Automatisierung in der Industrie 4.0

In Zeiten launischer Märkte und individualisierter Produkte bis Losgröße 1 ist ein rascher Chargenwechsel zum K.o.-Kriterium geworden. Für die nötige Flexibilität sorgt vor allem die modulare Fertigungsintelligenz direkt auf der Feldebene, etwa in Gestalt von Ventilinseln oder Carrier-Systemen mit integrierter Steuerung.

Im Industrie-4.0-Forschungsprojekt SmartFactory hat Festo maßgeblich dazu beigetragen, dass flexible, modulare und vernetzte Maschinenzellen verschiedener Hersteller Wirklichkeit werden. In der Festo Technologiefabrik wurde dies bereits in die Realität umgesetzt und unter anderem bewiesen, dass sich die Rüstzeiten vernetzter Montagelinien so von mehreren Stunden bis auf 13 Sekunden senken lassen. Auch die Implementierung neuer Technologien oder Fertigungsverfahren bewältigen Sie dann an einem Nachmittag. Und sogar ein Umzug der gesamten Anlage dauert nicht mehr drei Wochen, sondern nur drei Tage.

Wichtig: Auch Bestandsanlagen bleiben mit geeigneten Retrofit-Komponenten in der Industrie 4.0 weiterhin rentabel. Die Spezifikationen der Maschinenschnittstellen müssen Hersteller bzw. Anwender für die eigenen Prozesse vorerst selbst festlegen; entsprechende Normen oder VDMA-Empfehlungen stehen noch aus.

Von selbst werden die Energiekosten nicht sinken. Der Schlüssel zu einer effizienten Produktion sind eigene Ressourcen und ein Energiemanagement, wie es erst in vernetzten Systemen machbar ist. Unser Musterbeispiel ist das Fertigungsgebäude von Festo in der Technologiefabrik Scharnhausen: Mit guter Isolation, Wärmerückgewinnung, bedarfsgenauer Drucklufterzeugung etc. wird der Standort höchsten Energiestandards gerecht.

Vor allem aber erfasst eine vernetzte Sensorik den Verbrauch sämtlicher Maschinen. Die M2M-Anwendungen (Machine to Machine) kommunizieren selbstständig per OPC UA mit dem Produktionsleitsystem (MES), das auf optimalen Gleichlauf eingestellt ist und Energiepeaks vermeidet. Bei bereits vorhandenen Anlagen wurden die notwendigen Sensoren und die Kleinsteuerung nachgerüstet, unter anderem mit dem elektrischen Terminal CPX und unserem Energie-Effizienz-Modul MSE6-E2M. Dabei waren Investitionen von rund 3.000 bis 5.000 Euro pro Maschine erforderlich. Auf der Haben-Seite kann die Fabrik dafür etwa 3 GWh Energie einsparen, was einen ROI von unter drei Jahren ergibt. Bei anderen Kundenprojekten hat die Unterstützung durch unsere Festo Energy Saving Services sogar bis zu 60 % Einsparung ergeben. Bei neuen Anlagen liegt das größte Potenzial in der wirtschaftlichen Auslegung.

Ein großer Industrie-4.0-Vorteil ist eine vorausschauende Wartung, die ungeplante Stillstandszeiten auf ein Minimum beschränkt. Im Pilotprojekt bei Festo waren iPads ein wesentliches Element: Die Kollegen vom Service können sich auf ihren Tablets nicht nur die Fehlermeldungen aus der Anlage anzeigen lassen, sondern auch sämtliche Reparaturanleitungen, Pläne sowie Stück- und Ersatzteillisten. Bei Bedarf können sie per Chat Experten hinzuziehen, vergangene Reparaturaufträge laden und einen Online-Blick ins Ersatzteillager werfen. Damit ist auch sofort klar, welche Fehlermeldungen noch offen sind und welchem Mitarbeiter sie mit welcher Priorität zugeordnet sind.

Der Bereich Maintenance ließe sich künftig noch weiter ausbauen, bis hin zu einer Echtzeitverknüpfung mit dem Auftragsbestand und AR-Unterstützung (Augmented Reality). Das Pilotprojekt war so erfolgreich, dass wir dieses System derzeit in allen Fabriken von Festo ausrollen. Die OEE (Overall Equipment Effectiveness) der Produktionsanlagen ist deutlich gestiegen, die Mitarbeiter sind motivierter und der Return on Investment beträgt weniger als sechs Monate.

Diese mobile Instandhaltungs-App AX Smartenance License (smart maintenance) können Sie auch in Ihrer Fabrik als digitalen Wartungsmanager einsetzen.

Industrie 4.0 besteht in der Anwendung. In unserer Technologiefabrik Scharnhausen produzieren wir unsere Ventile, Ventilinseln, Leiterplatten und Baugruppen in vernetzten Montagelinien: flexibel, energieeffizient und hochproduktiv.

Der Theory of Constraints (TOC) von E. M. Goldratt zufolge hat jede betriebliche Wertschöpfung einen Engpass. Davor staut sich alles, dahinter läuft die Produktion oft leer. Diesen Engpass gilt es ausfindig zu machen und zu beheben – sodass der nächste Engpass sichtbar wird und behoben werden kann.

Dieses iterative TOC-Vorgehen haben wir in der Technologiefabrik Scharnhausen erweitert und zur Engpassorientierten Organisation (EOO) entwickelt. Konkret geht es dabei um Durchlaufzeiten und Lieferperformance. Die relevanten Kennzahlen sind Durchsatz, Bestände und Betriebskosten. Die praktische Umsetzung besteht in einer konsequenten Industrie-4.0-Vernetzung, durch die alle Beteiligten die erforderlichen Daten aus dem Online-MES auf den Bildschirm bekommen – egal ob Stand-PC, Tablet oder Smartphone.

Das funktioniert ausgezeichnet, sowohl bei uns als auch bei unseren Projektpartnern: In der Metallverarbeitung etwa hat die bedarfsgerechte Bestellung mit EOO die Durchlaufzeit werksweit um 56 % reduziert, in einzelnen Leistungseinheiten sogar um 90 %.

Gegenüber der Losfertigung ist die Fließfertigung deutlich beweglicher. Die Durchlaufzeiten sind kurz, die Qualität stimmt, und der Platzbedarf ist ebenfalls gering. Vor allem lassen sich One-Piece-Flow-Prozesse so gestalten, dass die Zwischenlager weitgehend entfallen und die Produktion sehr viel flexibler steuerbar ist.

Konkret haben wir solche Heijunka-Systeme im Rahmen der Engpassorientierten Organisation (EOO) umgesetzt, und zwar über eine vollständige Prozesskette vom Sägen über das Entgraten, Bohren und Fräsen bis zur Feinbearbeitung und Oberflächenbehandlung. Auf der technischen Seite kommen dabei intelligente Handhabungslösungen von Festo ebenso zum Einsatz wie M2M-Kommunikation (Machine to Machine) via OPC UA. Damit hält man die Betriebsdaten bzw. KPIs der Maschinen jederzeit synchron. Im Fall einer Störung lässt sich dann die komplette Linie entsprechend herunterregeln, sodass sie keine Materialwellen vor sich herschiebt, die am Wochenende oder in teuren Nachtschichten abgearbeitet werden müssten.

In den Digital-Twin-Szenarien der Industrie 4.0 sind eindeutige maschinenlesbare Identifikationen unerlässlich. Bei Festo gibt es das schon: der Product Key ist wahlweise ein QR- bzw. Datamatrix-Code oder ein alphanumerischer elfstelliger Code, der jedes Produkt unmissverständlich kennzeichnet. Damit haben Sie Daten wie Typenbezeichnung, Seriennummer, Revision etc. jederzeit zuverlässig zur Hand. So weit, so vertraut. Der Product Key kann aber noch mehr: Er ruft zum Beispiel automatisch die richtige Anwenderdokumentation und die CAD-Daten auf. Und er vereinfacht die Bestellung von Komponenten und Ersatzteilen gewaltig. Der integrierte Identcode macht es möglich, dass Instandhalter oder Maschinenbauer direkt aus der Arbeit heraus die korrekte Bestellung auslösen – effizient und garantiert fehlerfrei, auch bei komplexen Ventilinseln und Subsystemen mit Hunderten von Einzelteilen.

Der Product Key von Festo ist sogar Cloud-ready: Bei Systemen, die Sie per App (um-) konfigurieren und über IIoT-Plattformen managen, funktioniert der Product Key als Access Code. Damit bekommen Sie aktuelle Firmware, Upgrades und Services einfach aus der Festo App World und bleiben dauerhaft auf der sicheren Seite.

Ticket-Systeme sind schon sehr hilfreich – noch besser sind allerdings intelligente Lösungen, die auf die Abläufe von Fließfertigung und Engpassorientierter Organisation (EOO) ausgelegt sind.

Dazu gehört erstens, dass die Mitarbeiter der Maintenance genuin mobil sind und an ihren Tablets unterwegs alle nötigen Einsatz- und Maschinendaten online in Echtzeit zur Verfügung haben. Eine App dirigiert sie zum jeweils nächsten Einsatzort, bevor dieser zum Engpass gerät. Das bedeutet: Die Wege vom zentralen Instandhaltungsbüro zum Einsatz an der Maschine können Sie sich sparen – bei größeren Firmen sind das mehrere Arbeitsstunden pro Woche. Zweitens lassen sich die Aufträge dann nach Effizienzkriterien wie Auslastung, Auftragsstand und der Wertschöpfung der Maschine priorisieren. Drittens macht Mobile Maintenance die Wartungskräfte erst wirklich handlungsfähig: Im Idealfall können Sie eine Ersatzteilbestellung via Product Key sofort online und automatisiert anstoßen.

Ein HMI-Beispiel (Human Machine Interface), das vom Menschen ausgeht: Der ProGlove sieht aus wie ein normaler Arbeitshandschuh – nur dass er auf dem Handrücken einen Barcode-Scanner integriert hat. Die Mitarbeiter in der Logistik aktivieren ihn über integrierte Daumensensoren, sodass sie beim Be- und Entladen automatisch und in einem Arbeitsgang digital erfassen, was sie anpacken. Dazu haben sie außerdem beide Hände frei. Das geht schneller und funktioniert auch bei Montage- und Handarbeitsplätzen tadellos.

In unserer Technologiefabrik Scharnhausen haben wir dieses Smart-Industry-Prinzip bereits weitgehend umgesetzt und die Montagevorrichtungen so markiert und codiert, dass die Mitarbeiter automatisch die richtigen Teile greifen – einfach, schnell und fehlerfrei. Auf diese Weise entsteht zugleich ein getreuer „digitaler Zwilling“ der Fertigungsprozesse. Damit wiederum lassen sich Produktionsvolumina und Materialströme flexibel, bedarfsgenau und effizient steuern.

Damit sich die Maschinen- und Produktionsdaten einer vernetzten Industrie nützlich machen, müssen sie gebündelt, konsolidiert und handhabbar werden. Diese Aufgabe übernimmt das IoT-Gateway CPX. Je nach Komplexität kommunizieren bis zu 10 bis 31 Komponenten und Module auf Shop-floor-Ebene in Echtzeit über eine sichere OPC-UA-Schnittstelle. Das Gateway übersetzt die Datenströme in AMQP (MQTT und weitere auf Anfrage) und macht sie damit ebenso sicher Cloud-tauglich. Somit stehen sämtliche Optionen von Industrie 4.0 und moderner Datenanalyse offen, von Smart Maintenance bis hin zu kompletten Digital Twins.

Unserem IoT-Gateway haben wir bereits vorkonfigurierte Dashboards mitgegeben, die sich am Bildschirm individuell anpassen lassen: Widgets mit Ampelanzeigen und Diagrammen zur vorbeugenden Wartung und Auslastungskontrolle. Sofort einsatzfertig ist das zum Beispiel bei Cyber-physischen Systemen wie dem Energie-Effizienz-Modul MSE6-E2M, dem Handlingsystem YXMx oder unserem Motion Terminal VTEM.

Praktisch ergibt das zweierlei: ein schlüsselfertiges Condition Monitoring mit automatischen Alerts und sicherer Fehlerdiagnose in Echtzeit sowie umfangreiche Möglichkeiten betriebswirtschaftlicher Data Analytics in der Festo Cloud: Trendanalysen, Frühwarnsysteme und Steuerungsmöglichkeiten zur Steigerung der Gesamtanlageneffektivität auf Basis verlässlicher Leistungskennzahlen.

Die Basis jedes Expertenunterstützungssystems, jeder fundierten Unternehmensentscheidung, jeder wirksamen Prozessoptimierung sind belastbare Kennzahlen. Darum laufen in der Festo Cloud sämtliche Informationen aus den IoT-Gateways zusammen und stehen für intelligente Datenanalysen aufbereitet parat – ob anschaulich visualisiert als intuitive Dashboards oder als komplexe Langzeitauswertungen.

Wie Industrieunternehmen mit den eigenen Datenmengen umgehen, wird in Zukunft entscheidend für den Erfolg sein. Schon jetzt sind auf Cloud-Ebene umfangreiche Industrie-4.0-Möglichkeiten der Steuerung und Optimierung gegeben. Die Festo Cloud trägt bereits direkt dazu bei, Stillstände zu reduzieren, die Auslastung zu verbessern und die Gesamtproduktivität zu steigern. Nicht zuletzt arbeiten Fertigungsunternehmen ebenso wie Maschinen- und Anlagenbauer derzeit bereits an neuen Geschäfts- und Erlösmodellen, die sich aus der Weiterverarbeitung und Aufbereitung von Cloud-Maschinendaten ergeben.

Industrie 4.0 ist weit mehr als Sensorik, die Maschinendaten bis in die Cloud weiterreicht. Genuine Cyber-physische Systeme gehen auch den umgekehrten Weg, bringen Steuerungsintelligenz auf die Feldebene und machen sogar die Pneumatik digital: Unser Motion Terminal VTEM erweitert Bestandsanlagen unkompliziert um Industrie-4.0-Funktionen. Die einzelnen Ventile werden per App gesteuert und sind per WebConfig frei programmierbar: Druckniveau, Drosselung, Wegeventilfunktion, Leckagediagnose etc. Das Motion Terminal VTEM gibt Maschinen- und Anlagenbauern deutlich mehr Spielraum und erleichtert den Aufbau pneumatischer Schaltkreise. Es übernimmt Funktionen, für die man zuvor über 50 verschiedene Produkte bzw. Positionen gebraucht hätte. Vor allem aber bedeutet es die Digitalisierung der Druckluft: Die Funktionen eines Ventils ändern Sie beim Motion Terminal VTEM einfach per Software – statt durch Umbau der Hardware.

Als Datenaustauschformat speziell für heterogene Entwicklungsumgebungen und herstellerübergreifendes Engineering hat sich die Automation Markup Language (AML) etabliert. Die XML-basierte Sprache kommt historisch zwar aus der Automobilindustrie, das Entwicklerkonsortium hat sie aber als allgemeinen „Digital Enabler“ formuliert. Festo ist selbst im Verein AutomationML als Vorstand aktiv und engagiert sich gemeinsam mit anderen namhaften Spezialisten und Forschungsinstituten in der Entwicklung, Normung und weiteren Verbreitung des Standards, speziell bei der Implementierung von Smart Tools im ENTOC -Projekt (Engineering Tool Chain for Efficient and Iterative Development of Smart Factories).

AutomationML ist kein proprietäres Format, sondern neutral und erweiterbar konzipiert. Tatsächlich ist die Situation für Konstrukteure im Maschinenbau durch AML deutlich besser als etwa in der Heimautomation, wo die Entwickler mit einer Vielzahl von Schnittstellenproblemen und Systembrüchen zu kämpfen haben. AML ermöglicht den Austausch von Anlagenplanungsdaten und eine verlässliche Dokumentation, deckt aber zum Beispiel auch die Umsetzung von Anlagensimulationen in Produktivsysteme ab.

Ein offenes Konsortium um den Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (ZVEI) hat im Rahmen der Plattform Industrie 4.0 mit BMWi-Unterstützung bereits ein Referenzarchitekturmodell für die Industrie 4.0 (RAMI 4.0) vorgelegt und die wesentlichen Merkmale einer Industrie-4.0-Komponente definiert. Konkret geht es jetzt im Open-Source-Kooperationsprojekt openAAS (open Asset Administration Shell) um eine „offene Verwaltungsschale“ für solche Komponenten. Protokollgrundlage ist dabei OPC UA (Unified Architecture), die bereits jetzt bei allen Industrie-4.0-tauglichen Produkten von Festo zum Einsatz kommt.

Praktisch besteht die Aufgabe darin, eine Industrie-4.0-Komponente als gekapseltes System mit Schnittstellen zu beschreiben und auf diese Weise ein digitales Abbild zu schaffen – die Grundlage aller Digital-Twin-Konzepte und die Basis jeder M2M-Kollaboration (Machine to Machine). Festo ist an dieser Entwicklung maßgeblich beteiligt, erste Pilotimplementierungen waren bereits erfolgreich.

Big Data ist das Thema eines BMBF-geförderten Verbundforschungsprojekts, das bis Mitte 2019 läuft. Die Aufgabe besteht darin Methoden zu entwickeln, wie Unternehmen auf Basis der Datenmengen, die bei der Industrie 4.0 anfallen, neue Geschäftsmodelle aufbauen können.

Festo ist bei BigDieMo konkret für die Erarbeitung eines Baukastens mit Methoden und Werkzeugen zur strukturierten Gestaltung von datenbasierten Dienstleistungen verantwortlich. Dabei können wir sowohl auf eigene Erfahrungen in der Technologiefabrik Scharnhausen zurückgreifen als auch auf die Ergebnisse von Pilotanlagen bei Kunden. Wartung ist immer schon ein zentrales Engineering-Kriterium jeder Industriekomponente von Festo, daher liegt hierauf nicht erst seit den Möglichkeiten von Predictive Maintenance besonderes Augenmerk.