlagenbau darstellen, wird am Anwendungsfall einer standortübergreifenden Joghurtproduktion und eines Roboternetzwerks erläutert und die verschiedenen in diesem Zusammenhang verwendeten Begriffe wie Internet of Things, Cyber Physical Systems, Cyber Physical Production Systems und Industrie 4.0 zu einander in Beziehung gesetzt. An die produzierende Industrie in Deutschland werden unter Industrie 4.0 folgende Anforderungen gestellt:

  • Immer höherer Variantenreichtum erfordert Mechanismen diesen zu beherrschen. Vorhandenes ist – soweit effizient machbar – zu nutzen und Mehrfachentwicklungen zu vermeiden (Re-invent the wheel).
  • Reduzierung Time-to-market: Kunden akzeptieren immer seltener lange Wartezeiten, so dass eine effektive Entwicklung und Produktion in Wertschöpfungsketten zwischen Unternehmen notwendig wird.
  • „[Die] Lebenszyklen der Produkte werden durch steigende Innovationsgeschwindigkeit immer kürzer, so dass effizientes und flexibles Umrüsten von Produktionsmitteln und Produktionsanlagen auf neue Produktvarianten ebenso wie die Anpassung der Intralogistik im Unternehmen und der Logistik zwischen den Unternehmen erfolgskritisch wird“ (Vogel-Heuser et al. 2012).

„Notwendig sind Lösungsansätze, die einen großen Spielraum für Produktvarianten und Produktionsvarianten schaffen. Der weltweite Zugriff auf Ressourcen und bisher unbekannte Produktionseinheiten ermöglicht eine weitere Flexibilisierung der Wertschöpfungsketten auch über Unternehmensgrenzen hinweg […] “ (Vogel-Heuser et al. 2012).

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Veranstaltungstipp

Zu diesem Themenkomplex spricht Frau Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser, Lehrstuhlleitung an der Technische Universität München, auf dem Kongress ‚Best Practice in Internet of Things‘ am 7. Oktober 2014 in München, Garching. Das komplette Programm und die Anmeldung finden Sie unter www.iot-kongress.de

Vom Internet of Things zu Cyber-Physical Systems und Industrie 4.0

Das Internet der Dinge ist ein in Deutschland insbesondere von der Logistik aufgegriffener Ansatz der Logistikketten und Produktionsketten weiter informationstechnisch auf Basis des Internets integriert. Cyber Physical Systems (CPS) wurden insbesondere aus den USA proklamiert und in Deutschland durch die Agenda CPS grundlegend erforscht.

Als letzte dieser Begriffe entstand Industrie 4.0 für den Bereich der Produktion. CPS werden unter anderem als Technologie zur Ertüchtigung der Produktion für Industrie 4.0 angesehen. (Forschungsunion 2013, acatech 2011), d.h. aufgrund der informationstechnischen Vernetzung aller Informationsquellen und Senken miteinander entsteht zusätzliches Wissen.

Industrie 4.0 wird häufig als „angekündigte“ revolutionäre Entwicklung betrachtet, die disruptiv erfolgt. Diese Ansicht ist jedoch umstritten. Teilweise wird stattdessen eher ein evolutionärer technischer Wandel prognostiziert. Der disruptive Charakter des technischen Wandels wird aufgrund der plötzlich verfügbaren Zugänglichkeit aller Daten prognostiziert. Aufgrund der hohen Anzahl laufender Produktionsanlagen und deren Langlebigkeit von häufig über 15 Jahren, wird sich dieser Wandel für neue Anlagen sehr schnell zeigen, aber für die Vielzahl der Anlagen mit einer entsprechenden zeitlichen Verzögerung.

Einige Unternehmen und auch Forscher setzten als Voraussetzung zur Erreichung von Industrie 4.0 die Notwendigkeit neuen modularen und intelligenten Industrie 4.0-Komponenten aufbauen zu müssen (Hoos 2014), während andere Unternehmen und Forscher Migrationskonzepten entwickeln, um auch bereits existierende Maschinen und Anlagen für Industrie 4.0 zu ertüchtigen und schrittweise die volle Funktionalität eines CPS bereitzustellen (Vogel-Heuser 2014).

Smart Factory: Technische Merkmale von CPS als Enabler für Industrie 4.0 basierte Produktionsanlagen bzw. CPPS
Smart Factory: Technische Merkmale von CPS als Enabler für Industrie 4.0 basierte Produktionsanlagen bzw. CPPS
(Bild: Vogel-Heuser 2014)

Cyber Physical Production System (CPPS)

Für Produktionseinheiten, die nach Industrie 4.0 bereits realisiert sind, wird im Folgenden der Begriff Cyber Physical Production System (CPPS) verwendet. Die acatech Studie AgendaCPS von 2012 (acatech 2011) definiert Cyber-Physical Systems – die Basis für Industrie 4.0 – als eingebettete Systeme, die:

  • mittels Sensoren unmittelbar physikalische Daten erfassen und mittels Aktoren auf physikalische Vorgänge einwirken
  • Daten auswerten und speichern sowie auf dieser Grundlage aktiv oder reaktiv mit der physikalischen und der digitalen Welt interagieren
  • mittels digitaler Netze untereinander verbunden sind, und zwar sowohl drahtlos als auch drahtgebunden, sowohl lokal als auch global
  • weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen
  • über eine Reihe multimodaler Mensch-Maschine-Schnittstellen verfügen, also für Kommunikation und Steuerung differenzierter und dedizierte Möglichkeiten bereitstellen, zum Beispiel Sprache und Gesten.

Die wesentlichen technischen Merkmale von CPPS werden in vier Unterbereiche zusammengefasst.

Architekturmodelle: Für die Integration heterogener Anlagen und Geräte sind Serviceorientierte Architekturen (Cândido et al. 2011) bzw. Multi-Agenten Systeme (Colombo et al. 2006), welche mittels Botschaften flexibel untereinander Informationen austauschen können, geeignete Lösungsansätze, die eine minimale Standardisierung erfordern. Softwareagenten repräsentieren die Funktionalität der Maschinen und können über ein unterschiedlich und proprietär Schnittstelle verfügen: ideal für die Migration von bestehenden Anlagen.

Kommunikation und Datendurchgängigkeit: Für Industrie 4.0 ist die Kopplung der Daten aus Engineeringsystemen, Laufzeitsystemen sowie übergeordneten IT-Systemen eine Voraussetzung, um flexibel auf Änderungen im Produktionsprozess aber auch in der Ablösung von IT-Systemen reagieren zu können. Themen wie OPC-UA, AutomationML und die semantische Beschreibungen sind die Basis.

Intelligente Produkte und adaptive intelligente Produktionseinheiten: Basierend auf der Produkt-Konfiguration eines Kunden stellen die CPPS-Produktionseinheiten unter Berücksichtigung von Produkteigenschaften, Kosten, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz, Zeit, Nachhaltigkeit u.a.m. einen Produktionsablauf zusammen und sorgen für die Herstellung des Produkts. Tritt Anpassungsbedarf auf, tauschen die Produktionseinheiten sich eigenständig aus, passen sich an oder entwickeln sich entsprechend des Anpassungsbedarfs weiter.

Informationsaggregation und -aufbereitung für den Menschen: Selbst wenn alle Daten integriert vorhanden sind, ist die wesentliche Herausforderung diese dem Menschen abhängig von seine individuellen Eigenschaften und Vorliegen für seine Arbeitsaufgabe und Rolle in geeigneter Form zur Verfügung zu stellen.

Realisierung eines CPPS in der Modellfabrik MyJoghurt

Bei der Produktion von Joghurt mit Schokokugeln soll aufgrund entsprechender Marktstudien und konkreter Kundenanfragen außer Joghurt mit dunklen Schokoladenkugeln auch Joghurt mit weißen Schokoladenkugeln und Joghurt der beide Arten von Schokokugeln enthält produziert werden. Die Kunden konfigurieren den Joghurt über eine Kundenplattform im Internet. Verschiedene Produktionseinrichtungen stehen Deutschland-weit bereit verschiedene Arten von Joghurt zu produzieren oder Teile der Produktion, wie das Gravieren von Deckeln, zu übernehmen.

Intelligente Produkte und adaptive intelligente Produktionseinheiten: Wenn die neue Fähigkeit „Befüllen von weißen Schokokugeln“ über eine Botschaft angefragt wird, kann die CPPS-Produktionseinheit entscheiden, ob sie diese Funktion erbringen kann und ob sie freie Kapazität zu welchem Preis anbieten kann. Die Botschaften, sind in einem Botschaftsverzeichnis festgelegt. Mithilfe des Vergleichs von angebotener und benötigter Anlagenfunktion wird auf Basis der ausgewählten Kriterien, wie Preis, Lieferzeitpunkt etc. die passende Anlage ausgewählt.

Der Vergleich der Eigenschaften erfolgt auf Basis von Merkmalen einer Ontologie, die die Fähigkeiten der Anlage beschreiben. Dazu muss spezifiziert sein, ob die weißen Schokokugeln vom Durchmesser und ihren Eigenschaften (Schmelzpunkt der Schokolade, Viskosität) identisch zu den dunklen Schokokugeln sind. Würden die weißen Schokokugeln einen geänderten pneumatischen Druck bei der Vereinzelung benötigen oder einen anderen Durchmesser aufweisen, so müsste eine geänderte Parametrierung oder eine konstruktive Änderung der Kugelsortierungseinheit vorgenommen werden. Intelligente Produkte und Produktionseinheiten verfügen über die Möglichkeit sich selbst zu überwachen, d.h. ggf. Qualitätsschwankungen wie die Viskosität des Joghurts, Messfehler etc. selbst zu diagnostizieren und entsprechend entgegenzuwirken.

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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