Intelligente Vernetzung in der Produktion - Ein Beitrag zum Zukunftsprojekt „Industrie 4.0“

Bekanntmachung vom 19.12.2011

Intelligente Vernetzung in der Produktion – Ein Beitrag zum Zukunftsprojekt Industrie‚ 4.0'

Die produzierenden Unternehmen unseres Landes überzeugen weltweit seit jeher mit hoher Qualität und innovativen Produkten. Doch im globalen Wettbewerb holen andere Anbieter auf dem Markt auf und bieten Vergleichbares an. Sowohl Konsumprodukte als auch Investitionsgüter werden deshalb immer stärker nach Kundenwünschen differenziert und unterliegen daher unvorhersehbaren Bedarfsschwankungen. Mittlerweile müssen auch Produktions- und Logistikprozesse umfassend dynamisch reagieren.

Mit dem heutigen Status quo – zentral gesteuerten Prozessen – ist dies kaum möglich. Umsetzbar werden die kommenden Anforderungen nur mit Produktionssystemen, die mittels Cyber-Physischer Systeme (CPS) gesteuert werden, die über intelligente Sensoren zur Wahrnehmung ihrer Umwelt und über Aktoren, mit denen sie diese beeinflussen können, verfügen. CPS können in Produkte, Maschinen und Anlagen integriert werden, die sich durch Selbstoptimierung und Rekonfiguration an sich ändernde Aufträge und Betriebsbedingungen anpassen können.

Der Einsatz von CPS stellt ein Umdenken in der Produktion dar, der durch die Bekanntmachung „Intelligente Vernetzung in der Produktion – Ein Beitrag zum Zukunftsprojekt Industrie ‚4.0‘“ [Pdf, 186kB] forschungsseitig unterstützt wird. Dieses ressort- und ministeriumsübergreifende Zukunftsprojekt der Bundesregierung wird unter anderem gefördert durch Maßnahmen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Ziel ist, Deutschland zum Leitanbieter für Cyber-Physische Systeme zu entwickeln und den Leitmarkt für deren Einsatz zu schaffen.

Bereits im Herbst 2012 wurden die ersten drei Verbundprojekte gestartet. Im Projekt CyPros wird eine Referenzarchitektur als wiederverwendbare und übertragbare Implementierungsvorlage für Cyber-Physischen Produktionssystemen (CPPS) entwickelt. Dazu werden Planungs- und Steuerungsmethoden für die veränderten Abläufe in Produktion und Logistik angepasst. Das dann entstehende CPPS wird in einer „Schaufensterfabrik“ bei dem Projektpartner Wittenstein AG in realer Anwendung präsentiert.
Das Projekt KapaflexCy steht für eine selbstorganisierte Kapazitätssteuerung, die es Unternehmen erlaubt, ihre Produktionskapazitäten unter direkter Beteiligung der ausführenden Mitarbeiter zu steuern. Dabei stimmen die Mitarbeiter von Arbeitsgruppen eigenverantwortlich ihre Einsatzzeiten via Smartphone ab. Die Ergebnisse werden zeitnah bei drei Projektpartnern umgesetzt – in der Großserie, in variantenreichen Serien sowie in Kleinserien. KapaflexCy präsentiert die Ergebnisse regelmäßig in einem Industriearbeitskreis.
Schwankende Nachfrage und stark individualisierbare Produkte führen zu immer komplexeren Prozessen in der Produktion. Herkömmliche Feinplanungssysteme haben eine zu hohe Reaktionszeit auf sich ändernde Rahmenbedingungen und sind den dynamischen Anforderungen nicht gewachsen. Das Projekt ProSense soll Produktionssteuerungen um selbstoptimierende Unterstützungssysteme und intelligente Sensorik ergänzen. Damit und durch eine auch ergonomisch verbesserte Mensch-Maschine-Interaktion sollen Mitarbeiter von Routineaufgaben entlastet werden. Die Ergebnisse werden bei einem Maschinenbauer und bei einem Automobilzulieferer validiert.

Von Oktober 2013 bis Januar 2014 starteten weitere Verbundprojekte.

Gleich mehrere Projekte befassen sich mit der Verwaltung und dem Einsatz von Maschinenwerkzeugen. ToolCloud wird eine neuartige digitale Werkzeugbegleitkarte entwickeln, die die relevanten Maschinen- und Werkzeug-Parameter jederzeit verfügbar in der Cloud vorhält. SmartTool baut ein CPS auf, das im Kern aus einem intelligenten Werkzeugsystem besteht und die zugehörige Bearbeitungsmaschine und das Werkzeugmessgerät mit einbezieht.
BaZMod entwickelt, ausgehend von einer Werkzeugmaschinenspindel mit standardisierten physischen Schnittstellen, Cyber-Physische Systeme in Form von Messmitteln und Werkzeugen, sowie Softwaremodule zum Betrieb mit der Maschinensteuerung. Die Energie- und Datenübertragung von der rotierenden Spindel auf die feststehende Maschine soll berührungslos erfolgen.
BaZMod, ToolCloud und SmartTool wollen gemeinsam Standardisierungslösungen bei Maschinenwerkzeugen, Maschinen und den erforderlichen Softwaremodulen vorantreiben.

Im Projekt SecurePLUGandWORK werden durchgängige und sichere 'plug-and-work'-Lösungen für die Produktion, übergreifend über die Ebenen der klassischen Automatisierungstechnik, entwickelt. Dieses Projekt wird bei Standardisierungsaspekten mit dem Verbundprojekt BaZMod zusammenarbeiten.

Soll der Einsatz von CPS tatsächlich zu einem Paradigmenwechsel in der Produktion führen, dann ist es unumgänglich, bereits die Prozesse bei der Entwicklung von Produkten umzugestalten. mecPro2 wird ein Entwicklungsprozess für hochkomplexe Cyber-Physische Systeme und die damit verbundenen Softwarewerkzeuge erarbeiten. eApps4Production soll Informationen und Wissen aus realen Zustands- und Prozessdaten der CPS in der Produktion über anwendungsspezifische Engineering Apps (eApps), beispielsweise zum Anzeigen eines Maschinenstatus auf einer Plattform, nutzbar machen. Das Projekt CSC wird eine aktuelle technische Dokumentation durch ein virtuelles Abbild der Anlagen über den gesamten Produktentstehungsprozess gewährleisten. Jede Änderung der Anlage und damit der technischen Dokumentation wird in ein virtuelles Abbild der Anlage zurückgespielt. Das Projekt SCPS entwickelt ein sogenanntes Ressourcen-Cockpit, das für die Instandhaltung und Fernwartung relevante Datenströme der Produkte und Produktionsressourcen zusammenführt und dem mobilen Mitarbeiter – zum Beispiel auf einem Tablet – zur Verfügung stellt. Das Ressourcen-Cockpit erstellt automatisiert und dynamisch eine Übersicht der anstehenden Aufgaben, notwendigen und freien Ressourcen, Maschinenzustände und Termine und ist an verschiedene Nutzerrollen anpassbar (z. B. Instandhalter, Disponent, Entscheider).

Industrie 4.0 als Thema für die umfassende Vernetzung von Produktionseinrichtungen legt die Nutzung von cloudbasierten Systemen nahe. Dies greifen die bereits erwähnten Projekte ToolCloud, eApps4Production und mecPro2 auf, aber ebenso auch das Projekt pICASSO. Mit pICASSO wird per skalierbarer Steuerungsplattform für CPS die monolithische Steuerungstechnik aufgebrochen und rechenintensive Teile davon in die Cloud verlagert, damit vor Ort nur so viel Steuerungstechnik vorgehalten werden muss, wie für Echtzeitfähigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit erforderlich ist.

CPS werden in Zukunft auch die Selbststeuerung von technischen Systemen ermöglichen. In dem Verbundprojekt Internet der Dinge wurden erste Möglichkeiten der Selbststeuerung von Materialflusssystemen demonstriert. Mit neuen Entwicklungen aus dem Projekt KARISPRO wird die Wandlungsfähigkeit von Materialflusssystemen bei gleichzeitiger Kosteneffizienz vorangetrieben. Selbstständig navigierende Einzelelemente sollen Ladungsträger transportieren oder sich bei Bedarf zu komplexeren Materialflussanlagen zusammenfinden. Im Forschungsprojekt netkoPs wird ein neuartiges, dezentral gesteuertes Vernetzungsmodul für Materialflusssysteme in der Produktion entwickelt. Dieses ermöglicht neben dem Verteilen von Produkten an unterschiedliche Maschinen zudem das Vereinzeln, Puffern und Orientieren von Produkten.
Das Ziel des Projekts RobIN 4.0 ist es, Informationsflüsse parallel zu den produktiven Materialflüssen in der Umformtechnik zu ermöglichen. Dadurch kann eine bessere Prozessrobustheit bzw. Produktionssicherheit erreicht und die Produktivität prozessübergreifend gesteigert werden.

Das Projekt IWEPRO soll eine „smarte“ Werkstattfertigung aus dezentralen Strukturen mit kleinen Regelkreisen entwickeln. Mit ihr sollen die Werker zukünftig auf Basis intelligent vernetzter Produkte, Produktionsmaschinen, Fertigungsressourcen etc., die Auftrags- und Fertigungsinformationen untereinander austauschen und situationsorientierter Entscheidungen treffen können.
Das Projekt MetamoFAB soll in bestehenden Betrieben die Metamorphose zu intelligenten und vernetzten Fabriken ohne empfindliche Störung des operativen, wirtschaftlichen Betriebs ermöglichen.

Das Vorhaben INBENZHAP wird Deutschlands Position im Hinblick auf Industrie 4.0 im internationalen Wettbewerb mit Ländern wie USA oder China genauer beleuchten, um Zukunftsoptionen darzulegen. Dazu sollen Chancen und Risiken für den Produktionsstandort Deutschland identifiziert sowie Hebel zur Erschließung der erkannten Erfolgspotenziale ermittelt werden.


Seit Januar 2014 sind alle Verbundprojekte aus der zweiten Auswahlrunde gestartet. Damit werden in insgesamt 17 Verbundprojekten mit 165 Partnern aus Industrie und Wissenschaft innovative Lösungen zur Einführung von Cyber-Physischen Systemen (CPS) in der Produktion erarbeitet und erforscht.

Stand: März 2014

Projektträger

Projektträger Karlsruhe (PTKA)
Produktion, Dienstleistung und Arbeit
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Ansprechpartner

Sekretariat Karlsruhe

Sekretariat Außenstelle Dresden