Der vermehrte Einsatz von Elektronik und IT in Fertigungsprozessen und der damit wachsende Automatisierungsgrad führen uns in eine neue Ära, in die vierte industrielle Revolu­tion. Bereits heute bezeichnen Hersteller diverse Produkte als „Industrie-4.0-kompatibel“. Meist handelt es sich dabei allerdings um eine Worthülse, die es erst noch zu definieren gilt. – Eine Aufgabe, der sich die Mitglieder und Förderer der SmartFactoryKL, einer am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz in Kaiserslautern (DFKI) angesiedelten Demonstrations- und Forschungsplattform, derzeit widmen. Ein Fokus liegt dabei auf der Anlagen-Infrastruktur, die den Betrieb modularer Produktionssysteme gewährleisten soll.

Eine Forderung von Industrie 4.0 ist, dass sich die bisher eher statischen Produktionsabläufe in der Industrie hin zu dynamischen Prozessketten entwickeln müssen. Über die vertikale und horizontale Vernetzung der einzelnen Prozesse werden diese flexibel und autonom. Viele der Paradigmen von Industrie 4.0 lassen sich dabei nicht ausschließlich auf Produktionssysteme anwenden, sondern gelten gleichermaßen auch für deren verbindende Infrastruktur. Auch diese kann heute in die Lage versetzt werden, intelligent zu sein, sich selbst zu verwalten und vielfältige Betriebsdaten bereitzustellen. Im Hinblick auf modulare Produktionssysteme ist dies sogar eine Notwendigkeit, um die dadurch gewonnene Flexibilität im Aufbau einer Anlage nicht wieder durch eine aufwendige Planungsphase der Infrastruktur, beispielsweise für das Energienetz, einzubüßen.

Es stellt sich dabei kurzerhand eine erste, berechtigte Frage: Was leisten überhaupt derzeitige Produkte im Bereich der Infrastruktur? Der Blick in die Produktpaletten verschiedener Hersteller aus dem Konsumgüter- und Telekommunikationsbereich zeigt eindeutig, dass hier der Trend hin zu hochleistungsfähigen und „intelligenten“ Kabeln bereits angekommen ist: Sie signalisieren den physikalischen und elektrischen sowie den logischen und protokollspezifischen Verbindungsstatus und unterstützen damit die Diagnose von häufigen Verbindungsproblemen entscheidend. Ermöglicht wird dies beispielsweise über einfache Transponder innerhalb des jeweiligen Produktes.

Implantierte Transponder können einerseits für jeden Anwendungsfall individuell programmiert und andererseits auch als Datenträger für produktspezifisch erstellte Messprotokolle eingesetzt werden, um zum Beispiel definierte Produktzustände auszulesen. Weitergehende Entwicklungen sind in der Lage, geschwächte Signale durch integrierte Elektronik wieder aufzubereiten und helfen damit insbesondere in störanfälligen Umgebungen, einen fehlerfreien Anlagenbetrieb zu gewährleisten. Auch existieren bereits Endgeräte, die durch integrierte Sensorik diverse Kabelschäden wie etwa Brüche und Kurzschlüsse identifizieren können. Allerdings ist die Diagnose dabei von der Funktion des zugehörigen Endgeräts abhängig.

Der Anlagen-Backbone aus Infrastruktur-Switches zur Realisierung der modularen Fertigungsstruktur mit Hot-Plugging-Fähigkeit für echtes Plug & Produce unterschiedlicher Fertigungsmodule.

© DFKI

Ein selbstdiagnostizierendes Kabel überwindet diese Problematik, gestaltet die Identifikation zuverlässiger und ermöglicht es dem Anwender, die bereits angesprochene Transparenz bis zur Aktor-Sensor-Ebene zu gewährleisten. Stromsparende Mikroelektronikkomponenten erhalten die Energieversorgung aus der Signalenergie im Kabel. Kurzum: Das Kabel muss auch in der Produktion zukünftig seine traditionelle Rolle als passives, elektromechanisches Verbindungselement zur Übertragung von Signalen oder Energie hinter sich lassen und in Industrie 4.0 einen gleichwertigen Platz an der Seite von anderen intelligenten, vernetzten Komponenten einnehmen.

Durch die zunehmende Vernetzung nimmt schließlich auch der Anteil an logischen und physikalischen Verbindungen zwischen den smarten Objekten zu. Die damit steigende Komplexität durch den vermehrten Einsatz solcher Vernetzungstechnologien muss allerdings beherrschbar bleiben. Es stellen sich somit neue Herausforderungen, um zum einen die sichere und effiziente Datenübertragung zu gewährleisten, zum anderen aber auch innerhalb des komplexen Produktionsnetzwerkes komponentenspezifische Selbstüberwachungen zu realisieren und Selbstdiagnosen über jedes Produkt zu erhalten.

Auch in Bezug auf die wachsende Modularität von Produktionsprozessen gilt es, neue Bedarfe zu adressieren. Beispielsweise sind zunehmend hochflexible Ethernet-Leitungen vonnöten, die sowohl große Datenmengen und höhere Bandbreiten übertragen als auch den besonderen Belastungen der zukünftigen industriellen Umgebung standhalten, zum Beispiel höheren Steckzyklen aufgrund häufiger Umkonfiguration der Anlagen. Ferner sind im Sinne der Komplexitätsreduzierung multifunktionale Stecker gefragt, die zum Beispiel Strom, Netzwerk und Druckluft in einem Kabel zur Nutzung zusammenführen. Daneben sind aber auch drahtlose Kommunikationstechnologien mit Fokus auf eine aufwandsarme Integration neuer Teilnehmer vielversprechend. Auf diesem Gebiet sind allerdings noch hochskalierbare, echtzeitfähige Lösungen zu entwickeln, die der immer kleineren Granularität unabhängiger, intelligenter Netzwerkknoten und dem daraus resultierenden Anstieg der Anzahl sowie des Kommunikationsbedürfnisses der Netzteilnehmer gerecht werden.

Das Modulkonzept der SmartFactoryKL

Um die Anforderungen von Industrie 4.0 greifbar zu machen und ent­sprechende Lösungen entwickeln zu können, haben die Partner der Tech­nologie-Initiative SmartFactoryKL eine Demonstrationsanlage geschaffen, die eine vollständig modularisierte, herstellerübergreifende sowie Plug&Produce-fähige Produktionsstraße darstellt. Jedes der gegenwärtig fünf Module ist von jeweils einem der Projektpartner ausgestattet, geplant und gebaut. Die Module sind autonome Produktionszellen und lassen sich jederzeit aus der Anlage entnehmen und an beliebiger Stelle wieder einsetzen. Der Materialfluss passt sich den gegebenen Umständen flexibel an und die restlichen Module können ohne Unterbrechung weiter produzieren.

Blick in den Anlagen-Backbone mit seinen Infrastruktur-Switches mit integrierten Security-Komponenten zum Schutz der Module, ganzheitlicher Energiedatenerfassung sowie zur Spiegelung des physischen Anlagenzustands in der digitalen Fabrik.

© DFKI

Eine wesentliche Voraussetzung für dieses Modulkonzept ist eine „smarte“ und erweiterbare Infrastruktur, die es erlaubt, ein Modul überall in Betrieb zu nehmen und gleichzeitig die vorangehende Planungsphase auf ein Minimum zu reduzieren. Ermöglicht wird dies durch eine Reihe von definierten mechanischen, elektromechanischen und informationstechnischen Standards, die eine funktionierende Interaktion sicherstellen. So werden alle Module lediglich durch einen einzigen Stecker an den sogenannten Factory Backbone angebunden.

Der Factory-Backbone ist eine baum­­artig aufgespannte Versorgungsinfrastruktur, welche die angeschlossenen Module mit allem versorgt, was zum Betrieb der Module notwendig ist. Die Versorgung umfasst den Anschluss an das Druckluftsystem, an 400 V Drehstrom, an das Intranet/Internet und die Einbindung in die globale Not-Halt-Schleife. Ziel war hier die einfache Erweiterung der Infrastruktur. Der nötige Steckverbinder erfüllt dabei alle Anforderungen in einem Gehäuse. Weiterhin verfügt der Backbone über Sensoren zur Erfassung von Energieverbräuchen, wie Druckluft und elek­trischem Strom, sowie für die Überwachung der Netzspannung. Ebenfalls wurden Firewalls zur Abschirmung der einzelnen Module integriert.

Aufgrund der Vielfalt der gängigen Safety-Bussysteme und Netzwerke gestaltet sich die Festlegung auf die Nutzung eines bestimmten Systems äußerst schwierig. Bisher können die meisten Systeme zwar vorher definierte Anlagenmodule abmelden und wieder anmelden, es ist allerdings schlicht unmöglich, gänzlich unbekannte Anlagenmodule in das bestehende Safety-Konzept einzufügen und so die Anlage zu erweitern, ohne dieses komplett neu aufsetzen zu müssen. Die am Markt vorhandenen Lösungen sind den Anforderungen von Industrie 4.0 noch nicht gewachsen. Als eine Forschungsaufgabe gilt es daher, die Einführung und Entwicklung eines Ethernet-basierten Safety-Konzepts zu betrachten.

Durch den Backbone wird jedoch nicht nur die Versorgung gewährleistet. Für die Demonstrationsanlage der SmartFactoryKL wurden in Kooperation mit den Partnern Infrastrukturdienste für Netzwerksicherheit und -management sowie Energiemanagement zur Implementierung ausgewählt und innerhalb der sogenannten Backbone-Boxen realisiert.

Diese lassen sich in beliebiger Topologie beziehungsweise Anordnung miteinander verbinden. Jede Box verfügt über einen Stecker-Eingang und drei gleichwertige Stecker-Ausgänge, die gleichermaßen dafür verwendbar sind, weitere Boxen oder Produktionsmodule anzuschließen. Energiedaten für Strom und Druckluft werden an allen Ausgängen mithilfe einer intelligenten Energiemanagement-Technik erfasst und sind dadurch an zentraler Stelle feingranular auswertbar. Sämtliche Ethernet-Verbindungen werden zunächst durch eine Firewall geschleust, wodurch eine kommunikationstechnische Absicherung der Anlage auf Modulebene stattfindet. Außerdem werden dadurch die zentrale Verwaltung und das Monitoring des Netzwerks ermöglicht. 

Was heißt Industrie-4.0-kompatibel?

Bis hier lässt sich also festhalten: „Industrie-4.0-Kompatibilität“ ist ein visionärer Begriff, der alles umfassen kann – von einem Standardindustriestecker bis hin zu den geschilderten intelligenteren Ausführungen. Es stellt sich schlichtweg die Frage, wie der Begriff Kompatibilität ohne Standards und Spezifikationen für Industrie 4.0 zu definieren ist. Sind diese allerdings erst einmal definiert, so wird das Label der „Industrie-4.0-Tauglichkeit“ bei den Produktansätzen zunehmend greifbarer und realer; auch wenn die Hersteller bisher noch nicht allen Anforderungen gewachsen sind.

So sieht die Universalsteckverbindung zur elektromechanischen Versorgung der herstellerspezifischen Anlagenmodule aus.

© DFKI

In zukünftigen Ausbaustufen des Backbones plant die SmartFactoryKL unter anderem das Thema der Maschinenidentifikation sowie -beschreibung anzugehen, denn viele Mehrwertdienste der Infrastruktur hängen erheblich von den daran angeschlossenen Maschinen ab. Beispielsweise sollte eine Firewall nur diejenige Kommunikation genehmigen, die das Produktionssystem auch tatsächlich benötigt. Dies manuell zu konfigurieren, würde jedoch wiederum dem Gedanken von modularer, flexibler Produktion widersprechen. Daher gilt es, das System in die Lage zu versetzen, dem Backbone seine individuellen Anforderungen an Energieversorgung, Netzwerksicherung und andere Infrastrukturkomponenten mitzuteilen, sodass die erforderliche Parametrierung dort autonom erfolgen kann.

Auch die Problematik der Funktionalen Sicherheit lässt noch viel Bedarf für Forschung und Entwicklung. Leider erlaubt keines der gängigen Sys­teme am Markt eine umfassende Unterstützung von modularen Anlagen. Sie alle setzen eine starre Projektierung der Netzwerkteilnehmer voraus. Hier bedarf es einer skalierbaren Lösung mit der Möglichkeit zur dynamischen An- und Abmeldung einzelner Teilnehmer.

Weiterhin strebt die Technologie-Ini­tiative eine Öffnung und gleichzeitig Standardisierung der Backbone-Architektur an, um es ihren Partnern zu erleichtern, selbstständig konkurrierende Implementierungen der Infrastruktur-Box zu entwickeln.

Autoren: Prof. Dr. Detlef Zühlke ist Vorstandsvorsitzender der Technologie-Initiative SmartFactoryKL e.V., Dr.-Ing. Matthias Loskyll ist stellvertretender wissenschaftlicher Leiter des Bereichs Innovative Fabriksysteme (IFS) am DFKI, Moritz Ohmer ist Researcher Innovative Fabriksysteme (IFS) am DFKI und Stephan Weyer ist Researcher bei der SmartFactoryKL e.V.

Die SmartFactoryKL

Die Technologie-Initiative SmartFactoryKL e.V. beschäftigt sich seit ihrer Gründung im Jahr 2005 mit dem Transfer innovativer Informations- und Kommunikationstechnologien in die industrielle Anwendung. Unter anderem haben es sich die Beteiligten zur Aufgabe gemacht, die Industrie bei der Umsetzung der Kernparadigmen von Industrie 4.0 zu unterstützen. Dies geschieht nicht nur auf hohem wissenschaft­lichem Niveau, sondern auch durch die Realisierung einer Reihe repräsentativer, voll funktionsfähiger modularer Produktionsanlagen. Die neueste, auf der Hannover Messe 2014 vorgestellte Anlage stellt eine Besonderheit dar, die das generelle Ziel unterstreicht: Industrie 4.0 ist ein Gemeinschaftsprojekt, wobei einheitliche Standards eine hersteller­übergreifende Kompatibilität einzelner Sensoren, Aktoren und ganzer Anlagen sichern.

Dementsprechend haben die zehn Partnerfirmen – Cisco, Festo, Harting, Hirschmann, Lapp Kabel, MiniTec, Phoenix Contact, Proalpha, Rexroth und Siemens – mit definierten Richtlinien Produktionsmodule oder Services entwickelt, die vollkommen kompatibel eine einheitliche Produktionsanlage ergeben.