Roboter steigern die Produktivität in der vernetzten Fabrik

Trend

Optimieren der Interoperabilität

Von selbstfahrenden Autos bis hin zu Fabrikrobotern – Ingenieure erfinden neue Möglichkeiten, unsere Welt durch Maschinen im Internet der Dinge zu vernetzen, die in Fertigungsprozesse integriert werden. Von: Mark Maas, Business Development Manager, Innovative Platforms

Jeden Tag ist in den Medien vom Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) zu lesen und zu hören. Häufig geht es dabei vor allem um die Vorteile und Risiken, wenn Maschinen autonom mit anderen Maschinen kommunizieren. Während viele dieser Geschichten sich mit selbsttätigen oder gehackten Maschinen befassen, die eine Gefahr für den Menschen darstellen, geht es in der IoT-Geschichte seltener darum, wie Maschinen - ausgestattet mit Sensoren, die von Menschen mit Regeln programmiert wurden - bestimmte Datensätze effektiv an andere Maschinen übermitteln können, die diese wiederum nutzen, um bestimmte wichtige Schritte effizient, präzise und sicher durchzuführen.

Es geht darum, die sogenannte Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) zu erweitern, indem ein Netzwerk von sich selbst überwachenden, adaptiv lernenden Maschinen aufgebaut wird. Diese Maschinen können Daten in Echtzeit generieren und senden, so dass eine unmittelbare komplexe Interoperabilität möglich gemacht wird, die bestimmten menschlichen Anforderungen gerecht wird.

Wenn Hersteller ihre Maschinen nicht für den Austausch von Daten fit machen, verpassen sie eine Gelegenheit zum Koordinieren der Produktionsaktivitäten.

Ein solches Maß an integrierter Leistung ist jedoch von den Beispielen, die heutzutage meist zu sehen sind, noch weit entfernt. Gegenwärtig konzentriert sich ein Großteil der Diskussionen über das Internet der Dinge auf die Erleichterungen im Verbraucherbereich, sprich, wie Geräte unsere täglichen Aufgaben vereinfachen können: Wenn wir den Fernseh- oder Radiosender umschalten oder die Beleuchtung oder Temperatur im Zimmer einstellen möchten, müssen wir z. B. auf einem Mobilgerät einfach auf eine Taste drücken. Dieses Maß an Konnektivität dreht sich eher um die Fernsteuerung von Funktionen als um M2M-Integration.

Die wesentlichen Möglichkeiten entstehen, wenn wir über das Internet der Dinge in Verbindung mit Maschinen nachdenken, die von unserem Verhalten und ihrer eigenen Umgebung lernen. Ein Beispiel dafür ist das NEST-Thermostat. Das NEST-Thermostat kann Dateninput über menschliche Präferenzen erkennen und verarbeiten und mit diesen Daten dann die Innentemperatur eines Gebäudes vorausberechnen. Aber das ist nur ein Bruchteil von dem, was machbar ist.  Um diese Verbindungen auf die nächste Ebene zu bringen, sollten Sie diese Möglichkeit in Betracht ziehen: Normalerweise kommen Sie unter der Woche gegen 18 Uhr von der Arbeit nach Hause. Ihr NEST-Thermostat weiß dies und heizt deshalb Ihr Zuhause schon so vor, dass die gewünschte Temperatur erreicht ist, wenn Sie Ihre Wohnung betreten. Dann passiert es aber, dass Sie auf dem Heimweg in einen Stau geraten, sodass Sie etwa 20 Minuten später als normal ankommen. Das Bordsystem Ihres Autos erkennt diese Verzögerung, berechnet die Auswirkung und sendet die neue Ankunftszeit an das Thermostat. Dieses programmiert sich daraufhin selbständig um und synchronisiert seinen Betrieb – Vorheizen/Vorkühlen auf die gewünschte Temperatur – mit der berechneten Ankunftszeit sowie mit den aktuellen und vorhergesagten Wetterbedingungen. Im Endeffekt senken Sie dadurch den Energieverbrauch und die Energiekosten für Ihr Zuhause. Bei diesem Szenario können wir, besonders im größeren Maßstab ganzer Gebäude und Städte, die deutlichen Vorteile der Einbettung intelligenter Verbindungstechnik in Maschinen erkennen. In diesem Moment wird das Internet der Dinge ein Teil einer allumfassenden langfristigen Strategie zur Verbesserung von Kostenverlauf, Ressourcenzuweisung und allgemeiner Lebensqualität.

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Gegenwärtig gibt es in Industrieumgebungen wenig M2M-Kommunikation. Meistens benötigen Maschinen heutzutage Menschen, um eine einzige repetitive Aufgabe auszuführen. Ein Fußballspiel ist eine gute Analogie: Wenn die Spieler auf dem Feld nicht miteinander kommunizieren, entscheidet jeder für sich. Dadurch werden sie ihr Ziel, das Spiel zu gewinnen, nicht erreichen. Übertragen Sie diese Analogie auf eine Fabrik. Dort findet man momentan noch Maschinen und Roboter, die nicht miteinander kommunizieren, und die von diesen Maschinen generierten Daten bleiben innerhalb der Maschine. Ein solches nicht integriertes System ist nicht flexibel genug, um anspruchsvolle Aufgaben wie gewünscht zu erledigen. Wenn Hersteller ihre Maschinen nicht für den Austausch von Daten fit machen, verpassen sie eine Gelegenheit zum Koordinieren der Produktionsaktivitäten. Diese Versäumnisse sind die Ursache für redundante Prozesse, häufige Ausfallzeiten für Umstellungen sowie Maschinen, die unnötig betrieben werden.

Damit dieser Punkt erfolgreich und kostengünstig erreicht werden kann, ist ein neuer Produktionsansatz erforderlich, bei dem IoT-fähige M2M-Kommunikation der entscheidende Faktor sein könnte.

In der intelligenten Fabrik sind die Maschinen und Roboter mit Technik – Hardware und Software – ausgestattet, die M2M-Kommunikation und Interoperabilität ermöglicht. Diese Technik erleichtert die Übermittlung der Daten von einer Maschine zu anderen Maschinen in derselben Fabrik – sowie zur Infrastruktur und zu Benutzern, die über das Internet verbunden sind. Dazu können alle Arten von Geräten wie Smartphones oder Wearables verwendet werden. Durch diese Übermittlung, diese intelligente Verbindung, können Maschinen Rohdaten generieren und diese an andere Maschinen (sowie Netzwerke und die Cloud) senden. Durch Verfahren wie Big Data-Analyse können diese Daten dann in Echtzeit zu Visualisierungen der Produktion verarbeitet werden. Anhand dieser Informationen können Maschinen autonom Entscheidungen zu möglichen Aktionen treffen – innerhalb der Parameter bestimmter Muster und Regeln (die Ingenieure in das Betriebssystem der Maschine programmieren) und darauf ausgerichtet, bestimmte Verbesserungen bei der betrieblichen Effizienz zu erzielen. Ein Beispiel für solch eine Entscheidung wäre das Umschalten in den Pausenmodus nach Beendigung einer Produktionsaufgabe, um den Energieverbrauch zu senken. Diese Regeln und Muster ermöglichen außerdem eine beispiellose Flexibilität bei der Produktion.

Im vernetzten Arbeitsbereich führen Roboter Aufgaben aus, die für Menschen oft zu gefährlich sind.
Im vernetzten Arbeitsbereich führen Roboter Aufgaben aus, die für Menschen oft zu gefährlich sind.
Dank Robotern, die mit Sensoren ausgestattet sind, können Maschinen kommunizieren und dadurch eine intelligente Umgebung schaffen.
Dank Robotern, die mit Sensoren ausgestattet sind, können Maschinen kommunizieren und dadurch eine intelligente Umgebung schaffen.

Als letztlich entscheidende Instanz in Bezug auf die in Fabriken hergestellten Produkte und Prozesse gilt der Verbraucher. Verbraucher erwarten, dass jede neue Version eines Produkts besser, schneller, billiger und effizienter ist – und sie wünschen sich mehr Anpassungsmöglichkeiten an ihre persönlichen Präferenzen und Anforderungen, da sie sich innerhalb dieser Welt der Massenproduktion individuell ausdrücken möchten. Der MINI-Pkw ist ein gutes Beispiel für solch einen Personalisierungswunsch. Kunden können aus einer Vielzahl von Optionen wählen, um ein für sie einzigartiges Fahrzeug zusammenzustellen – eines, das sie mitgestaltet haben und ihre Individualität widerspiegelt. Für ein solches Maß an Personalisierung in der Massenproduktion ist ein vollständig neuer Ansatz bei der Produktion notwendig. Dazu benötigen wir so etwas wie Losgröße 1. Sie ist das ultimative Bestreben, und nicht unmöglich für Produkte wie einzigartige Smartphones. Damit dieser Punkt erfolgreich und kostengünstig erreicht wird, ist ein neuer Produktionsansatz erforderlich, bei dem IoT-fähige M2M-Kommunikation der entscheidende Faktor sein kann. Ohne diesen Ansatz wären die Kosten für ein einzigartiges Smartphone sehr hoch, um mit den aktuellen Produktionsmethoden eine Personalisierung zu ermöglichen.

Den Wechsel ermöglichen

Für den Übergang von einer herkömmlichen Fabrik in eine intelligente Fabrik müssen vier wesentliche Voraussetzungen erfüllt sein.

Standardisierung

Standardisierung ist ein zweischneidiges Schwert. Auf der einen Seite muss es Standards geben, um den Ansatz zu professionalisieren und Interoperabilität zu garantieren. Es dauert aber, bis die Standards ermittelt und definiert sind. Durch die zeitliche Verzögerung kann sich die Übernahme verlangsamen. Ist ein Ansatz dann erst einmal als Standard etabliert, kann dies wiederum Menschen von Innovationen abhalten, da sie möglicherweise nicht vom Standard abweichen wollen – dies gilt besonders bei der Einbeziehung von Big Data. Die Herausforderung besteht darin, dass Technik sich sehr schnell weiterentwickelt und heranreift und dass Standards mit der Geschwindigkeit dieser Innovation oft nicht Schritt halten können. Dadurch kann es sein, dass die Standards den Wachstumschancen im Weg stehen. Um vorwärts zu kommen – und das Rad nicht immer wieder neu erfinden zu müssen –, sind jedoch ein paar Standards erforderlich. 

Intelligente Verbindungen

Intelligente Verbindungen, die auch Interoperabilität mit einbeziehen, ermöglichen Plug-and-Play-Lösungen für ein breites Spektrum an Geräten und Maschinen. Die Bausteine intelligenter Verbindungen sind Abtasten und Verbindungstechnik. Sensoren erschaffen ein digitales Nervensystem, und Verbindungstechnik ermöglicht vernetzte Dateninputs. Bei diesen vernetzten Dateninputs handelt es sich um digitalisierte Inputs (von Sensoren) in Netzwerke und/oder der Cloud, die mit Maschinen und Vorgängen integriert werden müssen, um Menschen, Prozesse und Systeme mit dem Ziel einer besseren Entscheidungsfindung zu unterstützen. In heutigen Industrieumgebungen sind viele Maschinen nicht vernetzt und können daher nicht kommunizieren. Wenn eine Vernetzung dieser Maschinen in Betracht gezogen wird, muss die von diesen Maschinen generierte Datenmenge berücksichtigt werden. In den meisten Fällen sind diese Daten heute noch begrenzt. Um vom Internet der Dinge in der Produktion vollständig zu profitieren, benötigen Hersteller mehr Sensoren in ihren Maschinen. Außerdem müssen alle Daten ausgetauscht werden können, damit sie in vernetzten Dateninputs zu besseren Entscheidungen beitragen.

Durch die Einsetzung kleiner Programme, die die erforderliche Qualität und die maßgebliche Rentabilität generieren, können Ingenieure Verbesserungen durch das Internet der Dinge erzielen.

Sicherheit

Wenn es um Big Data, die Clouds und das Internet der Dinge geht, gibt es viele Bedenken bezüglich der Sicherheit und des Schutzes von Maschinen und Daten. Es gibt Berichte von Hackern, die selbstfahrende Autos übernehmen und diese ferngesteuert abbremsen oder beschleunigen. Solche Fälle sind erschreckend. Diesem Bereich muss mehr Beachtung geschenkt werden. Und mit dem Schutz kommt das Bedürfnis, über die Daten nachzudenken. Eine Gesetzgebung zum Datenschutz ist notwendig, besonders in Bezug darauf, wem die Daten gehören und wie sie übertragen und verwaltet werden.

Kurzfristige Rentabilität

Ein deutlicher Ertrag aus einer kleinen Investition spricht dafür, eine längerfristige Unterstützung zu planen und in umfangreichere M2M-Verbesserungen zu investieren. In Industrieumgebungen wird allgemein eine hohe Rentabilität vorausgesetzt. Die ist aber nur schwer vorauszusagen oder der Unternehmensführung auf sinnvolle und konkrete Art zu vermitteln. Deshalb ist es wichtig, im Kleinen zu beginnen und das Geschäftsszenario schnell unter Beweis zu stellen. Die Kosten für die Umwandlung einer herkömmlichen Fabrik in eine intelligente Fabrik – durch neue Infrastruktur, Verbindungen, die Cloud und Analysetools – sind sehr hoch. Dadurch – und aufgrund fehlender klarer Erwartungen in Bezug auf die Rentabilität – ist es oft sehr schwierig, die Verantwortlichen zu einem Einstieg zu überreden. Durch die Ausführung kleiner Programme, die die erforderliche Qualität, die zu erwartenden Ergebnisse und die maßgebliche Rentabilität generieren, können Ingenieure klare Wege für Verbesserungen durch das Internet der Dinge aufzeigen.

Trotz vieler Diskussionen über das Internet der Dinge steigt die Erkenntnis hinsichtlich der potenziellen maßgeblichen Rentabilität, die Hersteller aus intelligenten Verbindungen erzielen. Dies ist der Schlüssel, um Hersteller dabei zu unterstützen, eine herkömmliche Fabrik in eine intelligente – oder vernetzte – Fabrik umzuwandeln. Dafür benötigen Führungskräfte realistische Momentaufnahmen des Erfolgs und ein Verständnis dafür, wie das Internet der Dinge direkt zu einer Steigerung der Produktivität und zur Reduzierung von Abfallprodukten beitragen kann. Um diesen Informationsbedarf zu erfüllen, müssen Ingenieure zuerst eine wichtige Frage beantworten, wenn sie für Investitionen in das Internet der Dinge plädieren: Ist die zu erwartende Leistungsoptimierung eine direkte Folge des Internets der Dinge – oder macht das Internet der Dinge nur Verbesserungen einfacher? Um dies zu beantworten, erläutern Sie die drei Vorteile von Investitionen in das Internet der Dinge.

Kosteneinsparungen

Die primären Einsparungen entstehen durch die Steigerung der betrieblichen Effizienz. Da die Einführung im großen Maßstab erfolgt, können die Kosten für den Wechsel – die Einführung und Implementierung – ebenfalls gesenkt werden. 

Transparenz

Dank eines größeren Einblicks in Vorgänge können Hersteller ermitteln, wo Verbesserungen möglich sind. Durch Nachverfolgung des gesamten Produktionslebenszyklus eines Produkts können Sie beispielsweise die tatsächlichen Produktionskosten für jede einzelne Einheit ermitteln, sodass Sie genauere Preise festlegen könnten. Außerdem können Sie Daten dazu erfassen, welche Änderungen sich auf die Lebensdauer oder die Leistung des Produkts auswirken. Sie können auch ermitteln, ob das Produkt die Spezifikation hinsichtlich seiner Verwendung erfüllt, unterschreitet oder überschreitet. Darüber hinaus könnten Sie ein Produkt im Verlauf seiner Lebensdauer überwachen und ermitteln, wie es sich unter wechselnden Bedingungen verhält. Dank dieser Transparenz könnten Sie dem Benutzer Informationen zur Leistung des Produkts bereitstellen, z. B. wann es mit größerer Wahrscheinlichkeit versagt, sodass er das Produkt rechtzeitig bestellen und ersetzen kann, bevor der Fehler auftritt. Dadurch kann er ungeplante Ausfallzeiten vermeiden. 

Energieeffizienz

Der Einsatz von Maschinen, die im Internet der Dinge vernetzt sind, führt zu einem verantwortungsvolleren Energieverbrauch. Durch die Vernetzung aller Maschinen können Sie die Betriebsdauer bestimmter Maschinen messen: Somit werden Maschinen nur bei Bedarf betrieben, basierend auf den Daten des Maschinennetzwerks in der vernetzten Fabrik. Wenn eine Maschine aufgrund eines Fehlers ausfällt, können die anderen Maschinen sofort reagieren und die Produktion entweder verlangsamen oder die Produktionsprozesse je nach Bedarf anpassen – und je nachdem, wie die Maschinen programmiert wurden. 

In der vernetzten Fabrik messen und kommunizieren Maschinen wichtige Informationen, die die Reaktionszeit verkürzen.

In der vernetzten Fabrik messen und kommunizieren Maschinen wichtige Informationen, die die Reaktionszeit verkürzen.

Innerhalb der nächsten Jahre kommt der Punkt, an dem Hersteller in das Internet der Dinge investieren müssen. Um dorthin zu gelangen, müssen Ingenieure sich über individuelle Erfolge untereinander, mit Organisationen und mit größeren Unternehmen austauschen. Gegenwärtig wird in Deutschland die Industrie 4.0 – das industrielle Internet der Dinge – als vierte industrielle Revolution wahrgenommen. Dies ruft die Geschichte von Henry Ford in Erinnerung. Als Henry Ford begann, konkurrierte er mit der Pferdekutsche. Es gab viele Menschen, die der Meinung waren, dass das Automobil niemals das Pferd ersetzen würde – das damalige Standardfortbewegungsmittel. Aber wie wir alle wissen, wurde dieses Standardfortbewegungsmittel durch eine neuere und bessere Fortbewegungsmethode ersetzt. 

Bauen Sie an Ihrer Erfolgsgeschichte

Um die potenziellen Vorteile des Internets der Dinge zu demonstrieren, müssen Ingenieure deutlich machen, was die Revolution des Internets der Dinge für die Geschäftsentwicklung bedeutet. Beginnen Sie mit Ihrer Erfolgsgeschichte im Kleinen, sammeln Sie solide Beweispunkte gestützt auf belegbaren Daten, beginnen Sie mit einer einzelnen Maschine, dokumentieren Sie die erzielten Einsparungen, und entwickeln Sie die Erfolgsgeschichte dann weiter, indem Sie die potenziellen Gewinne auf die gesamte Organisation ausweiten. Solche Geschichten können den allgemeinen Vorurteilen und Ängsten gegenüber dem Internet der Dinge entgegenwirken – und das Vertrauen in das Internet der Dinge, intelligente Verbindungen und vernetzte Fabriken fördern. Indem wir die Vorteile vernetzter Maschinen demonstrieren, können wir Unternehmensführern zeigen, dass sie in ihrer Organisation bessere Ergebnisse erzielen, ungeplante Ausfallzeiten verringern, die betriebliche Flexibilität erhöhen und die Gewinne steigern können – und das alles, indem die Berührungspunkte entlang der Fertigungsstraße einfach besser miteinander vernetzt und integriert werden.