Fabrik der Zukunft: Wenn der Roboter auf den digitalen Zwilling trifft

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Die Fabrik der Zukunft wird ohne Frage digital und hypervernetzt sein. Eine entscheidende Rolle spielen dabei Edge Computing, künstliche Intelligenz und 5G. Die Verarbeitung der enormen Datenmengen und deren Auswertung verlangen jedoch erhebliche Investitionen und Expertise auf dem jeweiligen Gebiet. Abschrecken lassen sollen sich Unternehmen dadurch aber nicht.

Fabrik der Zukunft unter der Lupe: In der vernetzten Welt moderner Fa­briken müssen Maschinen ihre Aufgabe möglichst effizient erledigen. Effizienz ist jedoch nur ein Aspekt. Mindestens genauso wichtig wird es künftig sein, Anlagen schnell an neue Rahmenbedingungen anzupassen und Erkenntnisse mit anderen Systemen zu teilen. Einerseits, weil der Ruf nach flexibler Fertigung in variablen Stückzahlen in vielen Industriezweigen lauter wird. Andererseits, weil erst durch eine intelligente Verknüpfung und Auswertung aller gesammelten Daten sich Produktionsschritte perfekt aufeinander abstimmen, Arbeitsabläufe vereinfachen und Lieferketten optimieren lassen.

Fabrik der Zukunft: Was Cobots bereits leisten

Bereits heute führen Maschinen, allen voran Industrieroboter, viele Arbeitsschritte automatisiert aus. Sie schneiden und fräsen, löten und schweißen, lackieren und emaillieren, schleifen Oberflächen ab und bringen Dichtmittel auf. In der Logistik setzen sie Produkte auf Paletten, verpacken und kommissionieren sie. Müssen mobile Objekte montiert oder demontiert werden, sind Roboter ebenfalls zur Stelle. Auch das Pick & Place, also das Aufnehmen und Platzieren eines Bauteils, stellt für sie keine Herausforderung dar. Selbst im Qualitätsmanagement übernehmen sie wichtige Aufgaben – dort messen, prüfen und analysieren sie Ist- und Sollzustände. Besonderes „Fingerspitzengefühl“ zeigen dabei die sogenannten Cobots (Collaborative Robots). Die Maschinen arbeiten Hand in Hand mit dem Menschen zusammen und stellen in einer immer schneller getakteten Arbeitsumgebung die Grundlage für einen deutlichen Zugewinn an Ergonomie, Präzision, Effizienz und Sicherheit.

Der digitale Zwilling liefert entscheidende Informationen

Cobots spielen in der Industrie 4.0 eine Schlüsselrolle: Immerhin können sie intelligent auf ihr Umfeld reagieren und treffen eigenständig Entscheidungen – zumindest soweit es ihre KI zulässt. Moderne Produktionsanlagen existieren jedoch längst nicht mehr nur in der physischen Welt. Alle Systeme, von der Fräsmaschine über den Fließbandroboter bis hin zum vollautomatisierten Lager, leiten relevante Informationen aus den gesammelten Daten in Echtzeit an die IT- und OT-Systeme weiter und ermöglichen so eine ständige Momentaufnahme des aktuellen Zustands einzelner Fertigungsstraßen oder kompletter Fabriken. Mit Hilfe eines digitalen Zwillings lässt sich sogar die Fertigung ohne Unterbrechung des laufenden Produktionsprozesses modifizieren und optimieren.

Ihr volles Potenzial entfaltet diese Technologie, wenn Daten aus der Produktionsüberwachung als Input für eine virtuelle Inbetriebnahme dienen. Oder wenn die Ursachen bei der Qualitätskontrolle festgestellter Fehler im digitalen Zwilling gefunden und die Parameter für die zukünftige Produktion gleich entsprechend angepasst werden. Zudem können Unternehmen Produktionsumstellungen auf andere Modelle oder kleinere Serien vorab durchspielen sowie die Fertigung eines Einzelstücks mit vorgegebener Genauigkeit auf verschiedenen Fertigungsstraßen simulieren und dann die dafür geeignetste Maschine auswählen. In letzter Konsequenz lässt sich ein bidirektionales System umsetzen, bei dem der digitale Zwilling dem physischen Part Rückmeldungen gibt und sich folglich selbst steuert.

Ohne Edge, KI und 5G läuft die moderne Fabrik nicht

Allen Szenarien gemeinsam ist, dass durch die unterschiedlichsten Sensoren enorme Mengen an Daten anfallen, die schnellstmöglich verarbeitet werden müssen. Stehen jedoch nur Millisekunden für eine Entscheidung zur Verfügung, ist der Zeitverlust durch den Datentransport in die Cloud bereits zu groß. Eine Analyse direkt vor Ort verhindert nicht tolerierbare Verzögerungen – denn ansonsten wären beispielsweise schadhafte Produkte auf dem Band weitergewandert, bevor ein Roboter-Arm das entsprechende Teil überhaupt ausmustert.

Edge Computing bildet eine Schicht zwischen dem Rechenzentrum und der IoT-Sensorik der Endgeräte am Netzwerkrand. Durch den Einsatz von Analysealgorithmen und der Anwendung vortrainierter KI-Modelle, sind schnelle Entscheidungen garantiert. Die Daten werden zudem aggregiert, sodass nur noch die abgeleiteten Ergebnisse zur weiteren Verarbeitung oder langfristigen Speicherung an einen zentralen Standort gesendet werden. So wird die Edge auch zum Bindeglied zwischen der realen Welt und ihrem digitalen Zwilling.

5G als Basis für die Fabrik der Zukunft

Eine weitere Schlüsseltechnologie für die Fabrik der Zukunft ist 5G. Die Mobilfunknetze der jüngsten Generation bieten maximale Datenraten von zukünftig bis zu 20 Gbit/s bei äußerst niedrigen Latenzen. Gleichzeitig ist es möglich, eine sehr große Anzahl von Geräten einzubinden. Für viele Anwendungsfälle ist 5G inzwischen die erste Wahl, denn sie bietet gegenüber anderen Funktechnologien entscheidende Vorteile. 5G hat nicht nur eine Reichweite von mehreren Kilometern, sodass sich große Funkzellen aufbauen und weitläufige Außenbereiche mit nur wenigen Basisstationen optimal versorgen lassen. Zudem ist ein reibungsloser „Handover“ zwischen den Funkzellen möglich, was insbesondere beim Einsatz beweglicher Systeme wichtig ist.

Schließlich sollen fahrerlose Transportfahrzeuge oder Roboter nicht kurzzeitig die Verbindung verlieren, wenn sie von einer Funkzelle in eine andere wechseln. Gerade in Fertigungshallen und Lagern passieren solche Wechsel regelmäßig, da sich dort aufgrund von Wänden oder Metallstrukturen in der Regel mehr Basisstationen als auf Freiflächen befinden. Darüber hinaus unterstützt 5G Time Sensitive Networking (TSN), das unter anderem für die synchrone Kommunikation zwischen Sensoren, Maschinen und Steuersystemen zuständig ist und dadurch genau aufeinander abgestimmte Abläufe ermöglicht.

Implementierung trotz fehlender Expertise

Der Weg zu dieser neuen, durchgängig vernetzten Welt ist allerdings nicht frei von Hürden. Die umfassende Einbindung von Produktionsmaschinen, Sensoren und Gateways in ein 5G-Netz sowie das Ausrollen verteilter Edge-Server in der Fläche macht zunächst nicht unwesentliche Investitionen notwendig, die sich erst mittelfristig auszahlen. Auch der Schutz der einzelnen Komponenten vor Cyberangriffen stellt eine Herausforderung dar.

Zwar erhöht ein privates 5G-Netz die Sicherheit, da Maßnahmen individuell umgesetzt werden können. Die Zunahme an verbundenen Geräten vergrößert jedoch die Bedrohungslandschaft deutlich. Gelangen produktionskritische Daten in die falschen Hände, droht ein Verlust von Intellectual Property und ein Stopp der Fertigungsanlagen. Der digitale Zwillings beispielsweise kennt in der Regel die komplette Datenhistorie und hat Zugriffsberechtigungen für alle wichtigen Systeme. Wird sogar die KI der Maschinen gekapert und folglich die Kontrolle beispielsweise über einen Roboter erlangt, sind die Konsequenzen schwerwiegend.

Da die meisten Industrieunternehmen weder über die notwendigen personellen Ressourcen noch über das erforderliche Wissen verfügen, kann ein As-a-Service-Modell eine sinnvolle Lösung sein. Mit einer verwalteten Edge-Computing-Plattform sind Firmen in der Lage, Anwendungen schneller zu implementieren und produktiv zu nutzen. Gleichzeitig fungiert – je nach Bedarf – der Systemintegrator als zentraler Ansprechpartner für den Ende-zu-Ende-Betrieb. Damit erreicht die Industrie ihre Ziele: mehr betriebliche Effizienz bei gleichzeitig niedrigeren Kosten und nicht zuletzt eine gesteigerte Nachhaltigkeit durch optimale Nutzung der Ressourcen.

Der Autor Marcus Giehrl ist Practice Director Innovations and Smart Technologies bei der NTT Ltd.

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