„Die Bedeutung der Software gegenüber der Hardware nimmt weiterhin zu“, betont Thomas Lutzky, Geschäftsführer PHOENIX CONTACT GmbH. © 2018 PHOENIX CONTACT

Wie kann moderne Produktion funktionieren, wenn Produkte in kleiner Stückzahl gefertigt werden sollen? Und wenn im Extremfall jedes Produkt ein maßgeschneidertes Einzelstück sein soll?

Die Zukunft der Produktion scheint sich in den vergangenen Jahren immer klarer abzuzeichnen – smarte und intelligente Fabriken sollen die Herausforderungen der individuellen Produktion stemmen. Wie das gehen soll? Daran wird in der Pilotfabrik Aspern geforscht. Die Produktion industrieller Güter wird in Zukunft ganz anders ablaufen als bisher. „Verschiedene Arbeitsschritte werden vernetzt, eine intelligente und durchgängige IT sorgt für mehr Effizienz, auch bei kundenindividuellen Wünschen und daher kleinen Stückzahlen“, erklärt Detlef Gerhard, Dekan der Fakultät für Maschinenwissenschaften und Betriebswissenschaften der TU Wien. Der Dekan ist Mit-Initiator der Pilotfabrik in der Seestadt Aspern, ein Projekt, das vom Infrastrukturministerium mit zwei Millionen Euro gefördert wurde. Die gleiche Summe investierte die TU Wien gemeinsam mit Industriepartnern.
„Eine durchgängige Datenverarbeitung kann alle Schritte von der individuellen Konfiguration und Bestellung eines Produkts über notwendige konstruktive Anpassungen bis hin zur Teilefertigung und Montage automatisch miteinander verbinden“, erklärt Gerhard. „Unsere Pilotfabrik ist ein zentraler Träger im Gerüst der TU-Aktivitäten bei Industrie 4.0“, ergänzt Johannes Fröhlich, Vizerektor für Forschung und Innovation der TU Wien. Verknüpft damit sei die Arbeit im K1-Zentrum „Austrian Center for Digital Production“ wo an der Virtualisierung der Produktion, flexibler Automation und Maschinenkommunikation geforscht werde. „Zur Kompetenzvertiefung bieten wir mit dem DigiTrans-4.0-Innovationslehrgang eine wichtige Möglichkeit zur Schulung von Firmen“, betont Fröhlich.

Losgröße 1 auf Knopfdruck
Welche Arbeitsschritte müssen demnächst erledigt werden? Wie kann man sie möglichst effizient zusammenfassen? Kann man die Reihenfolge der Schritte so wählen, dass Zeit und Energie gespart werden und die Maschinen optimal ausgelastet sind? Solche Entscheidungen könnten in einer modernen Fabrik nicht von Menschen getroffen werden, denn dafür sei das Gesamtsystem zu kompliziert. Aber mit moderner Datenverarbeitung würden sich ganz neue Möglichkeiten eröffnen. Das Ziel sei es, die „Losgröße 1“ zu den gleichen Kosten wie eine großvolumige Produktion zu realisieren.
Moderne Produktionsplanung und Industrie-4.0-Strategien würden dabei an der Technischen Universität Wien anhand der Produktion von 3D-Druckern untersucht. „Das ist ein Produkt, das sich für unsere Zwecke sehr gut eignet“, meint Gerhard. Es sei komplex genug, um als Beispiel für die verschiedenen Fragestellungen zu dienen, vereine mechanische Komponenten mit elektrischen Antrieben, Elektronik und Software zur Steuerung und könne in vielen unterschiedlichen Varianten produziert werden, zum Beispiel in verschiedenen Größen oder mit unterschiedlichen Druckköpfen. „Das bringt entsprechende Herausforderungen für die Planung des Produktionsprozesses mit sich.“

Fabrik mit digitalem Zwilling
Neben der durchgängigen Datenverarbeitung, die alle Prozessschritte miteinander verbindet, gebe es noch einen weiteren Kernpunkt, der für das Umsetzen einer effizienten Produktion entscheidend sei und in der Pilotfabrik erforscht werde: Die Fabrik habe einen „digitalen Zwilling“, mittels Computer könnten somit alle Abläufe in der Fabrik virtuell simuliert werden. „Nur, wenn man schon im Voraus Änderungen an Produktprozessen simulieren und Alternativen durchspielen kann, lassen sich die Prozesse optimal gestalten“, erklärt Gerhard. Darüber hinaus gebe es viele weitere Forschungsthemen, die in der Pilotfabrik untersucht würden – es geht dabei um die Kommunikation zwischen Maschinen, um kollaborative Robotik, aber auch um Sicherheitsaspekte und die Frage, wie man das umfangreiche Datenmaterial, das in einer automatisierten Fabrik anfällt, optimal auswertet und möglichst großen Nutzen daraus zieht.
In der Demonstrationsfabrik für Smart Production und Cyber-Physische Produktionssysteme liege der Schwerpunkt auf neuen Konzepten und Lösungen für variantenreiche Serienproduktion (Low Volume – High Mix) im Bereich der diskreten Fertigungsindustrie, die typisch für viele österreichische Unternehmen sei. Dies würden im Wesentlichen die Anwendungsfelder „Spanabhebende Bearbeitungsverfahren in robotergestützten flexiblen Fertigungszellen“, „Robotergestützte Laserbearbeitungsverfahren zum Fügen/Trennen und für Additive/Hybride Fertigung“, „Innerbetriebliche Logistik mit Fokus auf Lean-Methoden und autonome Handhabungssysteme“ sowie „Lean-Montage und Werkerassistenzsysteme für Montageprozesse“ sein.
Ein besonderer Schwerpunkt liege darin, IT-Lösungen für die durchgängige Unterstützung der abgebildeten Prozesse und für die informationstechnische Integration der verschiedenen Systeme zu implementieren und im Sinne alternativer Lösungsansätze, die für Adaptivität und Flexibilität erforderlich seien, weiterzuentwickeln. Solche IT-Lösungen würden das Rückgrat bilden, um smarte Produktion und Cyber-Physische Produktionssysteme umsetzen zu können. Dabei werden verschiedenste Themenfelder angegangen, unter anderem Internet-of-Things-Technologien und Lösungen für flexible Automatisierung sowie Lösungen für die vertikale Integration entlang der Automatisierungspyramide („from shopfloor to top floor“).

Durchgängige virtuelle Abbildung realer Systeme
Auch Lösungen für die horizontale Integration entlang der Wertschöpfungskette (Fertigung, Innerbetriebliche Logistik, Montage) über die verschiedenen Produktionsstufen und Life-Cycle-Integration von der Produktentwicklung über die Produktionsvorbereitung bis hin zur Produktion mit durchgängiger Abbildung der realen Systeme durch einen sogenannten digitalen Zwilling werde besonderes Augenmerk gewidmet.
Für das Beispielprodukt Kunststoff-3D-Drucker würden dabei einerseits mechanische Komponenten gefertigt, andererseits aber auch Teile und Komponenten zugekauft, um ebenfalls komplette Montage- und innerbetriebliche Logistikprozesse abbilden zu können. Neben diesem Beispielprodukt könnten selbstverständlich auch andere Bauteile und Komponenten zum Beispiel im Rahmen von Kooperationen mit Industriepartnern gefertigt oder montiert werden. Hauptzielsetzung sei dabei, Variabilität und Adaptierbarkeit in der Produktion exemplarisch abzubilden.
„Die Pilotfabrik ist ein technologisches Leuchtturmprojekt. Sie dient einerseits der Lehre und Forschung, andererseits haben Unternehmen die Möglichkeit, dort konkrete Fragestellungen zu untersuchen. Insgesamt ist sie ein wichtiger Beitrag, Österreich technologisch voranzubringen“, betont Thomas Lutzky, Geschäftsführer PHOENIX CONTACT GmbH, einem der rund 20 Industriepartner der Pilotfabrik.

Aufbau im Stufenplan
Der Aufbau der Pilotfabrik Industrie 4.0 erfolge in einem Stufenplan, also durch einen schrittweisen Aufbau von Anwendungsfeldern im Sinne von Applikations­szenarien in der Pilotfabrik, mit denen bestimmte Inhalte (Forschung, Schulung, Know-how-Transfer, Demonstration) abgebildet werden können. Die aktuellen Anwendungsfelder der Phase I beziehungsweise Initialphase würden sich inhaltlich von Gesprächen mit Indus­triepartnern, die im Vorfeld geführt wurden, beziehungsweise den daraus adressierten Bedarfen ableiten. Im Anwendungsfeld A werde beispielsweise an einem rekonfigurierbaren, adaptiven Produktionssystem beziehungsweise einer Fertigungszelle inklusive Werkzeug- und Werkstückhandhabung gearbeitet.
Ausgangssituation sei, dass die produzierenden Unternehmen in Österreich vor einem Wandel stünden. Im globalen Wettbewerb würden Anbieter aus Niedriglohnländern sukzessive aufholen und zunehmend konkurrenzfähige Produkte anbieten. Sowohl Konsumprodukte als auch Investitionsgüter würden deshalb immer stärker nach Kundenwünschen gestaltet und daher unvorhersehbaren Bedarfsschwankungen unterliegen. Dies führe dazu, dass Produktions- und Logistikprozesse umfassend dynamisch reagieren müssen.
Mit dem heutigen Status quo in der Fertigung mit zentral gesteuerten Prozessen sei dies aber kaum möglich. Umsetzbar würden die kommenden Anforderungen nur mit neuartigen Produktionssystemen, sogenannten Cyber-Physical Production Systems (CPPS), die mittels Cyber-Physischer Systeme (CPS) gesteuert werden. Diese verfügen über unterschiedliche Sensoren zur Wahrnehmung ihrer Umwelt und über Aktoren, mit denen sich Produkte, Maschinen und Anlagen selbst optimieren und an sich ändernde Aufträge und Betriebsbedingungen anpassen.

Auftragssteuerung über alle Ebenen hinweg
Mit diesem Anwendungsfeld werde für die subtraktiven (CNC spanend) sowie additiven Technologien (Auftragsschweißen und FDM 3D-Druck) aufgezeigt, wie die komplette Auftragssteuerung softwaretechnisch über alle Ebenen hinweg implementiert wird. Änderungen im Auftrag würden dabei zu (Re-)Konfiguration / Adaption der Fertigungseinrichtungen führen. Um diese Vision zu verwirklichen, würden mehrere Entwicklungsziele angestrebt, etwa die Schaffung von Cyber-Physical Production Systems (CPPS) durch den Einsatz von CPS, die vollständige Virtualisierung der Fertigung, die Simulation des Fertigungsprozesses, die virtuelle Inbetriebnahme, Entwicklung von Self-X-Funktionalitäten für Fertigungszellen, durchgängige einheitliche Vernetzung von der Sensorebene bis zur MES Ebene, die Entwicklung einer flexiblen Steuerungsarchitektur zur Orchestrierung von Fertigungszellen sowie den Einsatz von „Smart Assets“ in der Fertigung.
In zukünftigen Arbeitssystemen werde außerdem die Gestaltung der Zusammenarbeit zwischen Menschen und Maschinen zunehmende Bedeutung und Komplexität erlangen. Dies resultiere aus der Tatsache, dass Maschinen in zunehmendem Maße mit Intelligenz – also der Fähigkeit, ihre Umgebung (auch den Menschen) wahrzunehmen, zu lernen und Entscheidungen zu treffen – ausgestattet seien. Maschinen und ihre verschiedenen Ausprägungen, etwa Roboter, würden somit aktiver Bestandteil des Arbeitssystems. Die Beziehung zwischen Mensch und Maschine werde von einer unidirektionalen Beziehung, wo der Mensch als „Maschinenbediener und -führer“ agiere, um eine bidirektionale Beziehung ergänzt, wo die Maschine zumindest in Teilbereichen mit dem Menschen kommuniziere, den Menschen führe und aktiv unterstütze.

Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine
Montagesysteme seien im Produktionssystem besonders durch einen hohen Anteil an menschlicher Arbeit geprägt. Die effektive und effiziente Gestaltung Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine sei laut den beteiligten Forschern eine besondere Herausforderung und Chance. Die Vernetzung von Mensch und Maschine mit anderen Betriebsmitteln und Systemen ermögliche die konsequente Nutzung von Daten zur Optimierung des Gesamtsystems Montage in Hinblick auf Flexibilität, Qualität, Sicherheit und Kosten. Die enge Zusammenarbeit zwischen Maschinen und Menschen stelle aber Herausforderungen an die Planung und Gestaltung derartiger Arbeitssysteme.
Das Montagesystem wurde daher als Cyber-Physisches System konzipiert. Die Montage des variantenreichen Produkts mit Losgröße 1 erfolge entlang mehrerer verbundener Montagestationen innerhalb einer Montagelinie. Die Montagestation wurde nach ergonomischen und insbesondere nach alters- und alternsgerechten Erfordernissen konzipiert. Dadurch würden leistungsmindernde und gesundheitsschädliche Einflüsse auf den Menschen auf ein Mindestmaß reduziert. Der Monteur werde bei der Bewältigung komplexer Arbeitsinhalte durch visuelle und adaptive Werkerführungs- und -assistenzsysteme durchgehend unterstützt.
In Hinblick auf die aus der Arbeitsaufgabe hervorgehenden physischen, kognitiven und psychischen Beanspruchungen unterstütze zudem ein kollaborationsfähiger Mensch-Roboter den Menschen. Über dieses sensitive und kollaborative Roboterassistenzsystem erfolge eine kontextabhängige und situative Unterstützung der Mitarbeiter. Hierdurch werde eine ergonomische, alternsgerechte und produktive Arbeitsausführung gewährleistet.

Ein Projekt für Lehre, Forschung und Unternehmen
Ein wichtiger Industriepartner beim Aufbau der Pilotfabrik in der Seestadt ist Phoenix Contact. Geschäftsführer Thomas Lutzky erklärte die Vorteile und den Nutzen des Leuchtturmprojekts.

Phoenix Contact ist in den Themenbereichen Netzwerkinfrastruktur und IT-Security als Partner der Pilotfabrik dabei. Wie sieht Ihre Unterstützung konkret aus?
Phoenix Contact ist einer von rund 20 Industriepartnern, die die TU Wien beim Aufbau der Pilotfabrik Industrie 4.0 in der Seestadt Aspern unterstützt haben. Konkret haben wir uns in den Bereichen Netzwerktechnik, Security und Safety eingebracht. Gemeinsam mit den Experten der TU führten wir die Planung und Umsetzung des Netzwerkes, basierend auf dem Security Standard IEC 62443, durch. Zur Segmentierung und Fernwartung der Maschinennetzwerke werden Phoenix-Contact-Security-Komponenten, wie z. B. mGuard Firewalls und Secure Cloud, eingesetzt. Im übergelagerten Produktionsnetzwerk befinden sich redundante, intelligente Netzwerk-Switches sowie WLAN-Komponenten. Zum Thema Maschinensicherheit haben sich unsere Experten mit Beratungsleistungen eingebracht. Im Einsatz sind weiters Phoenix Contact Steuerungen, Netzteile, Industrie-PCs , Touchpanels, elektrische Verbindungstechnik und vieles mehr.

Ergeben sich in Folge der Pilotfabrik-Projekte auch „Learnings“ für Phoenix Contact?
Im Rahmen von Veranstaltungen nutzen wir die Gelegenheit, Kunden vor Ort unsere Technologie in der Anwendung zu präsentieren und ihre individuellen Fragestellungen zu erörtern. Aus diesem intensiven Austausch über Anforderungen und State-of-the-Art-Technologie ergeben sich regelmäßig Ansatzpunkte für die Weiterentwicklung unserer Produkte und Lösungen.

Welche Vorteile bzw. Nutzen hat die Pilotfabrik in Ihren Augen?
Die Pilotfabrik ist ein technologisches Leuchtturmprojekt. Sie dient einerseits der Lehre und Forschung, andererseits haben Unternehmen die Möglichkeit, dort konkrete Fragestellungen zu untersuchen. Insgesamt ist sie ein wichtiger Beitrag, Österreich technologisch voranzubringen.

Gerade das Thema Sicherheit spielt im Umfeld von IIoT eine wichtige Rolle – wie lässt sich die smarte Produktion effizient absichern?
In der IEC 62443 wird der heutige Stand der Technik beschrieben. Sie besteht aus inzwischen 13 Subnormen in unterschiedlichen Reifegraden, die auf vier Ebenen Vorgaben für die Umsetzung von Sicherheitsmaßnahmen in industriellen Umgebungen machen: von allgemeinen Konzepten über Sicherheitsmanagementprozesse bis hin zur Implementierung auf System- und Komponentenebene. Dabei werden die unterschiedlichen Rollen und Aufgaben von Komponentenherstellen, Integratoren und Betreibern von industriellen Automatisierungs- und Steuerungssystemen berücksichtigt und im Standard abgebildet. Hintergrundwissen dazu vermitteln wir Spezialisten aus den Bereichen IT, OT und Sicherheitstechnik in unseren Seminaren „Fundamentals of Cyber Security“.

Die industrielle Produktion wird sich durch die ­Digitalisierung stark verändern – wo sehen Sie die ­gravierendsten Änderungen?
Die Bedeutung der Software gegenüber der Hardware nimmt weiterhin zu. So wird generell im Maschinenbau immer mehr Funktionalität in der Software stecken, was wiederum die Geschäftsmodelle verändert – Software muss dann auch entsprechend abgerechnet werden. Wir wollen die Schnittstelle zwischen dem Shopfloor – also der Welt, in der wir zuhause sind – und der Welt der Informationstechnologie, der Data Analytics und datenbasierten Geschäftsmodelle selbst in die Hand nehmen. Die Relevanz von Softwarekompetenz zeigt für uns deutlich unsere neue PLCnext Technology.
Die Grundidee ist, die Sicherheit einer deterministisch arbeitenden Industriesteuerung zu verbinden mit der Offenheit und Flexibilität, die wir aus der Welt der Smart Devices kennen. Der Vorteil ist: Damit wird es möglich, eine Vielzahl von Anwendungen in der Steuerung auszuführen. Deswegen war es auch ein wichtiges Ziel, dem Anwender bei der Wahl der Programmiersprache die Wahl zu lassen. Funktionen nach IEC 61131-3 lassen sich auf diese Weise mit Routinen, geschrieben in C/C++ oder C# sowie aus Matlab Simulink, kombinieren; bei den Tools können also auch Visual Studio, Eclipse, Matlab Simulink oder PC Worx Engineer verwendet werden. So ist man frei, zunächst die regelungstechnische Aufgabe zu beschreiben, um dann den Steuerungscode zu generieren. Dennoch bleibt am Ende die Deterministik erhalten!

Stichwort Losgröße 1 – wie lässt sich diese in ­Hochlohnländern wie Österreich, Deutschland usw. ­kosteneffizient umsetzen?
Durch flexible, wandlungsfähige Produktionsanlagen. Damit lassen sich dann Maschinen realisieren, die im Laufe ihres Einsatzes auch Produkte herstellen können, an die man beim Aufbau der Maschine noch gar nicht gedacht hat. Voraussetzung ist hier, dass die Schnittstellen eindeutig beschrieben sind und eine Maschinensemantik existiert, mit der sich die Herstellung der Produkte beschreiben lässt.

Welche Auswirkungen hat die „smarte Revolution“ auf die klassischen Industrie-Infrastrukturen? Wie verändern sich diese dadurch?
Effizienzsteigerungen gelingen heute vielfach durch die Vernetzung über Unternehmensgrenzen hinweg und resultieren in sinkenden Produktionsstückkosten. Diese sind der Schlüssel bei industriellen Standortentscheidungen. Industrie 4.0 ist – neben einer Vielzahl anderer Rahmenbedingungen – ein wesentlicher Baustein für eine weiterhin positive Wirtschaftsentwicklung in Österreich und Europa. (TM)

http://pilotfabrik.tuwien.ac.at
www.phoenixcontact.com