Vernetzung im Bestand – geht

Future/Industrie 4.0

Industrie 4.0 ist nur ein Thema für börsennotierte Konzerne und Hochschulinstitute? Auf einer VDI-Tagung widerlegten ein schwäbischer Maschinenbauer und ein ostwestfälischer Küchenhersteller dieses Gerücht.

18. August 2014

Plus minus: Diese beiden Worte beschreiben das Dilemma, in dem Deutschland steckt. Wir haben zwar in Sachen Automatisierung die Nase weltweit vorn, doch verwirklichen müssen die hiesigen Unternehmen Industrie 4.0 vor allem in bereits bestehenden Fabriken. »Neuanlagen auf der grünen Wiese gibt es bei uns im Unterschied zu Asien selten«, meint beispielsweise VDI-Direktor Ralph Appel.

»Wichtig ist daher, dass wir die mit Industrie 4.0 verbundenen neuen Technologien auch in Bestandsanlagen, den sogenannten Brownfield-Anlagen, erproben und einsetzen. Wir müssen aufpassen, dass uns nicht vollkommen neue Industriestandorte auf der grünen Wiese abhängen.«

Linse justiert sich von alleine

Wie es geht, bewiesen im Februar 2014 in Düsseldorf auf der Tagung Industrie 4.0 des VDI Wissensforums zwei grundsolide Familienunternehmen, die in ihren Branchen zu den global aktiven Marktführern zählen.

Zu den für bbr-Leser bekannten Größen zählt zweifellos die Trumpf Werkzeugmaschinen aus Ditzingen. Den Sinn und Zweck von Industrie 4.0 erläuterte Klaus Bauer, Leiter Systementwicklung Basistechnologien, an einem simplen Beispiel.

Eine wichtige Rolle spielt bei Laseranlagen die Linse. Bei jedem Wechsel muss der Bediener die Kennwerte der jeweiligen Linse neu einstellen. »Das ist im Prinzip Verschwendung von Zeit, denn bei Industrie 4.0 bringt ja jedes eingesetzte Bauteil alle Informationen mit«, sagte Bauer. »Aber das kann die Linse doch auch.« Trumpf hat daher eine intelligente Fokussierlinse entwickelt, die auf dem Funketikett (RFID) alle Informationen (Brennweite und korrekte Einbaulage) mitbringt. Der Bediener muss die Lensline RFID nur noch in die Laseranlage einstecken, die sich dann selbst justiert.

»Wir wollen aber noch mehr mit der Linse anstellen«, blickt der leitende Systementwickler in die Zukunft. So verschmutzt eine Linse im Lauf der Betriebszeit. Die Anwender reinigen sie daher im Rahmen der vorbeugenden Wartung sicherheitshalber in bestimmten Abständen.

Trumpf setzt dagegen auf eine am tatsächlichen Zustand orientierte Reinigung und spendierte Lensline RFID einen kleinen Speicher, der die Linsenhistorie mit allen wichtigen Sensordaten erfasst. Dank der Speicherung der Lebensgeschichte kann der Anwender die Daten auswerten und das Reinigen und Auswechseln der Linsen exakter planen.

Jede Bearbeitungsstation erhält direkte Verbindung zum Laser

Noch einen Schritt weiter gehen die Ditzinger bei ihren Maschinen, die im Parallelschwung lasern und stanzen. Es besteht jedoch die Gefahr, dass einzelne Funktionen nicht optimal genutzt werden. Bauer: »Die Idee lautet Licht als Service.« Es entstand das Trumpf-Laser-Netzwerk, das jede Bearbeitungsstation einer derartigen Produktionsinsel mit Laserlichtkabel und Steuerkabel (Feldbussystem) direkt mit dem Laser verbindet. Das aber ist – ganz im Sinne der Erfinder dieses Begriffes – ein kleines Netzwerk an cyber-physischen Systemen (CPS), der entscheidenden Grundlage für den Aufbau von Industrie 4.0.?

Die vierte industrielle Revolution erfordert eine weitergehende Vernetzung über Insel- und Unternehmensgrenzen hinaus: Dazu bedarf es beispielsweise – etwa bei einem Automobilzulieferer – einer datentechnischen Anbindung an das Kundennetzwerk, damit der Stammkunde über gängige EDV-Systeme wie zum Beispiel ERP und PPS Produkte und Bauteile bestellen kann.

Doch plötzlich tauchen hier interessante Fragestellungen aus unterschiedlichsten Blickwinkeln auf. »Aus der Sicht der Maschine stellt dieses unbekannte Netzwerk eine Bedrohung dar«, sagte Bauer. »Das ist eine unbekannte Situation, auf die ich mich einstellen muss. Wie schütze ich mich vor dem System, vor dem ich Angst habe?« Diese Probleme ließen sich aber mit cleveren, individuellen Lösungen der IT-Branche lösen, die über die Leistungsfähigkeit von Firewalls weit hinausgehen (siehe auch Kasten ›Trusted Core Network als Alternative‹).

Neue Sicherheitskonzepte als Basis für smarte Daten

Wenn das Netzwerk sicher ist, lässt es sich weiter vernetzen, mit mobilen Geräten wie Smartphones, mit denen die Mitarbeiter die Produktion leichter regeln können. Damit lässt sich auch leichter ein Remote-Service verwirklichen.

Trumpf hat für die mobile Produktionsplanung eine App entwickelt, die den mobilen Zugang zur Software TruTops Fab (Prozessregelung) ermöglicht. Der Anwender erhält einen Einblick in den Status von Produktionsaufträgen sowie aktuellen Maschinenzuständen und er kann mit diesen Informationen Auftragsreihenfolge oder Stückzahlen ändern. Mit dieser weitergehenden Vernetzung stehe ein Unternehmen aber plötzlich vor einem Dilemma: Wie lassen sich Datensicherheit und Remote-Service unter einen Hut bringen?

Bauer: »Ich brauche also eine vertrauenswürdige Station, mit der ich die Maschine verbinden kann.« Außerdem müsse der Anwender auch noch rechtliche Fragen klären: Wie sieht es etwa mit der rechtliche Lage aus, wenn jemand von Deutschland aus mit einer Maschine in den USA kommuniziert?

Doch wenn diese technischen und rechtlichen Fragen geklärt sind, lässt sich eine Vermittlungsstelle in einem übergreifenden Netzwerk schaffen, die interessante Möglichkeiten bietet. »Weil jetzt Maschinendaten zentral vorliegen, lässt sich das Thema Smart Data angehen«, blickte der Systementwickler in die Zukunft. »Ich kann nun die Bedienung der Maschine beispielsweise mit dem Tablet realisieren.«

Zuvor gelte es neue Sicherheitskonzepte zu finden: Ansprechpartner seien nun plötzlich nicht mehr nur die IT-Sicherheitsdienstleister, sondern der TÜV. Dann aber ließe sich Industrie 4.0 noch weiter denken, etwa in Richtung Smart Grid, also der Vernetzung mit der Energieversorgung. Bauer: »Warum sollte ich in meiner Maschine entstehende Energie nicht speichern und ins Netz einspeisen, um dafür Geld zu bekommen?«

Minutiös geplante Produktion für hohe Liefertreue

»Woher weiß die Schublade, wo sie hin muss?« Das ist eine der Fragen, wegen denen sich die Nobilia-Werke J. Stickling aus Verl mit Industrie 4.0 beschäftigen. Das Familienunternehmen, nach eigenen Angaben Europas größter Küchenhersteller, fertigt mit rund 2550 Mitarbeitern pro Jahr 580000 Küchen, die in den Werken komplett mit allen Elektrogeräten bestückt werden. »Wir unterwerfen uns komplett dem Endkunden«, sagte Martin Henkenjohann, Betriebsleiter der Nobilia-Werke. »Wir liefern die Küchen mit einer Liefertreue von 99,8 Prozent aktuell weltweit zum gewünschten Termin aus.«

Wie das klappt? Anhand der Aufträge vom Händlernetzwerk plant der Versand die Ausliefertouren. Der jeweilige Fertigungsbereich erhält vier Tage vor Auslieferung die Produktionsaufträge. »Pro Woche werden 26000 Schränke über unser Planungssystem in die Produktion eingelastet«, erklärte der Betriebsleiter. Mitarbeiter überwachen diese minutiös geplante Produktion über Fertigungsmonitore und spüren Schwachstellen sowie fehlende Teile auf. Fehlende Teil werden nachts in den bereits am jeweiligen Tor bereitstehenden Lkw nachgeladen. Henkenjohann zur eisernen Regel: »Grundsätzlich verlässt jede Tour, jeder Lkw komplett und vollständig das Gelände. Es fehlt nie ein Teil.«

Erschwerend kommt hinzu: Viele Küchenelemente entstehen in Losgröße eins. Dazu zählt beispielsweise die Schublade. Damit sie »weiß«, zu welchem Auftrag sie gehört, erhält sie einen Barcode. Die Produktionsanlage vernetzt sich mit dem CAD-System und holt sich alle Daten und ordert dann die Herstellung der Schubladen-Teile.

Produktion steht und fällt mit transparenter Fabrik

»Es sind vorauseilende Informationen, damit die richtigen Teile zur richtigen Zeit an die Montagestationen kommen«, beschrieb der Betriebsleiter das Konzept. Die Bauteile wandern just in sequence in den Transportwagen, aus dem sich der Mitarbeiter just in time das jeweilige Element zum Einbau in den jeweiligen Schrank herausnimmt. Um etwaige Störungen auszugleichen, hat Nobilia pro Fertigungstag einen Zeitpuffer von sechs bis acht Stunden eingeplant. Henkenjohann: »Wenn beispielsweise ein Schrank während der Produktion beschädigt wird, haben wir maximal acht Stunden Zeit, um einen sogenannten Nachholer zu generieren.«

Die Produktion steht und fällt mit der transparenten Fabrik, in der die Leitstelle den Status jedes einzelnen Auftrags aktuell und detailliert kennt. Es ist aber nicht möglich, überall Mitarbeiter zur manuellen Barcode-Kontrolle zu platzieren.

Daher bestückt Nobilia neuerdings Bauteile mit Funketiketten (RFID-Tag), dank denen das Planungssystem auch sofort erkennt, wenn das Schrankteil Nummer 17 für die Küche von Anton Meier aus Lüdenscheid aus Versehen am falschen Tor steht. Dank der RFID-Tags erhält das Planungssystem alle 30 Sekunden von allen Stationen Meldungen über den Produktionsfortschritt: Die Betriebsleitung kennt stets aktuell den Stand der Dinge und kann schnell gegensteuern.

Logistiksystem verarbeitet täglich 20 Millionen Daten

Um über 1200 Antennen im Pilotwerk die Standorte aller Bauteile mit hoher Rate aktuell 99,4 Prozent zu ermitteln, kommen sehr ausgefuchste Rechenprogramme (Algorithmen) zum Einsatz, die Störungen etwa durch abschirmende Flüssigkeiten und Metallelemente ausgleichen. Dazu verarbeitet das Logistiksystem jeden Tag 20 Millionen Daten. Ein Paradebeispiel dafür, dass sich die mit Industrie 4.0 verbundenen neuen Technologien auch in einem älteren Werk eines ostwestfälischen Familienunternehmens bewähren.

Nikolaus Fecht

Fachjournalist aus Gelsenkirchen

Trusted Core Network als Alternative

Die Sicherheit von Netzwerken ist eine Spezialität des Fraunhofer-Instituts für Sichere Informationstechnologie (SIT) aus Darmstadt. Für Institutsleiter Prof. Dr. Michael Waidner besteht das Problem vor allem darin, dass industrielle Umgebungen bisher von der Büro-Informationstechnologie (IT) und dem Internet getrennt waren. Wegen des Zusammenwachsens dieser Welten eignen sich bisherige Software-Methoden wie Firewalls nicht, um das Netz abzusichern. Als Gegenmaßnahme haben die Darmstädter das Trusted Core Network (TCN) entwickelt, das die Identität von Netzknoten prüft und so für ihren sicheren Zustand sorgt. Es erkennt laut Waidner Änderungen und Manipulationen sehr schnell. Bei Abweichung von gespeicherten Sollwerten alarmiert das intelligente Netz das zentrale Monitoring und stoppt so die Ausbreitung von Cyber-Angriffen – etwa von Schadprogrammen (Malware).

Erschienen in Ausgabe: 05/2014