Im Privatgebrauch ist das Internet der Dinge für viele Nutzer:innen bereits Normalität geworden, denn es ermöglicht eine komfortablere Nutzung der Alltagsgegenstände. Im industriellen Bereich steht das Internet of Things (IoT) für eine effizientere Produktion und bildet das Fundament der sogenannten Industrie 4.0. Eine intelligente Fabrik der Zukunft ist ohne Digitalisierung und Vernetzung durch das IoT undenkbar.

Definition

Das Internet der Dinge umfasst als Oberbegriff verschiedene Technologien für die Verknüpfung von physischen und virtuellen Objekten. Über das Internet kommunizieren die vernetzten Gegenstände miteinander, liefern wertvolle Daten über ihr Umfeld, empfangen Befehle und können so bequem aus der Ferne gesteuert werden.

Mit der steigenden Zahl der vernetzten intelligenten Geräte wachsen auch die zu verarbeitenden Datenmengen – man spricht in diesem Fall von Big Data. Durch Cloud Computing werden die benötigten IT-Ressourcen über das Internet bereitgestellt. Damit werden die Daten in einer Cloud statt lokal verarbeitet. Außerdem ermöglichen virtuelle Assistenten, Sprachsteuerung, intelligente Navigation und viele weiteren Ausprägungen der künstlichen Intelligenz eine deutliche Steigerung der Benutzerfreundlichkeit. Diese und weitere Technologien treiben die Weiterentwicklung des IoT-Konzepts maßgeblich voran.

Anwendungsbereiche des Internet of Things

Das Internet der Dinge breitet sich in allen Lebensbereichen aus und verändert immer mehr die gewohnten Abläufe. Im Zuge der Digitalisierung etablieren sich zunehmend folgende IoT-Lösungen:

• Smart Home: In einem intelligenten Zuhause sind unterschiedliche Gebrauchsgegenstände miteinander vernetzt. Das heißt, die Haushaltsgeräte, die mobilen Endgeräte und die Gebäudetechnik sind in der Lage, miteinander sowie mit der Steuerzentrale Daten auszutauschen und sorgen somit für mehr Komfort, Energieeffizienz und Sicherheit im Haus.
• Vernetzte Fahrzeuge: Moderne Autos werden mit Steuereinheiten und Sensoren ausgestattet, um Hindernisse und andere Verkehrsteilnehmer zu erkennen, Position und Geschwindigkeit zu messen sowie weitere Informationen aus ihrer Umgebung zu sammeln. Über Mobilfunk werden die Fahrzeuge mit der Außenwelt verbunden, durch die Einführung von 5G sollen auch selbstfahrende Autos bald zur neuen Normalität werden.
• Smart City: In einer intelligent vernetzten Stadt übernehmen digitale Systeme solche vielfältigen Aufgaben, wie Steuerung der Infrastruktur, Sicherung der Energieversorgung, Monitoring der Umweltbelastung, Verkehr und Logistik, effiziente Ressourcenverteilung, Recycling und vieles mehr. Außerdem sorgen diverse IoT-Lösungen in der Stadtverwaltung und im Dienstleistungssektor für mehr Lebensqualität in einer modernen Stadt. Insgesamt fördern die Technologien eine stärkere nachhaltige Städteentwicklung.

Das industrielle Internet of Things (IIoT)

In industriellen Umgebungen entfaltet das Internet der Dinge sein größtes Potential. Hier werden Geräte, Maschinen und Anlagen miteinander verbunden, um den höchstmöglichen Automatisierungsgrad zu erreichen und somit die Prozessabläufe effizienter und kostengünstiger zu gestalten.

Durch Sensoren, Steuerungstechnik und Feldbussysteme wird die gesamte Produktion digitalisiert und so entsteht in der Industrie 4.0 eine intelligente Fertigung mit ständiger Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung. Es werden kontinuierlich Daten in Echtzeit gesammelt, um die Sicherheit von Menschen und Maschinen jederzeit zu gewährleisten. Außerdem ermöglicht dies eine Optimierung der Ressourcennutzung und eine vorausschauende Instandhaltung. Industrielle Roboter (Cobots) und autonome Transportfahrzeuge sorgen für eine weitere Automatisierung in der Intralogistik.

Industrielle Roboter spielen von Anfang an eine bedeutende Rolle in der Automatisierung. Nun bekommen sie Verstärkung in Form von Cobots, die als leichte und flexible Helfer die Transformation zu einer intelligenten Fabrik ermöglichen und somit ein fester Bestandteil der Industrie 4.0 sind.

Definition

Unter einem kollaborativen Roboter bzw. Cobot (Kurzwort aus engl. „collaborative robot“) versteht man einen Industrieroboter, der am selben Arbeitsplatz zusammen mit Menschen diverse Aufgaben erfüllen darf. Im Unterschied zu einem herkömmlichen Roboter, der nach einem festen Ablauf und ohne Rücksicht auf sein Umfeld funktioniert, stellt ein Cobot keine Gefahr für die Menschen dar und muss nicht hinter einem Zaun oder Schutzgitter untergebracht werden.

Es entsteht sogenannte Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK), wobei „K“ für drei verschiedene Ausprägungen steht:

• Koexistenz: Mensch und Roboter arbeiten nebeneinander an unterschiedlichen Aufgaben.
• Kooperation: Mensch und Roboter arbeiten am gleichen Prozess, jedoch ohne Interaktion.
• Kollaboration: Mensch und Roboter interagieren miteinander und arbeiten gemeinsam an einer Aufgabe.

Aufbau und Vorteile

Cobots sind dafür ausgelegt, neben den Menschen zu arbeiten und deren Arbeit zu erleichtern, indem sie monotone, gefährliche oder aufwändige Tätigkeiten übernehmen. Durch ihre leichte Konstruktion versperren die Roboter nicht den Arbeitsraum und können flexibel an verschiedene Stellen verschoben werden, wo sie dank schneller Umprogrammierung für neue Aufgaben eingesetzt werden können.

Für die Sicherheit sorgen integrierte Sensoren und Kameras. Kommt ein Mensch dem Cobot zu nah, wird die gefährliche Bewegung sofort gestoppt bzw. der Cobot reduziert seine Geschwindigkeit, sodass kein Risiko mehr besteht. Ist eine Handführung vorgesehen, so kann der Mensch den Roboter berühren und seine Bewegungen manuell steuern. Dabei lernt der Cobot einen bestimmten Ablauf und kann ihn beim nächsten Mal selbständig ausführen.

Einsatzgebiete

Die Anzahl der Cobots in der Produktion steigt zunehmend. Kollaborierende Roboter ermöglichen eine effiziente Aufgabenteilung – sie erledigen anstrengende und sich wiederholende Arbeiten, während der Mensch sich auf anspruchsvollere Tätigkeiten konzentrieren kann. Dabei arbeiten die Cobots immer mit hoher Präzision und gleichbleibender Qualität, ohne müde zu werden.

Heute finden Leichtbauroboter Anwendung vor allem in folgenden Branchen:

• In der Automobilindustrie entlasten kollaborierende Roboter das Personal während der Montage, heben schwere Karrosserieteile oder übernehmen Präzisionsaufgaben. Dadurch kann unter anderem der weibliche Anteil an der Belegschaft erhöht werden.
• In der Intralogistik können dank Cobots diverse Abläufe automatisiert werden. Mobile Roboter greifen benötigte Teile aus den Regalen und transportieren sie zu den Produktionsstellen. Dort, wo früher die Kommissionierung manuell erfolgte, stellen Cobots selbständig Pakete zusammen, verpacken sie und bringen zum Versand.
• In der verarbeitenden Industrie übernehmen intelligente Roboter vielfältige Aufgaben: Be- und Entladen von Maschinen, kleinteilige Montage, Schweißen, Schleifen und Kleben, Prüfung und Messung, Materialentfernung und vieles mehr.
• In der Pharmaindustrie und Medizin werden Cobots für besonders sensible Tätigkeiten eingesetzt. Sie sorgen für eine sterile und hochpräzise Handhabung zum Beispiel während Operationen oder Herstellung von Medikamenten und reduzieren somit das Risiko von menschlichen Fehlern.

Kollaborierende Roboter bilden einen wichtigen Baustein für die Industrie 4.0, deshalb ist Robotik auch in diesem Jahr eines der Haupthemen auf der kommenden Hannover Messe. Hier werden die Besucher:innen ganz unterschiedliche Cobot-Modelle von führenden Robotik-Unternehmen live erleben können.

Dieser oft unscheinbare Akteur spielt eine der Hauptrollen im industriellen Umfeld, sobald es um die Stromversorgung und Vernetzung geht. Ein Schaltschrank ist keineswegs nur ein Einrichtungsgegenstand, sondern ein wertvoller Schutz für Menschen und Maschinen.

Definition

Ein Schaltschrank ist ein Gehäuse für die Unterbringung von elektrischen und elektronischen Komponenten, sofern diese nicht direkt in der Maschine bzw. Anlage verbaut sind. Im Schrankinneren erfolgt die Verkabelung von einzelnen Komponenten beispielsweise durch Klemmleisten.

Aufbau und Vorteile

Die Form eines Schaltschranks hängt im Wesentlichen von seinem Verwendungszweck ab. Neben den einfachen Klemmenkästen werden in der Industrie meistens Stand- und Wandschränke eingesetzt. Diese haben in der Regel eine pulverbeschichtete Stahlkonstruktion mit verschließbaren Türen, die nur mit einem Spezialschlüssel zu öffnen sind. Außen an der Schranktür befinden sich häufig frei zugängliche Bedienelemente wie Touchscreen, Druck- und Schlüsseltaster sowie der Not-Aus-Schalter, um bei Gefahr die Maschine bzw. Anlage sofort stoppen zu können.

Ein Schaltschrank bietet folgende Vorteile:

• Übersichtliche und strukturierte Anordnung von Komponenten im Schrankinneren
• Zusätzliche Bauteile wie z. B. Steckverbindungen für Stromversorgung
• Schutz vor Schmutz, Staub, Wasser, Überhitzung, elektromagnetischen Störungen, Vandalismus und weiteren äußeren Einflüssen
• Abschirmung elektromagnetischer Emissionen nach außen
• Brandschutz
• Schutz vor dem Berühren spannungsführender Bauteile

Digitalisierung im Schaltschrankbau

Schaltschränke sind ein fester Bestandteil jeder automatisierten Industrieanlage, deshalb spielt die zunehmende Digitalisierung auch im Schaltschrankbau eine bedeutende Rolle. Bislang werden die Schaltschränke größtenteils manuell angefertigt, damit die individuellen Kundenwünsche und -anforderungen erfüllt werden können. Um diesen aufwändigen und zeitintensiven Vorgang zu beschleunigen, werden digitale Schaltschrankmodelle gebildet. Solche digitalen Zwillinge helfen dabei, die einzelnen Konstruktions- und Fertigungsschritte zu automatisieren und zu vernetzen, um die Produktion von Schaltschränken insgesamt effizienter zu gestalten.

Die Initiative SMART CABINET BUILDING, gegründet von führenden Schaltschrankherstellern, treibt die digitale Transformation in diesem Bereich voran. Weitere Informationen, Broschüren und eine ganze Webinarreihe über innovative Schaltschranklösungen finden Sie auf der Website von SMART CABINET BUILDING.

Unser erster Fachbegriff des Monats im neuen Jahr gehört wie sein Vorgänger ebenfalls zu den Grundlagen der Automatisierungstechnik. Als Fundament der industriellen Kommunikation spielen die Feldbussysteme eine entscheidende Rolle für die digitale Transformation und Industrie 4.0.

Definition

Die Architektur einer vernetzten Produktionsanlage ist meist sehr komplex und wird deshalb in mehrere Hierarchieebenen aufgeteilt. Auf der untersten Feldebene befinden sich Sensoren, die verschiedene Prozessgrößen messen, sowie Aktoren, die z. B. Ventile, Motoren oder Pumpen ansteuern. Durch einen Feldbus werden diese Feldgeräte miteinander verbunden und kommunizieren mit einem Steuergerät (SPS, speicherprogrammierbare Steuerung), welches die Daten von Sensoren und Aktoren auswertet und entsprechende Steuerbefehle ausgibt. Eine oder mehrere SPS kommunizieren ihrerseits mit den übergeordneten Ebenen und Leitrechnern.

Aufbau und Vorteile

Anstatt jedes einzelne Gerät über ein separates Kabel anzuschließen, werden die Geräte in ein Bussystem eingebunden und übertragen Daten über ein gemeinsames Medium (kabelgebunden oder drahtlos) nach bestimmten Regeln, die in einem Kommunikationsprotokoll festgelegt sind. Das verringert wesentlich den Verdrahtungsaufwand und ermöglicht eine Kommunikation in Echtzeit, die besonders im Produktionsumfeld von enormer Bedeutung ist.

Zu den weiteren Vorteilen eines Bussystems zählen höhere Verfügbarkeit, umfassende Diagnosemöglichkeiten bei Störungen, leichtere Austauschbarkeit der Teilnehmer und bedarfsgerechte Systemerweiterung.

Ein Feldbus – unzählige Variationen

Die ersten Feldbussysteme entstanden Ende der 1970er-Jahre, seitdem wird in diesem Bereich kontinuierlich weiterentwickelt. Für unterschiedliche Anwendungen und Anforderungen in der Industrieautomation, Automobilindustrie und Gebäudetechnik bieten diverse Hersteller aktuell mehr als 50 Buskonzepte mit zum Teil konkurrierenden Standards.

Die bekanntesten Feldbusse in der Automatisierungstechnik sind PROFIBUS, Modbus, AS-Interface, CANopen, CC-Link, DeviceNet, Sercos usw. Ausführliche Informationen zu jedem Feldbus finden Sie bei den jeweiligen Herstellern.

Um die Standardisierung der Feldbussysteme voranzutreiben und globale Standards zu etablieren, wurde 1994 die Fieldbus Foundation gegründet, die heute unter dem Namen FieldComm Group als gemeinnütziger Verband weltweit führende Herstellerfirmen, Forschungseinrichtungen und Hochschulen vereint.

Nach einem Ausflug in die faszinierende Welt der Industrie 4.0 und Smart Factory (siehe Blogbeitrag „intelligente Fabrik“) kehren wir zu den Grundlagen der Automatisierung zurück. Unser heutiger Fachbegriff des Monats „Speicherprogrammierbare Steuerung“ oder kurz „SPS“ ist ein unverzichtbarer Baustein jeder automatisierten industriellen Anlage.

Definition

Bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung handelt es sich um ein digitales elektronisches System für die Ablaufsteuerung von Maschinen und Anlagen anhand der Eingangssignale, die von den angeschlossenen Schaltgeräten und Sensoren kommen. Im Unterschied zu einer festverdrahteten Steuerung wird das Programm in einem internen Speicher gespeichert und kann bei Bedarf flexibel verändert bzw. erweitert werden.

Aufbau

Eine SPS besteht in der Regel aus folgenden Hardware-Komponenten:

• Prozessor bzw. CPU (Central Processing Unit): Hier werden die Anweisungen für das Steuerprogramm zyklisch abgearbeitet sowie arithmetische und logische Funktionen ausgeführt.
• Interner Speicher: Besteht aus mehreren Bereichen und erfüllt verschiedene Aufgaben (Betriebssystem, Steuerprogramm, Zustände der Ein- und Ausgänge, Konfigurationsdaten der Hardware sowie weitere Daten).
• Eingangsgruppe: Über die Eingänge erhält die SPS externe Signale von Feldgeräten wie zum Beispiel Taster, die Befehle erzeugen, oder Sensoren, die Informationen über den aktuellen Zustand der Maschine liefern.
• Ausgangsgruppe: Über die Ausgänge steuert die SPS externe Geräte wie zum Beispiel Pumpen, Ventile oder Motoren in Abhängigkeit von der Ablaufsteuerung.
• Netzteil: Versorgt die SPS mit Strom.
• Programmiergerät: Wird benötigt, um das Steuerprogramm von einem PC auf die SPS zu übertragen. Die Kommunikation mit dem Bediener erfolgt über die Benutzerschnittstelle (HMI, Human Machine Interface).

Ausführungen

Auf dem Markt existieren unterschiedliche Arten von speicherprogrammierbaren Steuerungen.

• Kompakt-SPS sind kostengünstige Einzelgeräte, die nicht erweiterbar und durch ihre Grundfunktionen für die gängigen Automatisierungsaufgaben vollkommen ausreichend sind.
• Modulare SPS hingegen bestehen aus mehreren Baugruppen, die miteinander verknüpft sind und verschiedene Aufgaben erfüllen. Solche Lösungen können individuell an die jeweilige Umgebung angepasst werden und bieten einen hohen Flexibilitätsgrad.
• Soft-SPS bilden die Funktionen einer konventionellen SPS in einer Software-Umgebung auf einem PC nach, dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Programmiergeräts.

Für die Vernetzung und Kommunikation mit anderen Geräten innerhalb einer Automatisierungsanlage werden moderne SPS an sogenannte Feldbussysteme angeschlossen. Mehr darüber erfahren Sie in unserer nächsten Ausgabe.

Mit James Bond oder einem geheimnisvollen Spion hat unser heutiger Fachbegriff des Monats leider nichts zu tun, aber sehr wohl mit unserem Steckenpferd – der Industrie 4.0. Sogenannte Multiagentensysteme stehen momentan im Fokus bei zahlreichen Forschungsprojekten, denn sie bilden die Grundlage für eine flexible autonome Produktion und ermöglichen es, die aktuellen Fortschritte auf dem Gebiet der verteilten künstlichen Intelligenz in eine Smart Factory einzubringen (siehe intelligente Fabrik).

Das Konzept der Multiagentensysteme in der Informatik ist bereits seit den 1980-er Jahren bekannt und wird in sehr vielen unterschiedlichen Anwendungsbereichen umgesetzt. Durch die neuen Erkenntnisse im Bereich KI und die Verknüpfung mit neuartigen Technologien erlebt dieses Konzept zurzeit einen zweiten Entwicklungsschub.

Definition

Ein Agent ist ein autonomer Softwarebaustein, der Daten aus seiner Umgebung aufnehmen, diese nach einem eingebauten Algorithmus und zu einem bestimmten Zweck verarbeiten und die Ergebnisse wieder nach außen abgeben kann. Durch maschinelles Lernen gewinnen die Software-Agenten an Intelligenz und können somit auch proaktiv auftreten. Das bedeutet, dass sie nicht nur auf die Änderungen in ihrer Umgebung reagieren, sondern viel mehr zielgerichtet bestimmte Aktionen ausführen, um ihre Umgebung zu beeinflussen und selbständig Ziele zu verfolgen.

Ein Multiagentensystem (MAS) besteht aus einer Vielzahl von Agenten, die miteinander kommunizieren und kooperieren. Jeder Software-Agent hat zwar ein festgelegtes Ziel, aber durch ihr koordiniertes Handeln arbeiten die Agenten gemeinsam an komplexen Problemlösungen und können somit verschiedenste Aufgaben zuverlässig bewältigen.

Anwendung in der Industrie 4.0

Durch cyber-physische Systeme in einer intelligenten Fabrik verschmelzen reale und digitale Objekte miteinander, dabei läuft die Kommunikation über modular aufgebaute Netzwerke. Jeder Gegenstand in dieser Produktionsumgebung – Maschinen und einzelne Komponenten, Zuliefermaterial, Produkte und weitere Objekte – bekommt einen virtuellen Prototyp (siehe digitaler Zwilling) und bildet zusammen mit seiner Verwaltungsschale eine I4.0-Komponente.

Um die Produktion flexibler zu gestalten und vor allem eine individuelle Fertigung zu ermöglichen, werden die cyber-physischen Systeme als Multiagentensysteme aufgebaut. Das heißt, sie bestehen aus autonomen Software-Agenten (Production Bots), die durch gewisse Intelligenz selbständige Entscheidungen in Echtzeit treffen und aktiv am Produktionsprozess mitwirken können. Fällt beispielsweise eine I4.0-Komponente aus, so erkennen es die Agenten rechtzeitig und ergreifen Maßnahmen, um Verzögerungen im Betrieb zu verhindern.

Jeder intelligente Agent, sei es das Produkt, ein einzelner Sensor oder eine ganze Fertigungslinie, sammelt Daten, tauscht Informationen mit anderen Agenten aus und findet Lösungen für seinen aktuellen Zustand. Dieses Konzept der dezentralen künstlichen Intelligenz eröffnet gänzlich neue Möglichkeiten für die Fabrik der Zukunft.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, in diesem 40-minütigen Talk erklären die Experten der Technologie-Initiative SmartFactory^KL die Systemarchitektur der zukünftigen ‚Shared Production‘: SmartFactory-KL auf YouTube

Im Anschluss an den Fachbegriff des Monats April (intelligente Fabrik) befassen wir uns heute mit einem damit eng verwandten Begriff, der auf der Hannover Messe heiß diskutiert wurde und als Leitmotiv durch beinah alle Vorträge ging: digitaler Zwilling.

Definition

Der digitale Zwilling ist das virtuelle Abbild eines realen materiellen Objekts oder Prozesses und kann beispielsweise zum Entwerfen von zukünftigen Modellen eingesetzt werden. Mehrere digitale Zwillinge können sowohl miteinander als auch mit der physischen Welt kommunizieren. So lassen sich ganze Produktionsumgebungen über den gesamten Lebenszyklus digital abbilden, um Abläufe zu analysieren und zu optimieren.

Als virtueller Prototyp eines realen Objekts oder Prozesses beinhaltet der digitale Zwilling alle relevanten Daten, inklusive Entstehungsgeschichte und Informationen zum aktuellen Zustand. Die Analyse dieser Daten ermöglicht eine umfassende Kontrolle, Prognose und Simulation von Betriebszuständen, um zum Beispiel den drohenden Ausfall einer Komponente vorherzusagen und rechtzeitig die Wartungsmaßnahmen zu ergreifen (Predictive Maintenance).

Durch das Aufkommen von Technologien wie Big Data und Internet of Things gewinnt der digitale Zwilling eine enorme Bedeutung für die Industrie 4.0.

Verwaltungsschale: digitaler Zwilling in der Industrie 4.0

Das Konzept der intelligenten Vernetzung von Menschen, Maschinen und Produkten im industriellen Umfeld machte in den letzten 10 Jahren eine rasante Entwicklung durch und wurde bereits vielerorts erfolgreich umgesetzt. Doch während die einzelnen Lösungen bereits ziemlich gut funktionieren, steigt der Bedarf nach Standardisierung und herstellerübergreifender Kommunikation immer mehr.

Die sogenannte Verwaltungsschale (AAS, Asset Administration Shell) ist die von Gremien (Plattform Industrie 4.0) entwickelte technische Umsetzung des digitalen Zwillings für die Industrie 4.0. Durch Normen und Spezifikationen definiert, ermöglicht die Verwaltungsschale eine weitgehende Integration von Bauteilen, Datenquellen und Systemen verschiedener Hersteller in einer Produktionsanlage. So entsteht für alle Partner ein gesamtes Ökosystem, das auf einem gemeinsamen Rahmen basiert.

Die Gegenstände (Assets) einer Verwaltungsschale sind Maschinen und einzelne Komponenten, Zuliefermaterial, Produkte, Software, Subsysteme und weitere Objekte, die am Datenaustausch innerhalb einer Industrie 4.0-Lösung teilnehmen sollen. Jeder Gegenstand bekommt seine eigene Verwaltungsschale, in der alle zugehörigen Informationen und Funktionalitäten in Form von Teilmodellen abgelegt werden. Ein Teilmodell ist eine Sammlung von Asset-Merkmalen zu einem bestimmten Thema. Zusammen mit der Verwaltungsschale bildet der physische Gegenstand eine I4.0-Komponente, die mit dem gesamten System kommuniziert.

Bei intelligenten Objekten befindet sich die Verwaltungsschale direkt am Gegenstand und bei nicht-intelligenten Objekten erfolgt der Zugriff auf die Verwaltungsschale häufig über eine Cloud.

Passend zu der zurzeit laufenden Hannover Messe und anlässlich des ersten runden Geburtstags der Industrie 4.0 präsentieren wir Ihnen unseren heutigen Fachbegriff des Monats: intelligente Fabrik.

Das Konzept der Industrie 4.0 wurde genau vor zehn Jahren bei der Eröffnung der Hannover Messe zum ersten Mal der Öffentlichkeit vorgestellt und hat sich seitdem viral auf der ganzen Welt ausgebreitet. Im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung beschreibt es den Prozess der digitalen Transformation in der Produktionswelt. Angestrebt ist die vierte industrielle Revolution, die eine effizientere Produktion ermöglicht, die hochgradig anpassungsfähig und somit „intelligent“ ist.

Definition

Eine intelligente Fabrik bzw. Smart Factory ist eine Produktionsumgebung, in der sich die Fertigungsanlagen, Werkstücke und Transportsysteme größtenteils selbst organisieren. Dies wird erreicht durch sogenannte cyber-physische Systeme und eine digitale Vernetzung aller Beteiligten am Produktionsprozess.

Die physische Welt verschmilzt mit der virtuellen Welt: Menschen, Maschinen und Produkte kommunizieren miteinander, dadurch kann die intelligente Fabrik selbstständig Entscheidungen treffen und die Produktion schneller, effizienter sowie flexibler gestalten. Durch Automatisierung und Optimierung von Prozessen auf allen Ebenen können stark individualisierte Produkte in kleinsten Mengen angefertigt werden. Der menschliche Einfluss auf die Produktion wird auf das Minimum reduziert. Dabei werden die Menschen keineswegs durch die Maschinen ersetzt, sondern übernehmen vielmehr die anspruchsvolleren Aufgaben wie Kontrolle und Optimierung der Abläufe.

Aufbau und Inhalt

Wesentliche Bestandteile einer intelligenten Fabrik sind unter anderem:

• Vernetzte Maschinen, Anlagen, Roboter und weitere automatisierte Systeme, ausgestattet mit Sensoren und Aktoren
• Internet der Dinge im industriellen Umfeld (IIoT, Industrial Internet of Things) als Basis für Kommunikation und Interaktion
• Mobilfunkstandard 5G für die drahtlose Kommunikation in Echtzeit
• Cloud-Technologien und -Plattformen für die gemeinsame unternehmensweite Nutzung der Ressourcen (Software, Speicherplatz, Rechenleistung)
• Big Data-Technologien für die Sammlung und Auswertung von Prozessdaten in großen Mengen

Aktueller Stand der Entwicklung

Ursprünglich als eine breite Vision ausgelegt, ist die intelligente Fabrik heute keine Zukunftsmusik, sondern mancherorts bereits Realität. Dank der fortschreitenden digitalen Transformation werden in vielen Unternehmen nach und nach einzelne Bereiche auf das neue smarte Konzept umgestellt. Einige Vorreiter in verschiedenen Teilen der Welt haben bereits komplett funktionierende Smart Factories im Betrieb, wie die äußerst beeindruckenden virtuellen Werksführungen auf der diesjährigen Hannover Messe zeigen.

Die weltweit erste herstellerübergreifende intelligente Fabrik wurde am Standort Kaiserslautern von der Technologie-Initiative SmartFactory^KL realisiert. In einer realitätsnahen Industrie 4.0-Produktionsumgebung werden die innovativen Informations- und Kommunikationstechnologien erforscht, getestet und weiterentwickelt. Lesen Sie weiter auf der Website von SmartFactory^KL.

Diese kleinen Helfer sind oft unsichtbar und doch leisten sie die ganze Arbeit. Zusammen mit den sogenannten Aktoren bilden Sensoren eine Grundlage für die Automatisierung von industriellen Prozessen und sind somit unentbehrlich bei der Umsetzung der Industrie 4.0-Strategie.

Auch im Alltag umgeben uns diverse Sensoren. Wie es der Name schon verrät (vom lat. „sensus“ für „Gefühl, Empfindung“), ergänzen sie unsere Sinne überall, wo wir etwas Hilfe bzw. Komfort benötigen. Sie unterstützen uns beim Autofahren, öffnen für uns die Türen, sorgen für viele nützliche Funktionen auf unseren Smartphones, bringen Licht in die Dunkelheit oder warnen uns vor Brandgefahr.

Definition und Aufbau

Ein Sensor ist ein technisches Bauteil, das eine bestimmte Messgröße in seiner Umgebung aufnimmt und in ein elektrisches Signal umwandelt, damit es im weiteren Prozess verarbeitet werden kann.

In der einfachsten Ausführung besteht ein Sensor aus einem Messfühler (auch Sensorelement genannt), der in Abhängigkeit von der gemessenen physikalischen Größe ein elektrisches Signal erzeugt. In der Regel ist dieses Signal noch nicht für die Weitergabe an die anderen Komponenten des Automatisierungssystems geeignet und muss entsprechend aufbereitet werden. Es erfolgt eine Bereinigung und Verstärkung des Signals, seine erste Auswertung sowie Umwandlung in ein normiertes digitales, analoges oder binäres Signal. In dieser erweiterten Ausführung wird das Gerät zu einem Messwertaufnehmer bzw. intelligenten Sensor, der häufig mit einem Mikroprozessor und einer eingebauten Busschnittstelle für die Datenübertragung ausgestattet wird.

Arten von Sensoren

Sensoren können eine Vielzahl von physikalischen oder chemischen Eigenschaften als Messgrößen erfassen, wie zum Beispiel Kraft, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Geschwindigkeit, Gaskonzentration und vieles mehr.

Je nach Wirk- bzw. Messprinzip gibt es mechanische, kapazitative, induktive, thermoelektrische, optoelektronische, magnetische oder akustische Sensoren. Das Messprinzip beschreibt den Zusammenhang zwischen der zu messenden Eigenschaft und der Messgröße eines Sensors. Zum Beispiel beim resistiven Wirkprinzip ändert sich der ohmsche Widerstand eines Sensors in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur, Länge, Dehnung bzw. einer anderen physikalischen Größe und diese Änderung des Widerstands wird dann in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Zu den häufigsten Sensorarten in der industriellen Automatisierungstechnik zählen Näherungsschalter, Manometer, Temperatursensoren, Durchfluss- und Füllstandsmesser, Weg- und Winkelmesssysteme, Magnetfeldsensoren, optische Sensoren, Ultraschall- und Funksensoren. In weiteren Ausgaben unserer Themenreihe werden wir im Einzelnen auf die Besonderheiten dieser Signalgeber eingehen.

Unsere monatliche Beitragsreihe beginnt mit dem geläufigsten Begriff in der Technischen Dokumentation. Die Betriebsanleitung, auch bekannt als Bedienungsanleitung, Gebrauchsanleitung, Gebrauchsanweisung, Benutzerhandbuch usw. Diese unterschiedlichen Bezeichnungen entstanden unabhängig voneinander und werden gleichberechtigt in verschiedenen Normen, Gesetzen und Richtlinien verwendet.

Die EU-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG listet die Betriebsanleitung unter den Grundvoraussetzungen für das Inverkehrbringen und/oder die Inbetriebnahme einer Maschine. Gefordert wird eine „Originalbetriebsanleitung“ oder eine „Übersetzung der Originalbetriebsanleitung“ in einer oder mehreren Amtssprachen des Mitgliedstaats.

Definition und Zweck

Die Betriebsanleitung ist eine Sammlung von Informationen und Unterlagen, die für eine bestimmungsgemäße, effiziente und sichere Verwendung eines Produkts notwendig sind.

Die Betriebsanleitung erfüllt folgende Aufgaben:

• Verwendungszweck des Produkts deutlich definieren;
• alle notwendigen Informationen für die sichere und bestimmungsgemäße Verwendung zur Verfügung stellen;
• den Benutzer über notwendige Schutzmaßnahmen und Sicherheitsvorschriften aufklären;
• Regeln der bestimmungsgemäßen Verwendung definieren;
• Sicherheitsrisiken beim Nichteinhalten dieser Regeln aufzeigen;
• vor bestimmungswidrigem Gebrauch und vor vernünftigerweise vorhersehbarer Fehlanwendungen warnen;
• über Restrisiken informieren und warnen.

Aufbau und Inhalt

Die Inhalte einer Betriebsanleitung werden ebenfalls durch gesetzliche Auflagen definiert. So fordert die EU-Maschinenrichtlinie beispielsweise folgende Mindestangaben:

• Firmenname und vollständige Anschrift des Herstellers;
• Bezeichnung und allgemeine Beschreibung der Maschine;
• Zeichnungen, Schaltpläne, Beschreibungen und Erläuterungen, die für Verwendung, Wartung und Instandsetzung der Maschine notwendig sind;
• Beschreibung der bestimmungsgemäßen Verwendung der Maschine;
• Angaben zu Restrisiken und möglichen Fehlanwendungen der Maschine;
• Anleitungen zum Transport, zur Montage, zur Inbetriebnahme und zum Betrieb der Maschine;
• Vorgehen bei Unfällen oder Störungen;
• Beschreibung der vom Benutzer durchzuführenden Einrichtungs- und Wartungsarbeiten;
• u.v.m.

Haftung und Rechtsfolgen

Eine unvollständige, fehlerhafte oder gar nicht vorhandene Betriebsanleitung gilt als Produktmangel und kann zu einem Verkaufsverbot bzw. Rückruf im Zielland führen. Bei Personen- oder Sachschaden, die auf falsche Angaben oder Übersetzungsfehler in der Betriebsanleitung zurückzuführen sind, haftet der Hersteller mit allen damit verbundenen Pflichten und Risiken.

Es ist also ratsam, die Erstellung und Übersetzung einer Betriebsanleitung mit der größtmöglichen Sorgfalt anzugehen. Denn eine korrekte und verständlich formulierte Betriebsanleitung ist nicht nur Pflicht für jeden Hersteller, sondern bietet ihm die Möglichkeit, sich vor eventuellen Schadensersatzforderungen zu schützen.