Pictures of the Future Herbst 2002
Die Digitale Fabrik – Interview
"Intelligente Maschinen müssen kommunizieren und sich selbst organisieren"
Interview mit Engelbert Westkämper
Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Engelbert Westkämper (56) ist einer der international angesehensten Experten auf dem Gebiet der Fertigungstechnik. Er ist seit 1995 sowohl Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart wie auch Institutsleiter für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart. Zudem kann der Maschinenbauingenieur auf vielfältige Industrie-Erfahrungen zurückblicken: etwa als Referatsleiter für Fertigungstechnik/-technologie bei MBB in München, als Verantwortlicher für die gesamte Produktionstechnik bei Airbus in Hamburg und Bremen und als Leiter der Zentralabteilung Produktionstechnik bei AEG in Frankfurt
Wie würden Sie Ihr Konzept der Digitalen Fabrik beschreiben?
Westkämper: Wir haben mehrere Bausteine. Die erste Stufe ist ein geometrisches Abbild der Fabrik, das von grob über mittel bis fein skaliert werden kann. Die zweite Stufe ist die dynamische Abbildung des Fabrikgeschehens, und die dritte Stufe ist die Modellierung und Simulation der verfahrenstechnischen Prozesse. Die Digitale Fabrik gibt Planern oder Gestaltern Werkzeuge an die Hand, die Produktionsstätte zu optimieren oder die geplante Veränderung erst einmal durchzuspielen. Entwickler, Planer, Ausrüster und Betreiber können dieselbe Datenbasis verwenden wie andere im Unternehmen, etwa Ingenieure oder Berater. Wir können deutlich schneller Veränderungsprozesse umsetzen, weil mehrere Fachleute gleichzeitig eine Aufgabe bearbeiten. Das spart Kosten, weil die Durchgängigkeit und Richtigkeit von Daten gegeben ist und durch die Simulation gezielter optimiert werden kann.
Fallen hier nicht unglaublich viele Daten an?
Westkämper: Selbstverständlich. Denn wir haben es mit Dingen zu tun, die einen Lebenslauf haben. Ein Fabrikgebäude steht normalerweise 30 Jahre, aber es bleibt nicht 30 Jahre lang im gleichen Zustand. Maschinen und Einrichtungen haben eine durchschnittliche Lebensdauer von zehn, teilweise sogar nur von fünf Jahren. Permanent wird etwas verändert. Wenn das digitale Abbild stets aktuell sein soll, muss man die Veränderung jederzeit am Computer verfolgen können. Nur einen optischen Eindruck zu gewinnen, ist einfach. Wenn man jedoch technische Veränderungen vornehmen will, etwa bei Umbau oder Erweitung, muss man ins Detail gehen – in die Tiefen des elektronischen Systems und bis zur letzten Schraube. Diese verschiedenen Sichten sind notwendig, weil sehr viele Experten beteiligt sind. Alle möchten gern aktuelle Informationen für ihr jeweiliges Fachgebiet, und darin liegt die Schwierigkeit.
Liegt es auch an fehlenden Standards?
Westkämper: Es gibt heute zum Teil Standards. Aber es gibt sie noch nicht durchgängig. Außerdem müssen auch Altgeräte eingebunden werden. Meist sind aber die Daten nicht gepflegt, Dokumentationen von Maschinen nicht verfügbar oder sie entsprechen nicht dem aktuellen Stand, etwa wenn Reparaturen oder Umbauten durchgeführt wurden. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor für die Umsetzung der Digitalen Fabrik in den nächsten fünf Jahren wird sicherlich sein, wie lange wir brauchen, um die Daten zu sammeln und zu hinterlegen.
Wie lassen sich die fehlenden Daten heute effizient gewinnen?
Westkämper: Schöne 3D-Bilder können wir schnell erzeugen. Dafür reichen heutige CAD-Systeme aus. Wir arbeiten an entsprechenden Scanner-Technologien, mit denen wir Fabrikanlagen mit dem Laser abfahren können. Damit gewinnen wir Bilder aus Entfernungen von 50 bis 80 m. Aber irgendwann werden die Maschinen oder Einrichtungen ihre Informationen selbst liefern müssen. Damit wäre dann auch im Industriebereich Plug-and-Play eingeführt. Darüber hinaus werden wir auch die aktuelle Konfiguration auslesen können, also das, was gerade aktiv ist in der Fabrik.
Konzeption einer Digitalen Fabrik am elektronischen Planungstisch des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung
Bisher ging das nicht?
Westkämper: Doch. Wir konnten jedoch aufgrund fehlender Rechenleistung das Geschehen nicht schnell genug darstellen. Heute greifen wir auf Virtual Reality (VR) zurück. VR erlaubt es, Bewegungen und Abläufe darzustellen und sich in der Fabrikwelt zu bewegen. Die Herausforderung ist aber, keine Phantasiewelten abzubilden, sondern die realen Gegebenheiten. Dafür brauchen wir entsprechende Modelle und Programme.
Werden VR-Darstellungen nicht sehr kostspielig?
Westkämper: Nein, denn VR-Darstellungen sind heute auf Standard-Rechnern möglich. Allerdings würden wir gerne die Steuerung einer Maschine, also ihr Programm, in der entsprechenden Abbildung hinterlegen. Nur so können wir später ins Geschehen eingreifen. Das ist ein großer Schritt, denn allein die grafische Darstellung ist hochkompliziert, da sich riesige Datenmengen sehr schnell verändern. Das Schwierigste ist aber, die gesamte Fabrik zu erfassen. Denn es ist ja nicht nur ein Roboter aktiv, sondern es sind 60 bis 70, etwa in der Automobilindustrie.
Wann wird dieses Konzept der Digitalen Fabrik Realität?
Westkämper: Die Digitale Fabrik in der vorher beschriebenen Form einschließlich der technologischen Modelle wird aller Voraussicht nach nicht vor dem Jahr 2010 realisiert. Sie wird auf jeden Fall durchgängig von allen Industrieunternehmen eingesetzt werden. Vor allem, wenn es um Planungsaufgaben geht, Optimierung notwendig ist oder logistische Fragen zu klären sind, aber auch bei Umstellungen und Umrüstungen.
Sie haben vorhin Plug-and-Play erwähnt. Welche Voraussetzungen sind dafür notwendig?
Westkämper: Zunächst einmal Standards in den Informationssystemen und in der Kommunikation der technischen Systeme untereinander. Nach wie vor haben wir den Zenit der Durchdringung von elektronischen Bauteilen in den Fabriken noch nicht erreicht. Die Maschinen müssen intelligenter werden und die Fähigkeit zur Selbstorganisation und -adaption haben. Erst dann lassen sich in einzelne Komponenten die dazugehörigen Informationen hineinbringen und die Daten über große Distanzen auslesen. Die Frage ist: Können wir auch interaktiv eingreifen?
Also werden in Zukunft Fernwartung und -diagnose zum Standard?
Westkämper: Das ist ja teilweise heute schon möglich, hinzu kommt der Teleservice. Wir gehen sogar noch einen Schritt weiter: Wir möchten aus der Ferne die Prozesse optimieren und korrigieren. Diese so genannten Teleoperations werden massiv zunehmen. Hier geht es um die Verfolgung und den technischen Support der Maschinen und Anlagen, vielleicht bis an die Grenzen des Fernbetriebs.
Wie lässt sich denn da die Sicherheit garantieren und ein Missbrauch verhindern?
Westkämper: Sicherheitsfragen und der Schutz des Know-hows sind hier neue, aber zu lösende Fragestellungen. Dabei geht es nicht darum, Kraftwerke aus der Ferne zu betreiben. In der Produktionstechnik sind jedoch viele technische Systeme und Automaten im Einsatz, die keine Sicherheitsrisiken haben. Mit den neuen technischen Möglichkeiten können wir virtuelle Arbeitsplätze schaffen und neue Wertschöpfungspotenziale entwickeln.
Wie sieht ein virtueller Arbeitsplatz aus?
Westkämper: Wir setzen VR ein, um ein Abbild des realen Geschehens zu bekommen. So lassen sich ganze Systeme, aber auch einzelne Details, etwa Messwerte, aufbereiten und auf einer großen Fläche projizieren. Dann können Fachleute, wenn sie nicht vor Ort sind, selbst über große Distanzen eingreifen und völlig unkompliziert Parameter, Steuerung, Abläufe und Prozesse verändern. Wir haben bereits im Rahmen der Expo 2000 in Hannover demonstriert, dass dies möglich ist, und sind im Augenblick dabei, dies weiterzutreiben. In unseren Experimenten möchten wir herausfinden, wie weit wir gehen können und welchen Nutzen die neuen Technologien bieten. Ein Aspekt dabei ist die Web-Fähigkeit von Einrichtungen und Maschinen, um auch das Internet zu nutzen.
Gibt es dann in den Fabriken nur noch Roboter, die miteinander kommunizieren und arbeiten?
Westkämper: Grundsätzlich führt es natürlich dazu, dass in allen Bereichen automatisiert wird. Dies ist aber nicht neu: So hat sich in der Produktion in Deutschland die Anzahl der eingesetzten Roboter jedes Jahr um 5 bis 8 % erhöht. Sie wird aber vermutlich sogar wieder abnehmen, wenn die nächste Generation doppelt so schnell arbeitet oder noch flexibler einsetzbar ist. Durch technologische Entwicklungen, durch das Simulieren und Optimieren, werden wir in den nächsten zehn Jahren Leistungssprünge von 30 bis 40 % erreichen. Etwa die Hälfte der Maschinen wird dann ausreichen, um dasselbe Ergebnis zu erzielen. Die Fabriken werden also immer kleiner, die Zahl der Arbeitsplätze wird auf jeden Fall abnehmen.
Welche Aufgabe bleibt dann noch für den Menschen in der Fabrik der Zukunft?
Westkämper: Bei der Gestaltung, beim Entwickeln, beim Betreiben und beim Engineering wird der Mensch immer dabei sein. Im Taylor'schen Sinn wird er zum Scientific Manager, der Wissen und Methoden einsetzt, um den Betrieb zu optimieren. Wenn wir an die Grenzen gehen und diese sogar überwinden wollen, brauchen wir den Menschen. Denn nur er kann Sach- und Wirkzusammenhänge erkennen. Deshalb werden die Qualifikationsanforderungen im industriellen Bereich weiter zunehmen.
Das Interview führte Evdoxia Tsakiridou