Trends in der Welt der Smart Factory: Hin zu einer intelligenten Maschine

Asier Ortiz,CTO von Lantek 

Wie sollte unter dieser Prämisse die Maschine der Zukunft aussehen? In früheren industriellen Revolutionen beruhten die Grundpfeiler darauf, mehr und billiger zu produzieren. In der vierten industriellen Revolution sind wir mit Hyperkonnektivität und Interoperabilität konfrontiert, bei der die Maschine nicht nur von physikalischen Technologien, sondern auch von digitalen Technologien profitieren muss. Die Produktionslandschaft der Metallindustrie, die sich für die Zukunft abzeichnet, wird sensorisiert, um jede relevante Situation an der Maschine zu erfassen. Die Maschinen werden wie jedes andere Softwaresystem verbunden und die Informationsflüsse werden in der Cloud geteilt und gespeichert, um dank künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen analysiert zu werden. Diese neue Situation ermöglicht es, neue und diesmal prädiktive und präskriptive Lösungen hervorzubringen, die Menschen und Systemen helfen, bessere Entscheidungen in Echtzeit zu treffen.

Die technologische Entwicklung schreitet im Eifer der Industrie 4.0 so schnell voran, dass es anmaßend wäre, hundertprozentig zu behaupten, wie die Maschinen der Zukunft aussehen werden. Allerdings können wir schon einschätzen, wohin die Tendenzen gehen und ahnen, welche Richtung wir einschlagen müssen. Die intelligente Maschine wird zu einem Softwaresystem im Gesamtsystem und zwingt die Werkzeugmaschinenhersteller, ihr Paradigma in Bezug auf die Konzeption, Herstellung und den Einsatz ihrer Maschinen in den Produktionsstätten ihrer Kunden zu ändern. Es ist eine Tatsache, dass die Smart Factory derzeit konzipiert und die Rolle jeder ihrer Bestandteile festgelegt wird: Maschinen und deren Programmiersoftware, Produktionsplanungssoftware, betriebswirtschaftliche Software, Integrationsmechanismen zwischen den verschiedenen Geschäftssystemen usw.

Die Maschine, die in eine Smart Factory eingebettet ist, muss eine intelligente Maschine sein, da die Software als wesentlicher Bestandteil ihres Systems integriert ist. Die CAM-Software erzeugt seit ihrer Entwicklung das Programm, das die Maschine ausführt, doch bis jetzt waren sie nicht miteinander verbunden. Die Maschine der Zukunft wird Funktionen beinhalten, die heute ausschließlich in der externen Software der Maschine enthalten sind. Mit anderen Worten, in naher Zukunft wird die Maschine in ein weiteres Softwaresystem umgewandelt, innerhalb einer Lösung von miteinander verbundenen und interagierenden Systemen. Bei der Maschinenprogrammiersoftware (CAM) besteht die Herausforderung darin, zu wissen, wie die neuen Architekturen aussehen und bis wohin die Fähigkeiten reichen werden. In den letzten 40 Jahren hat sich ihr Grundstock nicht weiterentwickelt: CAD-Importschnittstellen, Generierung von Anweisungen durch eine Konfiguration und Parametrierung der Maschine sowie Generierung einer numerischen Steuerdatei zur Ausführung in einer industriellen Steuerung. All dies basiert auf Algorithmen und Funktionen, die durch Softwareschnittstellen unterstützt werden, die auf einem PC oder, in Mehrbenutzerumgebungen, auf einem Server installiert sind, der über ein lokales Netzwerk verbunden ist. Dabei gilt es zu bedenken, dass diese Struktur und die gesamte Kapazität, die die Software, die die Maschine programmiert, einsetzt, in ihren Algorithmen und Funktionen unterstützt wird und dass diese ihren derzeitigen potenziellen Umfang begrenzen. 

Es muss herausgefunden werden, ob die neuen Möglichkeiten – zusätzliche Berechnungskapazitäten in anderen Umgebungen als einem lokalen Computer zu erhalten – es ermöglichen, einen neuen, viel leistungsfähigeren Algorithmus auszuführen. Die Ausführung soll unbeaufsichtigt und für den Benutzer unmerklich erfolgen. Dafür ist es sehr wahrscheinlich, dass ein wichtiger Teil dessen, was wir heute als Element der CAM-Software verstehen, auf das "Maschinensystem" übertragen wird. Kurz gesagt, die Programmiersoftware muss sich darauf konzentrieren, das vom Kunden gewünschte Ergebnis (Qualität, Kosten, Zeit) zu kennen. Ebenso muss sie sich auf Elemente konzentrieren, die Auswirkungen auf den Fertigungsprozess haben könnten.

Der Produktionsprozess beginnt mit der Erfassung der Arbeit, setzt sich durch die Planung fort, mit der konsequenten Bereitstellung von Rohmaterial und Kapazitätsreserven, wird dann im produktiven Schnittprozess einer Maschine und mit allen nachfolgenden Arbeitsgängen ausgeführt und endet mit der Lieferung an den Kunden. Während dieses Prozesses lässt die Programmiersoftware die Maschine die spezifischen Eigenschaften lösen, die mit jeder Schneidetechnologie verbunden sind, um eine Zeichnung in ein endgültiges Schnittteil zu verwandeln. All dies mit der notwendigen Prozess-Choreographie, die durch die Integration der CAM mit dem Produktionsplanungssystem MES ermöglicht wird.

Die Festlegung, welcher Teil der aktuellen CAM-Software mit der Maschine migriert und zusammengeführt werden soll, bildet den Gordischen Knoten der Smart Factory. Diese Entscheidung hat Auswirkungen auf die übrigen beteiligten Systeme, sie beeinflusst die Art und Weise, wie die verschiedenen Systeme miteinander umgehen, und definiert, wie die in der Smart Factory ausgeführten Dienste organisiert werden. Eine intelligente Maschine wird uns mittels verschiedener Sensoren und interner Alarme ihren aktuellen Produktionsstand mitteilen, oder ob sie in der Lage ist, die gesamte ihr zugewiesene Produktion rechtzeitig durchzuführen. Sie wird um Unterstützung bitten, um anomale Situationen wiederherzustellen oder ihre Planung zu ändern. Sie wird eine Reihe von Daten liefern, die es uns ermöglichen, Verhaltensmuster zu finden, die zu einer besseren Leistung beitragen und unerwünschte Situationen vorhersehen.

Die Maschine der Zukunft wird in einer Smart Factory autonom arbeiten und versuchen, produktiv und effizient zu sein. Sie wird unerwünschte Stopps vermeiden, sie wird über alle Daten und Anwendungen verfügen, die ihr Informationen liefern, um Entscheidungen in Echtzeit zu treffen. Sie wird von Funktionen oder Diensten in der Cloud die Auflösung von Entscheidungen oder die Beschaffung von ergänzenden Daten anfordern, und sie wird über die erzielten Ergebnisse sowie über die Daten berichten, die sie zur Durchführung verwendet hat. Diese Daten können von Analysesystemen verarbeitet werden, die die Verbesserung und das Lernen in den Planungssystemen, CAM oder in der Maschine selbst ermöglichen und die Lösung in ihrer Gesamtheit zu einem Expertensystem machen.

Bisher musste das gesamte System der Maschine mit den Ressourcen der Maschine selbst verbaut und berechnet werden. Aus unserer Sicht gehen wir davon aus, dass die Idee nicht darin besteht, mehr Elektronik und Rechenleistung neben der Maschine unterzubringen, da dies ein alter Ansatz wäre. Mit Hilfe von Technologien wie 5G werden wir in der Lage sein, Konnektivität und Informationstransfer mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen und Computerressourcen außerhalb der Maschine selbst zu lokalisieren, mit der gleichen Wirkung, die wir heute bei Vorrichtungen haben, die in die Maschine integriert sind. Dies öffnet die Tür zu einer Software, die – auch wenn sie in der Cloud gehostet wird – ein fester Bestandteil des Maschinensystems bleibt, was uns auf eine neue Ebene des Computings führt, die eine Vielzahl von Optionen für die Dienste bereitstellt, die die Maschine bietet. Heute verfügt sie über eine Schnittstelle zum Betreiben einer CNC, morgen könnte sie unzählige innovative Dienste anbieten, um die Fertigungsbedürfnisse der Produktionsstätte oder direkt die Bedürfnisse meiner Kunden zu lösen.  

Um die technologischen Möglichkeiten zur Lösung von Problemen in der Industrie 4.0 nutzen zu können, müssen wir klar festlegen, welche Prozesse und Daten wir in der Cloud ausführen werden und welche in der lokalen Umgebung untergebracht werden sollen. Wenn die Maschine in ein weiteres Softwaresystem umgewandelt wird, wird Ihr Beitrag für den Erfolg des Ganzen entscheidend sein und zwar noch mehr als jetzt bereits. Diese verteilte Architektur intelligenter Systeme ist es, die uns, sowohl für die Maschine als auch für die Fabrik in ihrer Gesamtheit, dank neuer Technologien eine hohe Produktivität sichern und gleichzeitig Probleme effektiver lösen soll.