Industrie 4.0 Die Ära der Anwendung beginnt

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Am 31. Mai 2024 endete die Förderung von smartMA-X. Das Projekt des BMWK legte den Grundstein für den Aufbau der Shared Production Kaiserslautern. Darin wurden Schlüsseltechnologien für die Produktion der Zukunft entwickelt.

„Mit unserer verteilten Produktion, welche die Industrie 4.0 Schlüsseltechnologien Gaia-X, Verwaltungsschale und Skill-basierte Produktion kombiniert, zeigen wir, wie Produktionsressourcen in Zukunft autonom geteilt werden können“ erklärt Projektleiter Simon Jungbluth. „Mit den Ergebnissen werden wir natürlich weiterarbeiten und den Weg konsequent weitergehen. Das war erst der Anfang.“ Industrie 4.0 (I40) hat 2011 offiziell die 4. Industrielle Revolution eingeläutet. „Doch die Zeit der Präsentationsfolien ist vorbei, wir betreten die Ära der Anwendung“, sagt Dr. Ingo Herbst, Leiter Kommunikation bei der SmartFactory-KL (SFKL). „Mit unseren Partnern zeigen wir, dass und wie Industrie 4.0 funktionieren kann.“

Seit 2021 läuft das Projekt smartMA-X. Die Kernziele waren Resilienz, Nachhaltigkeit und Optimierung der Wertschöpfung. Dazu wurde eine verteilte Produktion mit mehreren Produktionsinseln in Kaiserslautern aufgebaut, die mit neuen Technologien ausprobiert, wie eine datenraumorganisierte Produktion auf Basis von Gaia-X funktionieren kann.

SmartFactory-KL-Datenraum

Die SFKL hat ein Kommunikationsmodell zur horizontalen Vernetzung von Unternehmen auf Basis des Eclipse Dataspace Connectors erarbeitet. In der Shared Production Kaiserslautern übernehmen Produktionsinseln die Rollen von Firmen, zum Beispiel Zulieferer oder Auftragshersteller. Die automatisierte Integration von Produktionseinheiten im Datenraum basiert auf dem Capability-Skill-Service-Informationsmodell (CSS) der Plattform Industrie 4.0. Fertigungsfunktionen können im Datenraum als Production-as-a-Service abgerufen werden. Die Auftragsabwicklung beginnt bei der Feature Extraktion aus Siemens NX. Über das Matching der Capabilities können potentielle Partner erreicht werden, welche dann Angebote zu den Ausschreibungen abgeben können.

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Künstliche Intelligenz

Die optimale Auswahl der gefundenen Services sowie die Zuweisung der Aufträge zu entsprechenden Problemen dynamisch zur Laufzeit ist ein mathematisch komplexes Problem. „Daher verwenden wir bei der Produktionsplanung Verfahren der Künstlichen Intelligenz in Form von Deep Reinforcement Learning“, erklärt Jungbluth. „Konkret erhoffen wir uns dadurch, flexibler und dynamischer und an das Produktionsumfeld angepasst reagieren zu können. Vor allem auch, dass in Fehlerfällen weiterproduziert werden kann, ohne die KPI zu gefährden.“

Digitaler Zwilling

Für die vertikale Vernetzung innerhalb eines Unternehmens zur adaptiven Produktion massenanpassbarer Produkte wurde ebenfalls das CSS-Modell verwendet, um eine Referenzarchitektur zu erarbeiten und zu implementieren. Für die semantischen Beschreibung griffen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf das OPC-UA-Informationsmodell für Produktionsressourcen und Energieknoten zurück, sowie auf VWS-Teilmodelle, unter anderem für Services und Capabilities. Zudem wurde ein holonisches Multiagentensystem als aktive Komponente der VWS implementiert. „Gerade das hat den Vorteil“, sagt Jungbluth, „dass wir die fraktale Struktur unserer Fabrik abbilden können. Abhängig von den Granularitätsstufen können wir unsere intelligenten Einheiten bis tief auf die Feldebene bringen.“ Die Komplexität wird dadurch reduziert, dass gesamte Fabriken wiederum als ein Holon dargestellt werden und sämtliche Interaktionen zwischen den Produktionseinheiten für den Nutzer abstrahiert werden.

Ergebnisse von smartMA-X werden weiterentwickelt

„Das Besondere an smartMA-X ist“, erklärt Herbst, „dass die Ergebnisse bereits von anderen Projekten aufgegriffen werden.“ So etwa Twin4Trucks: „Dabei arbeiten wir unter anderem an der technischen Umsetzung von Konnektoren und Adaptoren für den unternehmensübergreifenden Datenaustausch, die auf den Konzepten von Gaia-X basieren“, erklärt Projektleiter Dr. Ekkehard Brümmer von Daimler Truck. Auch die Initiative Manufacturing-X greift Ideen des Projekts auf, und in Factory-X arbeitet die SFKL aktiv an der Umsetzung der Produktion der Zukunft mit 47 Projektpartnern mit.

Meilensteine smartMA-X

2021: Vorstellung der Vision smartMA-X: smartMA-X kann wegen Corona-Restriktionen auf der Hannover Messe nur digital präsentiert werden.

2022: Erste Projekterfolge: im April ist smartMA-X auf der Hannover Messe live zu erleben. Präsentation auf der Industrie 4.0-Conference Stage. Im Mai gibt es einen ersten erfolgreichen Use-Case eines unternehmensübergreifenden Datenaustauschs zur Qualitätskontrolle auf Basis des International Dataspace Connectors. Im September wird das Projekt auf dem Pitchday Datenraum Industrie 4.0 präsentiert. Dabei wurde smartMA-X unter die drei vielversprechendsten Vorhaben im Gaia-X Datenraum Industrie4.0 gewählt. Im Dezember wurde das Whitepaper „Information Model for Capabilities, Skills & Services“ innerhalb der Plattform I4.0 veröffentlicht, ebenso wie das Whitepaper „Fähigkeiten in der Produktionsautomatisierung – Konsolidierung des Konzepts aus Sicht des Maschinen- und Anlagenbaus mit dem Schwerpunkt OPC UA“ mit dem VDMA.

2023: Erste prototypische unternehmensübergreifende Produktion: Im April erfolgt die Veröffentlichung der Broschüre „smartMA-X: Das Testbed für die Fertigung im Datenraum Industrie 4.0“. Erste unternehmensübergreifende Produktion zwischen vier Produktionsinseln mit Hilfe des Eclipse Dataspace Connectors. smartMA-X ist auf der Hannover Messe live zu erleben. Präsentation auf der Industrie 4.0-Conference Stage. Im Juni folgt die Veröffentlichung der smartMA-X-Architektur „Realisierung einer Shared Production: Integration von Plattform Industrie 4.0 und Gaia-X-Konzepten“.

2024: Der Datenraum I4.0 geht live: Im Februar erfolgt die Veröffentlichung der Broschüre „smartMA-X: Mit Datenräumen in die Produktion der Zukunft“. Start der Gaia-X Roadshow in Kaiserslautern mit dem Gaia-X Hub Germany und der AISBL. Teilnahme am Manufacturing-X-Day in Würzburg. Im April wird der Datenraum I4.0 präsentiert, der Production-as-a-Service mit dem Gedanken der Kreislaufwirtschaft durch OPC UA, VWS und Eclipse Dataspace Connectoren auf fünf Produktionsinseln kombiniert. Auftritt smartMA-X in dem Panel „Leuchttürme des föderierten Datenökosystems“ auf der Bühne des BMWK.