Pictures of the Future Herbst 2002
Industrie – Die Digitale Fabrik
Fabrik im Computer
Innovations- und Designzyklen werden immer kürzer; die Industrie muss noch flexibler, produktiver und kundenbewusster werden. Digitalisierung und Virtualisierung spielen dabei eine Schlüsselrolle: Fertigungsstraßen, Werkzeugmaschinen und Produkte inklusive der gesamten Logistik werden künftig vorab mit dem Kunden am Computer modelliert, getestet und dann wesentlich schneller und mit höherer Qualität als bisher realisiert.
Industrieanlage im Rechner: Bei Siemens Corporate Technology in München-Perlach lassen sich Fabriken per Mausklick besichtigen
In einem Teufelskreis gefangen sind viele heutige Fabriken – so sieht es die Unternehmensberatung Boston Consulting. Über Jahrzehnte eingefahrene Arbeitsabläufe lassen in Fabrikhallen oft keinen Spielraum für den Transport und die Lagerung von Material, wie die Autoren einer Studie zur Automobilproduktion im 21. Jahrhundert schreiben. Die einzelnen Fertigungszellen wirken überladen; die Prozesse sind selbst von Eingeweihten nur schwer zu überblicken. Damit die Produktion nicht stockt, wird der Lagerbestand hoch gehalten, was Kosten verursacht, die Platzprobleme verschärft und die Fabrik noch unübersichtlicher macht. Um diesem Teufelskreis zu entfliehen, müssen Fertigungsstrecken modular aufgebaut werden. So kann man auf die wechselnden Anforderungen des Marktes rasch reagieren.
"Natürlich sieht es nicht in allen Unternehmen so aus", sagt Dr. Bernhard Nottbeck, Chef der Abteilung Produktionsprozesse von Siemens Corporate Technology (CT) in München. "Trotzdem muss nahezu überall die Fertigung weiter optimiert werden, damit die Wettbewerbsfähigkeit nicht auf der Strecke bleibt." Denn wegen der immer kürzer werdenden Innovationszyklen müsse die Flexibilität deutlich erhöht werden. Beispiel Autoindustrie: Früher kam ein neues Modell nach fünf bis sieben Jahren auf den Markt, heute beträgt die Zeitspanne zwei bis drei Jahre. Um dieses Tempo noch beschleunigen zu können, setzen alle Experten auf die Digitale Fabrik – nicht nur die Autoindustrie (siehe Interview mit Emmerich Schiller) und deren Zulieferer, die ohnehin meist die Vorreiterrolle haben.
Materialfluss per Mausklick. "Die digitale Fabrik gibt Planern und Gestaltern Werkzeuge an die Hand, um die Produktionsstätte zu optimieren oder die geplante Veränderung erst einmal durchzuspielen", sagt Prof. Engelbert Westkämper, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart (siehe Interview). Noch ist dies Wunschdenken, aber Bernhard Nottbeck ist davon überzeugt, dass spätestens bis zum Jahr 2010 alle Elemente und Prozesse einer Fabrik in Rechnermodellen abgebildet sein werden. "Der Trend geht heute schon dahin, nicht nur die Produkte am Computer zu planen, sondern die gesamte Produktion", sagt Uwe Bracht, Professor für Anlagenprojektierung und Materialflusslogistik an der TU Clausthal und Spezialist für Fabrikplanung. In einigen Jahren kann dann ein Werksleiter vom Schreibtisch per Mausklick alle Daten abrufen und in Bildern darstellen – ob Maschinenauslastung, Fertigungsgrad eines Werkstücks, logistische Umgebung oder Materialfluss.
Der Schlüssel dafür ist Virtual Reality. Bei Siemens CT arbeiten etliche Forscher an der Visualisierung von virtuellen Fabriken, Prozessen und Prototypen. Mit einem Mausklick versetzt sich z.B. Pablo Gußmann von München-Perlach in eine Fertigungshalle nach Nürnberg. Siemens Automation and Drives (A&D) plant dort eine neue Produktionsstätte für Elektromotoren. Im Computer sind die Koordinaten des Grundrisses, die Standorte der Maschinen, die Lage der Gänge und der Materiallager gespeichert. Wenn der Informatiker eine Spezialbrille aufsetzt, sieht er ein dreidimensionales Bild, das drei Projektoren auf eine gekrümmte Leinwand im Virtual-Reality-Labor werfen. Mit einer Bewegung der Maus fliegt Gußmann scheinbar durch die Gänge oder überblickt den ganzen Aufbau. Die Spezialisten von CT haben die Halle für A&D visualisiert, damit dort ein Umbau möglichst optimal geplant werden konnte.
"Noch ist das Erstellen und Anpassen der Daten per Hand aufwändig", sagt Heinz-Simon Keil, der Leiter des CT-Fachzentrums Virtual Engineering. "Aber es rentiert sich, wenn die Visualisierung mehrfach verwendet werden kann." Es gibt jetzt eine 3D-Bibliothek, in der alle realen Objekte mit ihren Funktionalitäten abgebildet sind. So könnten von der Halle in Nürnberg die A&D-Kollegen in China profitieren, denn dort soll eine sehr ähnliche Produktionshalle entstehen. "Mit der digitalen Vorlage würde dann nur ein Bruchteil der Planungskosten anfallen", meint Keil. Nicht nur die Fabrikhalle, auch einzelne Arbeitsplätze könnten so geplant werden.
Besprechung vor der Videowand: Planer und Techniker können über digitale Entwürfe diskutieren und Verbesserungen direkt vornehmen
Szenenwechsel: Die U-Bahn rast auf Boris Grobholz zu. Der Softwarespezialist bleibt ungerührt sitzen, obwohl der Zug nur noch wenige Meter entfernt ist. Aber in dem Moment, in dem der Triebwagen scheinbar den Mann erreicht, gibt es keinen Aufprall – stattdessen wird das Innenleben sichtbar. Auf der Projektionsfläche rauschen die Sitzgruppen am Betrachter vorbei, der jetzt glaubt, durch den Zug zu fliegen. Ein weiterer Trick des digitalen Modells: Plötzlich ist der leere Wagen mit dem Fahrwerk zu sehen. Später fährt der Zug immer langsamer durch eine Kurve. In der Simulation wird sichtbar, wann die Wagen am Bahnsteig im Inneren der Kurve entlang schrammen, weil die Fliehkraft zu schwach geworden ist, um den Zug nach außen zu drücken. So können die Forscher ohne reale Testfahrten die Geometrie des Tunnels ermitteln. "Das digitale Modell der künftigen U-Bahn in Wien sparte so dem Siemens-Bereich Transportation Systems Zeit und Geld", sagt Grobholz. Bisher musste der reale Zug mit aufgeklebten Styroporplatten immer langsamer durch die Kurven fahren, bis die Platten den Bahnsteig berührten und eine Kollision anzeigten. In Zukunft sollen zusätzlich Daten über Akustik, Strömungen oder Wärmefluss berücksichtigt werden – damit wäre etwa berechenbar, wie ein Tunnel geformt sein muss, um die Druckwelle eines ICE zu minimieren.
Grobholz visualisiert auch kleinere Bauteile, etwa einen elektrischen Fensterheber im Auto. Da alle physikalischen Größen in die Simulation eingehen, kann er testen, ob auch ein anderer, kostengünstigerer Motor die Arbeit verrichten kann und ob dieser in der Tür Platz hat. Der CT-Forscher muss dafür nur einige Daten ändern und das System berechnet einen Film, der die Funktion des neuen Motors zeigt. Kunden können so frühzeitig Einblick in die Produktion eines Zulieferers nehmen, der damit wiederum Sicherheit für seine Planung gewinnt.
Dezentrale Intelligenz dank explodierender Rechenleistung
Wegen der stärkeren Rechenleistung sind heute Endgeräte direkt an speicherprogrammierbare Steuerungen angebunden. Intelligente Sensoren übernehmen vor Ort zahlreiche Funktionen
Wie bei PC hat sich auch in der Automatisierung die Rechenleistung stürmisch entwickelt. Vor zwanzig Jahren hatte eine SIMATIC®-Steuerung 24 kbyte Arbeitsspeicher, heute 16 Mbyte und dazu eine Speichereinheit von 1 Gbyte. Früher mussten große Zentralrechner die gesamte Produktion und die Mechanik der Antriebe steuern. Heute kommunizieren alle Fertigungseinheiten über ein Bussystem mit der Zentrale und verfügen über eigene Prozessoren und damit autarke Steuerungen und Antriebe. Immer leistungsfähigere Prozessoren ermöglichen direkt in den Endgeräten den Einbau von Sensoren und damit eine Selbstüberwachung sowie die Diagnose vor Ort.
Anstieg der Speicherkapazität einer elektronischen SIMATIC-Steuerung seit 1980
Die Systeme werden zudem immer kleiner. Mehr Rechenkapazität – in absehbarer Zeit werden Sensoren die Leistung von heutigen PC haben – bedeutet auch mehr Flexibilität. So könnten künftig in eine automatisierte Fertigung bildverarbeitende Sensoren eingebaut werden, die Farben erkennen, Oberflächen scannen oder Höhenprofile messen und damit die Produktion verbessern. Ein bedeutender Trend ist auch die so genannte eingebettete Software. Einzelne Komponenten werden flexibler, weil ihnen die Funktion nach Wunsch aufgeprägt werden kann – ein Update genügt. Die Produktion kann rascher auf neue Kundenwünsche umgestellt werden; die Fabrik passt sich dem Markt an.
Digitale Modelle sind eine wichtige Voraussetzung für einen der Trends der Industrie, der so genannten Mechatronik – der Vereinigung von Mechanik, Elektronik und Software bei Produkten und Anlagen. Siemens A&D vermarktet bereits ein Produkt, mit dem komplette Fertigungszellen virtuell in Betrieb genommen werden können. eM-PLC heißt das Software-Werkzeug, das zusammen mit dem israelischen Unternehmen Tecnomatix entwickelt wurde. Beispiel Karosserieschweißen: Aus allen mechanischen Daten generiert eM-PLC ein Programm für die SIMATIC-S7-Steuerung der Schweißroboter, des Bandes und der Zuführung der Teile. Das Programm steuert dann virtuell die dreidimensionale Fertigungszelle und ermöglicht den Ingenieuren die Simulation des Zusammenspiels von Mechanik und Elektronik, was bisher nur in der realen Anlage möglich war. Auch unvorhersehbare Ereignisse, wenn sich etwa plötzlich ein Arbeiter dem Schweißroboter nähert, können simuliert werden. Vorteil der Vernetzung aller Parameter: Es wird sofort sichtbar, wie kleine Änderungen das gesamte System beeinflussen. Konstruktionsfehler werden wesentlich früher erkannt. Die Zeit bis zur Produktion verkürzt sich deutlich, was in der Planungsphase Einsparungen von mehr als 20 % bedeuten kann. Möglich sind auch virtuelle Werkzeugmaschinen und deren Bauteile, wobei der Siemens-Planungsexperte Nottbeck bekräftigt: "Bei sicherheitsrelevanten Maschinen oder Bauteilen wird es aber immer einen echten Prototypen geben."
Standards schaffen. Warum heute dennoch Bauteile, Maschinen oder Fertigungsstraßen noch nicht komplett digital simuliert werden, liegt an der fehlenden Vernetzung. "Es werden verschiedene Software-Werkzeuge verwendet, deren Schnittstellen nicht kompatibel sind", sagt Nottbeck. Das führe zu einem hohen Programmieraufwand, der Zeit brauche und personalintensiv sei. "Wir müssen eine gemeinsame Sprache finden." Bis dahin sei es noch ein weiter Weg, aber wenn erst die Standards geschaffen seien, profitiere die ganze Industrie.
Was Vernetzung heute schon erreichen kann, zeigt Totally Integrated Automation von Siemens. Alle kommunikationsfähigen Produkte von Automation and Drives – ob Motor, Drehzahlmesser oder Schutzschalter – passen nahtlos zur SIMATIC-Steuerung. Eine Vernetzungsebene höher liegt Totally Integrated Power (TIP): Die Bereiche A&D, Power Transmission and Distribution und Siemens Building Technologies verfügen mit der Software simaris über ein Werkzeug, mit dem Kunden die Verteilung elektrischer Energie im Gebäude und im Prozess inklusive Klima- und Informationstechnik planen können. Das System ermittelt die optimale Dimensionierung von Schaltern, Leitungen und Erzeugungseinheiten. Das Potenzial von TIP ist enorm: Bis zu 25 % der Kosten bei der Energieverteilung können gespart werden.
Fuzzy-Logic-Autopilot für Industrieprozesse
Produktion von Recyclingpapier: Ein Neuronales Netz stimmt alle Einflussgrößen aufeinander ab. Das System SIFLOT spart damit pro Anlage im Jahr mehr als 1 Mio. € ein
Bis eine neue Fabrik fehlerfrei läuft, vergeht oft viel Zeit. Das Team von Prof. Bernd Schürmann vom Fachzentrum Neural Computation bei Siemens Corporate Technology arbeitet daher an einer Art Autopiloten für die Produktion, der Anlagen automatisch optimieren kann. So haben die Fuzzy-Logic-Experten zusammen mit dem Bereich Industrial Solutions and Services beim Unternehmen Lang Papier im schwäbischen Ettringen die Lösung SIFLOT für die Optimierung des Weißgrades von Recyclingpapier realisiert. Die Forscher fütterten ein Neuronales Netz mit allen relevanten Größen wie Rohstoffqualität und Fasergehalt, die stark schwanken können, sowie Chemikalienverbrauch oder Ausschussmenge. Mit diesen Daten wurde dann das Neuronale Netz trainiert.
Der Anwender kann nun einen bestimmten Weißgrad vorgeben und SIFLOT berechnet die Vorgaben, um bei minimalen Kosten eine optimale Qualität zu erreichen. Das war bisher nur am fertigen Produkt und unter hohem Zeitaufwand im Testlabor messbar, daher ist das Einsparpotenzial enorm: Pro Anlage sind es mehr als 1 Mio. € im Jahr. Ähnlich wie bei der Papierherstellung wurde bereits das Einschmelzen von Stahlschrott im Elektrolichtbogenofen und die Steuerung von Walzstraßen mit Neuronalen Netzen optimiert. Zudem können einmal gewonnene Daten auch für die Erstellung ähnlicher Modelle verwendet werden. Schürmann und seine Mitarbeiter entwickeln zur Zeit Modelle für andere Prozess-Schritte, um künftig die Produktion einer gesamten Fabrik mit einem Verbund korrespondierender Neuronaler Netze zu verbessern.
Die Digitale Fabrik ermöglicht aufgrund ihrer Vernetzung noch weitergehende Dienstleistungen. So hat der Siemens-Bereich Industrial Solutions and Services (I&S) zusammen mit den Fachleuten für Neuronale Netze von Corporate Technology eine Prozessoptimierung für Papierfabriken entwickelt (siehe Kasten oben). Ein weiteres I&S-Projekt zielt auf den Mittelstand ab. Die Experten verzahnen Zulieferer mit ihren Auftraggebern. Das Projekt umfasst Fertigungsplanung, Betriebs- und Maschinendatenerfassung sowie die Abwicklung des Finanzwesens und des Controllings. Siemens kann auch IT-Dienstleistungen übernehmen; die Mittelständler müssen dann keine aufwändige Rechenanlage anschaffen und zusätzliches IT-Personal einstellen. Ein Pilotprojekt wird in einer Gießerei zusammen mit weiteren Partnern umgesetzt. Das Unternehmen gewinnt durch die Erfassung und Analyse aller Daten Transparenz und erfährt, welche seiner Produkte wie viel Gewinn abwerfen. Auf konkrete Anfragen von Kunden kann es jetzt innerhalb von einer Stunde antworten, ob und zu welchem Preis ein Bauteil gefertigt werden kann.
Fingerabdruck der Maschine. Per Internet lässt sich über e-Business nicht nur der Warenverkehr abwickeln, auch Geräte können aus der Ferne überprüft und gewartet werden. So bietet Siemens die Optimierung von Maschinen via Internet an. Über einen interaktiven Online-Dialog können Techniker Störungen schneller und einfacher beheben. Eine Art "Fingerabdruck der Maschine" hält die Leistung über die Zeit fest und erkennt so Verschleißerscheinungen frühzeitig. Eine Wartung erfolgt dann nicht in festen Zyklen, sondern erst, wenn sie wirklich notwendig ist. Mit einer geeigneten Visualisierung kann sogar ein nicht speziell ausgebildeter Techniker die Arbeiten vornehmen, wenn ihm über eine Datenbrille eingeblendet wird, an welcher Schraube er drehen oder welchen Schalter er umlegen muss (siehe Beitrag Pumpe 23, bitte melden!). Die Reise eines teuren Experten zur Maschine entfällt.
Das Internet dient auch der virtuellen Zusammenarbeit zwischen Produktplanern. Ein Beispiel für die so genannte E-Collaboration ist die Entwicklung der Ladeschale für das Siemens-Handy SL45. Techniker in Aachen und München arbeiteten an dreidimensionalen Entwürfen mit der Fertigung in Taipeh zusammen. Die Beteiligten konnten gleichzeitig das Modell an ihrem Monitor betrachten, drehen, Querschnitte machen und Änderungen vornehmen. Die Abstimmung lief deutlich schneller, und die Ladeschale wurde in zweieinhalb Monaten fertig; normalerweise dauert es vier Monate.
Neue Herausforderungen. Virtuelle Zusammenarbeit über Sprach- und Kulturgrenzen, Flüge durch dreidimensionale Hallen sowie ferngewartete und modulare Fabriken – das sind enorme Umwälzungen. Menschen geben Verantwortung an intelligent gesteuerte Maschinen ab. Andererseits müssen Mitarbeiter neue Zuständigkeiten übernehmen: Wenn eine Projektgruppe zeitgleich in mehreren Ländern über einem virtuellen Modell brütet, müssen Entscheidungen rasch und eigenverantwortlich fallen. Dazu sind neue Qualifikationen gefragt; die Mitarbeiter müssen neben breitem Fachwissen auch ein Verständnis für vernetzte Prozesse mitbringen. "An der Digitalisierung und der Virtualisierung der Fabriken führt kein Weg vorbei", ist sich der Experte Bernhard Nottbeck sicher. "Aber ich bezweifle, dass wir schon abschätzen können, wie sehr diese Veränderungen unsere Lebens- und Arbeitswelt beeinflussen werden."
Norbert Aschenbrenner