Industrie 4.0 Cyber Physische Systeme am Beispiel von Positioniersystemen

Autor / Redakteur: Dipl.-Wirtsch.-Ing. (TU) Jens Amberg* / Jan Vollmuth

Die Fähigkeit, schnell umrüstende Maschinen zu schaffen, wird in den nächsten Jahren ein entscheidender Faktor sein, der über die Wettbewerbsfähigkeit des Maschinenbauers entscheidet. Welche Rolle dabei sogenannte Cyber Physikalische Systeme spielen, zeigt das Unternehmen Halstrup-Walcher am Beispiel von Positioniersystemen im Maschinenbau.

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(Bild: Halstrup-Walcher)

Kaum ein Begriff aus der vielfältigen Literatur zu „Industrie 4.0“ erzeugt bei der ersten Lektüre ein solches Erstaunen und Unverständnis wie derjenige des cyber-physischen Systems, kurz CPS genannt. Bevor wir uns diesen Begriff und seine Bedeutung näher ansehen, betrachten wir zuerst dessen Einbettung im Kontext der „Industrie 4.0“.

Internationale Wettbewerbsfähigkeit aufrechterhalten

Im Kern zielt „Industrie 4.0“ darauf ab, Deutschland als Produktionsstandort im Allgemeinen und die jeweiligen Produktionsstätten in Deutschland im Besonderen so anpassungsfähig wie möglich werden zu lassen. In letzter Konsequenz soll hierdurch die internationale Wettbewerbsfähigkeit aufrechterhalten werden, die angesichts von Billiglohnländern und aufstrebenden Schwellenländern in Frage gestellt ist.

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Die Grundidee ist einfach: Innerhalb kürzester Zeit soll eine Fertigungseinheit in der Lage sein, sich auf geänderte Kundenwünsche einzustellen. Diese effiziente Anpassung erbringt dann zugleich Ressourceneffizienz, indem alle vor- und nachgelagerten Produktionsstufen integriert werden und immer nur konkret benötigte Vorprodukte gefertigt werden. Und da nur eine optimale Einbindung des Menschen mit seinen (jeweiligen) Fähigkeiten das gewünschte anpassungsfähige Fertigungssystem ermöglicht, soll zugleich eine weitere Humanisierung der Arbeitswelt erfolgen.

Internet der Dinge

Wodurch soll nun diese Individualisierung und Flexibilisierung erreicht werden? Ein zentraler Ansatz besteht darin, dass die Maschinen, Betriebsmittel, Werkzeuge, Lagersysteme und auch die entstehenden Produkte miteinander vernetzt werden. Gerne wird diese Vernetzung auch als das „Internet der Dinge“ beschrieben, und eine solchermaßen vernetzte Fabrik erhält die Bezeichnung „Smart Factory“.

Wie aber können Objekte vernetzt werden? Zum besseren Verständnis muss hierfür das Konzept des „virtuellen Abbilds“ erläutert werden. Alle nicht-humanen Fertigungsteilnehmer, also zum Beispiel die Maschinen, existieren nicht nur in der realen Fertigungswelt, wie sie mit unseren fünf Sinnen erfassbar ist. Sie existieren darüber hinaus bei „Industrie 4.0“ in einem „virtuellen Abbild“, das die reale Welt spiegelt und um Informationen ergänzt. Dieses virtuelle Abbild findet sich in der Welt der Informationstechnologie (IT) und bildet alle Möglichkeiten und Fähigkeiten der Fertigungsteilnehmer ebenso ab wie deren aktuelle Zustände.

Informationen des virtuellen Abbilds

Auf Basis der Informationen des virtuellen Abbilds ist es dem einzelnen, dezentralen Fertigungsteilnehmer möglich, eigenständig Entscheidungen zu treffen und diese auch direkt an die benachbarten Fertigungsteilnehmer zu kommunizieren. So fordert der „intelligente“ Transportbehälter bei der betreffenden Maschine Nachschub an Werkstücken an, wenn er das entsprechende Lagerfach leer vorfindet.

Jeder Fertigungsteilnehmer, der über ein solches virtuelles Abbild verfügt und zur Interaktion mit anderen Fertigungsteilnehmern vernetzt werden kann, wird cyber-physisches System genannt. Der Teilbegriff cyber deutet dabei auf das virtuelle Abbild hin, der Teilbegriff physisch dagegen auf das Objekt in der Fertigungsrealität, wie es von unseren fünf Sinnen erfassbar ist. Dabei ist nicht nur die Interaktion der cyber-physischen Systeme untereinander vorgesehen, sondern auch die Informationsbereitstellung und Einbindung übergeordneter Adressaten und Entscheider, vom örtlichen Werker über das Leitsystem oder Manufacturing Execution System (MES) bis hin zu externen Kunden und Lieferanten. So bemerkt beispielsweise ein Werkzeug selbst erste Anzeichen von Verschleiß und ordert seinen eigenen Ersatz beim externen Werkzeuglieferanten.

Revolutionärer Ansatz

Der Ansatz ist revolutionär: Indem diese cyber-physischen Systeme über die nötige dezentrale Intelligenz verfügen, sind sie selbst in der Lage, Situationen einzuschätzen, Entscheidungen zu treffen und die anderen cyber-physischen Systeme bei Bedarf zu Aktionen zu veranlassen. Diese Verhaltensweisen wurden programmiert und sind idealerweise sogar in der Lage, sich zu verändern und anzupassen. Der hierarchische, vertikale Entscheidungsweg, wie er seit Jahrzehnten den Fabrikationsalltag kennzeichnete, wird damit aufgehoben oder zumindest weitgehend ergänzt.

Am Beispiel der Positioniersysteme soll nun verdeutlicht werden, dass die Maschinen der Zukunft, die ja selbst als cyber-physische Systeme fungieren werden, im Idealfall eine Kombination aus „cyber-physischen Subsystemen“ sein können. Die Positioniersysteme zur Formatumrüstung verfügen mit ihren Sensoren (absolute Encoder zur Positionsbestimmung) und Aktoren (Getriebe, Motor, Motorsteuerung zur Bewegung der Positionierobjekte) über alle Komponenten, um gemeinsam mit der dezentralen Intelligenz an Bord (Embedded System) ein eigenständiges CPS darzustellen.

Klassische Integration

Das CPS Positioniersystem kann natürlich auf klassische Weise in die Maschinenabläufe eingebunden werden. Hierbei fährt das Positioniersystem nach Vorgabe der nächsten Soll-Position (durch die Maschinensteuerung) selbsttätig an die neue Position und minimiert dabei eigenständig den sogenannten „Schleppfehler“ (Abweichung von der vorgesehenen Position während des Fahrprozesses). Dabei wird bei Positioniersystemen des Weltmarktführers Halstrup-Walcher im Falle einer Schwergängigkeit unterschieden, ob es sich um eine Blockfahrt handelt, die einen Bremsvorgang erfordert, oder um eine Verschmutzung, die eine Beschleunigung auslösen soll. Die Positionieraufgabe wird auf diese Weise optimal ausgeführt – angefordert wird sie jedoch von „oben“, von der Maschinensteuerung. Diese sollte sich im Sinne der „Industrie 4.0“ in Zukunft stattdessen besser darauf konzentrieren, die Rolle der Maschine als „CPS“ optimal zu unterstützen, indem sie mit den innerbetrieblichen Transportsystemen, den benachbarten Maschinen und dem Teilezulieferer Kontakt aufnimmt.

Das Positioniersystem als CPS kann alternativ auch unter Durchbrechung der hierarchischen Strukturen der Maschinensteuerung eingebunden werden. Anstatt sich ausschließlich vertikal mit der Maschinensteuerung auszutauschen, tritt das CPS Positioniersystem in direkten Austausch mit benachbarten dezentralen Komponenten. Als einfaches Beispiel ist hier dargestellt, dass ein neues Format durch einen Sensor erkannt wird. So kann beispielsweise in einer Verpackungsstraße ein optischer Sensor detektieren, dass aufgrund eines neuen Produktformats auf eine andere Verpackungsgröße umzustellen ist. Der Sensor gibt nun auf direktem Weg den Positioniersystemen die neuen Sollpositionen vor, woraufhin diese das Führungsgeländer, die Verpackungswerkzeuge und ggf. die Inspektionskamera an die neue Position fahren. Der übergeordneten Maschinensteuerung und auch dem bedienenden Mensch an seinem Panel werden dabei kontinuierlich die Ist-Positionen bzw. das Erreichen der Zielpositionen mitgeteilt, ggf. begleitet von Meldungen, die eine präventive Instandhaltung ermöglichen.

Direkter Austausch dezentraler CPS

Ein weiteres Beispiel für eine dezentrale Kommunikation von CPS untereinander ist die eigenständige Koordination zweier synchron laufender Positioniersysteme, die wechselseitig ihre aktuelle Position abstimmen, ohne dafür die Steuerung einbinden zu müssen. Durch einen solchen direkten Austausch dezentraler CPS wird die Adaptionsfähigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, und die zentrale Maschinensteuerung kann auf eigene CPS-Aufgaben fokussieren, auf die Integration der Maschine in den Gesamt-Fertigungsablauf. Und der zuständige Mensch kann sich auf die Optimierung des Produktionsprozesses konzentrieren, anstatt so einfache wie reguläre Abläufe wie die Umrüstung eines Formats auslösen zu müssen.

Die Fähigkeit, schnell umrüstende Maschinen zu schaffen, wird in den nächsten Jahren ein entscheidender Faktor sein, der über die Wettbewerbsfähigkeit des Maschinenbauers entscheidet. Was gestern meist nur die großen Konzerne der Branche bewegte, rückt heute mit Nachdruck in den Fokus auch des mittelständischen Maschinenbaus. So hat die Zukunft der CPS nicht nur maschinenseitig, sondern auch komponentenseitig längst begonnen, und es gilt hier für alle Beteiligten, Schritt zu halten. Frei nach Albert Einstein: „Das Leben ist wie Fahrradfahren. Wer stehen bleibt, fällt um.“ (jv)

* Dipl.-Wirtsch.-Ing. (TU) Jens Amberg, Geschäftsführer Halstrup-Walcher GmbH, Kirchzarten

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