In einem Gemeinschaftsprojekt hat die Open Industry 4.0 Alliance ihre in der Theorie erarbeitete Referenzarchitektur bei Kuka nun in die Praxis übertragen. Einzellösungen wurden dabei interoperabel verbunden und bestehende Silos aufgelöst. Die diskrete Fertigung von Roboterteilen ist nun intelligent vernetzt und soll in Zukunft auch herstellerübergreifend funktionieren. Das Geschehen in einer seit Jahren bestehenden Fertigungszelle wurde damit komplett integriert und via Cloud transparent gemacht.

Die Kuka-Fertigungszelle

»Unsere vollautomatisierte und vernetzte Roboterzelle verbindet die analoge und digitale Welt der smarten Produktion«, sagt Dr. Christian Liedtke, Head of Strategic Alliances bei Kuka. Ein Roboter vom Typ KR 500 L480-3MT greift Gussbauteile mit Hilfe pneumatischer Greifer der Firma Zimmer auf und führt sie einem der Heller-Bearbeitungszentren zu. Nachdem die Bauteile gebohrt und gefräst sind, werden sie in der Außenposition vom Roboter noch entgratet und anschließend entnommen. Um beide Bearbeitungszentren aus insgesamt vier Zuführstationen versorgen zu können, ist der Roboter auf der Lineareinheit KL 1500-3 verbaut. Mit Senseforge von Altran lässt sich zudem die Temperatur und Abkühlzeit der Werkzeuge gezielt überprüfen.

Bei der jetzt durchgeführten Vernetzung der Produktionszelle mit den CNC-Maschinen setzt Kuka auf die Industrie 4.0-Architektur der Allianz. »In vereinfachter Darstellung lässt sich diese Architektur durch vier Ebenen beschreiben: Manufacturing Components – also die Anlagen, Edge-Controller, IIoT-Plattform und User Interface«, so Liedtke.

Die Verbindung zur digitalen Welt erfolgt per Vernetzung aller beteiligten Komponenten miteinander und mit der Cloud. »Die Daten werden in einem Edge-Gateway von Fujitsu gesammelt und an unsere Operator-Cloud weitergegeben«, berichtet Bastian Jehl, IIoT Solution Engineer bei Kuka. »Die Cloud selbst stellt dann Services wie Authentifizierung, Datenverarbeitung, vorausschauende Wartung und Ereignisauswertung bereit. Derzeit erhalten unsere Werktätigen über die Tools von 3d Signals einen Überblick über das Geschehen in den Heller Bearbeitungszentren«, ergänzt Jehl. Mittels der eingerichteten Architektur der Open Industry 4.0 Alliance laufen die Daten via MQTT-Broker über die eigene Cloud des Kunden. Dabei wird der Kunde die Auswahl und Darstellung der Daten aus den verschiedensten Quellen mit passenden Dashboard-Werkzeugen nach seinen Bedürfnissen zuschneiden. »Der Kunde besitzt die Datenhoheit und entscheidet, wie der Datenfluss erfolgt«, so Jehl.

Durchsatz steigern, Stillstände vermeiden

Dr. Christian Liedtke: »Unsere Roboterzelle verbindet die analoge und digitale Welt der smarten Produktion.«

© Kuka Group

Das Referenzprojekt bei Kuka gliedert sich in zwei Phasen: Der erste Abschnitt – die komplette Digitalisierung der Fertigungszelle nach Brownfield-Gesichtspunkten bei laufender Fertigung – ist abgeschlossen. In der nun laufenden zweiten Phase werden die Prozesse anhand von praktischen Erfahrungen und vorausschauenden Analyse-Methoden kontinuierlich optimiert. Ziel ist es, den Durchsatz sowie die End-to-End-Auslastung der Zelle nachhaltig zu steigern und auf konstant hohem Niveau zu halten. Zudem sollen un-geplante Maschinenstillstände frühzeitig erkannt und durch Gegenmaßnahmen vermieden werden. Der durchgängig digitalisierte Workflow erlaubt darüber hinaus eine ganzheitliche Sicht auf die Performance der Fertigungseinheit, sodass ständige Anpassungen und Verbesserungen jederzeit möglich sind. Kuka profitiert dadurch langfristig von einer höheren Produktivität der Anlage und deutlichen Kosteneinsparungen.

Digitalisierung forcieren

Bastian Jehl: »Der Kunde besitzt die Datenhoheit und entscheidet, wie der Datenfluss erfolgt.«

© Kuka Group

Die Ergebnisse aus dem Referenzprojekt sollen auch auf künftige, ähnlich gelagerte Anwendungsfälle innerhalb der Open Industry 4.0 Alliance übertragen werden. Hierbei werden erneut alle Stakeholder und Adressaten wie Asset-Lieferanten, Produzenten sowie Drittanbieter von Services und Lösungen in die Projekte eingebunden. So lassen sich Innovationen in weiteren Allianz-Mitgliedsunternehmen anstoßen, die Digitalisierung vorantreiben und die Produktionsprozesse an-haltend verbessern. Dank der gemeinsamen Sprache und Semantik aller an der Allianz beteiligten Firmen werden durchgängige Informationsflüsse realisiert, was Effizienzsprünge ermöglicht. Darüber hinaus erhöhen die Interoperabilität und offene Standards die Erfolgsaussichten entsprechender Projekte zusätzlich.

Die Sparringspartner

In der Open Industry 4.0 Alliance haben sich mittlerweile mehr als 85 nationale und globale Industrieunternehmen zusammengeschlossen. Dazu Alexandra Altermann, Senior Product Specialist Industry 4.NOW & Strategic Partnerships bei SAP: »In diesen multilateralen Partnerschaften ist es unser Ziel, ganzheitliche Angebote zu erstellen. Im Team haben alle Partner gemeinsam die Fähigkeit, für ihre Kunden ein Industrie 4.0-Szenario zu implementieren, was jeder auf sich allein gestellt nicht anbieten könnte.«

Die Allianz-Partner des Projektes:

Thomas Bechtel: »Es kommen Protokolle und Standards wie OPC UA und MQTT zum Einsatz.«

© Fujitsu

So fungiert Fujitsu als Systemintegrator mit einer Edge-Plattform und der Integration des SAP Asset Intelligence Network (AIN). Hardwareseitig ist von Fujitsu zudem ein Hochleistungs-IPC-Device zur Überprüfung des laufenden Produktionsprozesses integriert. »Als Projektleiter sorgt Fujitsu für eine durchgängige End-to-End-System-Integration aller Komponenten«, sagt Thomas Bechtel, Project Manager Smart Factory bei Fujitsu. Aufseiten der Software kommen Protokolle und Standards wie OPC UA und MQTT sowie proprietäre Protokolle auf der Fujitsu-Edge-Ebene zum Einsatz. Auf der Cloud Computing Plattform Microsoft Azure IoT Edge werden die Prozesse orchestriert und via Message-Bus, dem MQTT-Broker, an andere Instanzen weitergegeben, etwa an die 3d Signals Cloud, Siemens MindSphere und an SAP AIN.

Digitaler Zwilling erhöht Projektnutzen

Alexandra Altermann: »In diesen multilateralen Partnerschaften ist es unser Ziel, ganzheitliche Angebote zu erstellen.«

© SAP

Im Projekt-Beitrag des Alliance-Mitglieds SAP spielt auch der ‚Digitale Zwilling‘ eine Rolle: Die Daten des physischen Produkts werden als Digitaler Zwilling letztlich in der Kuka- Cloud einseh- und auswertbar. Zugang zum Zwilling bekommen die Anwender über das SAP AIN, bei dem neben dem Zwilling auch Dokumentationen, Zertifikate und ebenso Instandhaltungsanleitungen hinterlegt sind. Der Nutzen des SAP AIN aus der Sicht der Open Industry 4.0 Alliance: Ein Hersteller stellt seine Stammdaten für ein bestimmtes Modell zur Verfügung. Kunden, die die selbe Maschine nutzen, übernehmen diese einfach und verbinden sie mit ihren bereits vorhandenen Daten.

Die Lösung 3d Signals aus Israel umfasst eine Cloud-basierte Lösung und ein IoT-Gerät, das Echtzeit-Algorithmen und KI zur automatischen Erkennung des Maschinenzustands und des Bearbeitungsprozesses für eine Vielzahl von Maschinen und Prozessen anwendet. Der Datenfluss erfolgt von einem Connectivity Box-Gerät zur Fujitsu Edge via Kuka Cloud und schließlich zu 3d Signals. Die 3d Signals-Cloud präsentiert ein Dashboard, das Daten und Prozesse in der Heller-Zelle für den Nutzer übersichtlich zusammenfasst. Außerdem übernahmen die Spezialisten die Einbindung der Heller-Bearbeitungszellen mittels Sensoren, da Heller nicht Mitglied der Allianz ist.

In kürzester Zeit visualisiert die Dashboard-Lösung des Unternehmens Echtzeitdaten und Analysen für die beiden Heller-Maschinen durch eine nicht-invasive und maschinenunabhängige Installation von Multifunktionssensoren. Die KI-basierte Asset-Performance-Monitoring-Plattform wandelt die gesammelten Daten in umsetzbare Erkenntnisse für Kuka um und bietet Business-Intelligence- und Analyse-Tools in der Cloud.

Nach Unterlagen der Open Industry 4.0 Alliance