Stark vereinfacht lässt sich das Ziel des Wissenschaftsprojektes NIKI 4.0 mit „Industrie 4.0 zum Ausprobieren“ beschreiben. An NIKI 4.0 – kurz für „Nicht-disruptives Kit für die Evaluation von Industrie 4.0“ – sind die drei Forschungspartner Hahn-Schickard, Hochschule Offenburg und das FZI Forschungszentrum Informatik beteiligt. Sie wollen einen einfachen, kostengünstig und risikolos zu installierenden Werkzeugkasten aus Software und Sensorik für den häufig noch Industrie-4.0-skeptischen Mittelstand entwickeln, um die Vorteile einer vernetzten Produktion greifbar zu machen. Dabei bleiben die eigentlichen Produktionsanlagen und Maschinen unverändert und die Fertigungsprozesse werden durch die zusätzliche Datenerfassung zunächst nicht beeinflusst. So sollen mittelständische Unternehmen in die Lage versetzt werden, einen Teil von Industrie 4.0 unkompliziert in der eigenen Fertigung auszuprobieren und deren Mehrwert zu beurteilen.

Skeptischer Mittelstand

Das Projekt NIKI 4.0 nutzt unter anderem Augmented Reality auf dem Smartphone, um Maschinendaten verständlich zu machen.

© FZI

Die vernetzte Produktion bietet große Potenziale für Prozessverbesserungen und Kostensenkungen – begonnen bei der Produktionsplanung bis zur Wartung einer Produktionsanlage. Vernetzung und der damit verbundene Datenaustausch sind sowohl innerhalb der Produktion als auch entlang der ganzen Wertschöpfungskette – zum Beispiel mit Zulieferern und Abnehmern – Treiber für Prozessverbesserungen.

Dennoch halten sich deutsche klein- und mittelständische Unternehmen beim Thema Industrie 4.0 bisher eher zurück, weil sie hohe Investitions- und Umrüstungskosten befürchten. Mit den Projekt-Ergebnissen aus NIKI 4.0 soll es nun möglich werden, in der eigenen, realen Produktion erste Industrie-4.0-Vorteile zu erleben. Das NIKI-4.0-System informiert dabei lediglich über Maschinenzustände und greift nicht in die Regelung und Steuerung der Anlagen ein. Solche Aktorik wäre für die KMU erst der nächste Schritt hin zu einem Industrie-4.0-Unternehmen.

I4.0-fähig ganz einfach

Existierende Produktionsanlagen sollen mittels Sensorik und Informationskopplern kostengünstig Industrie-4.0-fähig gemacht werden. An diesem Punkt bringt Hahn-Schickard spezifisches Know-how ein und entwickelt Sensoren für die Datenerhebung. Die Forscher setzen hierbei auf akkubetriebene Sensoren, um sowohl für die Energie- als auch für die Datenübertragung auf störende Kabel verzichten zu können. 

Schematische Darstellung eines von Hahn-Schickard entwickelten Umweltsensors, beispielsweise zur Messung von Wind und Windrichtung, Temperatur, Luftdruck und Helligkeit.

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Da ein Produktionssystem einerseits von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird und es andererseits eine Menge möglicher Messgrößen gibt, die geeignet sind, Aussagen über die Produktion abzuleiten, werden in NIKI 4.0 verschiedene Sensoren entwickelt – beispielsweise ein Umweltsensor, der es ermöglicht, Luftdruck, CO2-Gehalt, Temperatur, Feuchtigkeit, Luftstrom, Lichtstärke und Infrarot-Anteil an einer Stelle in einer Fertigungsumgebung zu messen. Eine andere Gruppe von Sensoren misst direkt an der Maschine; hierfür werden unter anderem Sensoren zur Erfassung des Stroms (Messklemmen) und Sensoren für die Erfassung der relativen Position entwickelt beziehungsweise weiterentwickelt. 

NIKI 4.0 beschäftigt sich aber nicht nur mit der Erhebung neuer, sondern auch mit der Nutzbarmachung existierender Daten: In vielen mittelständischen Unternehmen arbeiten Maschinen, die bereits Daten produzieren und beispielsweise über ein Profibus-System kommunizieren können. Diese Möglichkeiten werden aktuell zumeist nicht ausgeschöpft. Ein Profibus-Sniffer soll helfen, diese Daten mitzulesen und in NIKI 4.0 zu analysieren.

Für die IT-Kommunikation in NIKI 4.0 ist die Hochschule Offenburg verantwortlich, die auch die Drahtlos-Kommunikation und die Sensornetzwerke im Projekt umsetzt. Das Gateway stellt das Kernelement des Datenaustausches im NIKI-4.0-Kit dar. Es sammelt und speichert die Daten und übersetzt sie in OPC-UA-kompatible Datenmodelle. Darüber hinaus dient das Gateway als Schnittstelle zur Visualisierung von Informationen, so dass mobile Endgeräte über eine direkte Drahtlos-Anbindung auf die im Gateway oder im Backend gespeicherten Daten zugreifen können. Hier ist eine Herausforderung, dass der Funk vorhandene Technik in den Produktionshallen nicht stört oder beeinflusst, gleichzeitig aber möglichst un­anfällig für Störungen durch andere Funktechnik in der Produktion sein soll. Gemeinsam mit dem FZI Forschungszentrum Informatik arbeiten die Offenburger Wissenschaftler zudem an der intelligenten Datenanalyse und Datenaggregation. 

Intelligente Visualisierung

Das FZI ist in NIKI 4.0 für die intelligente Visualisierung der verschiedenen Messgrößen aus den Industrieanlagen verantwortlich. Dazu werden künftig sowohl Werte der nachgerüsteten Sensoren als auch Messwerte aus dem System selbst mittels OPC-UA-Protokoll bereitgestellt. Die Forscher entwickeln eine Android-App für mobile Endgeräte und eine browserbasierte Desktop-Darstellung, um über eine einheitliche Schnittstelle auf die Daten zugreifen zu können. Die Verschmelzung von Daten und Realität auf den Mobilgeräten mittels Augmented Reality erleichtert dem Anwender in der unmittelbaren Umgebung der Maschine die Zuordnung von digitalen Daten und physischen Maschinen. Die Visualisierung unterstützt die Mitarbeiter eines Unternehmens in unterschiedlichen Anwendungsfällen der intelligenten Produktion der Zukunft. Visualisierung leistet so einen entscheidenden Beitrag zur Generierung neuen Wissens, das hier aus der Kombination maschineller Aufbereitung und menschlicher Erkenntnis entsteht. Ein Beispiel ist die Verwendung der Daten, um Prognosen zum zukünftigen Zustand der Maschine zu erstellen und ungeplanten Ausfällen durch gezielte vorbeugende Wartung vorzubeugen – Stichwort ‚Predictive Maintenance‘.

Auch für Mitarbeiter außerhalb der unmittelbaren Umgebung der Maschinen sind die über den NIKI-4.0-Werkzeugkasten erfassten Daten interessant, beispielsweise für einen Betriebsleiter, der aktuelle Produktions- und Maschinendaten analysieren und Einsätze planen möchte. Für diese Anwender ist die Entwicklung einer geeigneten Visualisierung und Bedienoberfläche geplant. Zusammengefasst besteht das NIKI- 4.0- Kit aus Sensorik, einem Profibus-Sniffer, einem Kommunikations-Gateway und der Visualisierung der gesammelten Daten mittels Augmented Reality. Außerdem bietet NIKI 4.0 als Open-Source-Plattform eine Basis für individuelle Erweiterungen und Anpassungen. Die Veröffentlichung soll unter der Apache-Lizenz 2.0 auf ‚GitHub‘ erfolgen.
 

Ein Anwendungsbeispiel

Besonders relevant sind die Sensor-Informationen in umgebungsempfindlichen Produktionsverfahren oder -anlagen. Spritzgussverfahren beispielsweise sind fehleranfällig für Wind beziehungsweise Luftzug sowie für Schwankungen der Umgebungstemperatur.

Das FZI ist für die intelligente Visualisierung der verschiedenen Messgrößen verantwortlich. Diese sorgt durch Interaktion mit dem und Interpretation durch den Benutzer für 'neues Wissen' und erleichtert die Modellgestaltung.

© FZI

Durch die Messung und intelligente Visualisierung mit NIKI 4.0 sollen Facharbeiter künftig störende Lufteinwirkungen und Hinweise auf deren Quelle leicht interpretieren und die richtigen Aktionen zur Fehlerbehebung ableiten können.

Diverse Unternehmen haben an NIKI 4.0 Interesse bekundet. Sie unterstützen die Wissenschaftler aktiv durch einen projektbegleitenden Ausschuss, der sich aus 16 Unternehmen zusammensetzt. Sie sind in den im Projekt behandelten Themenfeldern aktiv und stammen schwerpunktmäßig aus dem baden-württembergischen Mittelstand. Die 16 Ausschuss-Mitglieder beraten die Forschungseinrichtungen in allen Phasen des Projektes mit ihrem Wissen aus dem Produktionsalltag und bringen Fallbeispiele ein. 

Der erste Projektmeilenstein war am 14. Oktober 2016 erreicht: Die Anforderungserhebung wurde abgeschlossen und eine erste detailliertere Systemarchitektur prototypisch umgesetzt. Anhand eines Demonstrators besprachen alle Projektbeteiligten die weitere Umsetzung und planten die kommenden fünf Projektphasen.

Autoren: 
Sascha Alpers ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsbereich Software Engineering des FZI in Karlsruhe;
Johanna Häs ist Department Manager Corporate Communications and Media (CCM) beim FZI in Karlsruhe.

Eckdaten zu NIKI 4.0

Das Projekt „Nicht-disruptives Kit für die Evaluation von Industrie 4.0“ startete am 1. Februar 2016 und läuft bis zum 31. Mai 2018. Beauftragt wurden die Projektpartner durch die Baden-Württemberg Stiftung im Rahmen des Forschungsprogramms „Industrie 4.0: Gestaltungspotentiale für den Mittelstand in Baden-Württemberg erforschen und nutzen“. Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt. Mehr Infos zum Projekt finden sich auf der Projekt-Internetseite.