Pictures of the Future   Herbst 2007

Die grenzenlose Fabrik

Um schneller, effizienter und flexibler produzieren zu können, muss die Kommunikation stimmen – und zwar durchgehend vom Büro bis in die Fabrik. Ob per Kabel oder drahtlos, Siemens bietet die jeweils passende Übertragungstechnik an.

Angenommen, Sie wollen einen neuen Sportwagen kaufen. Wie würden Sie ihn bestellen? Schwarz, helle Sitze, oder weiß mit silbernem Seitenteil oder rot und mit Schaltgetriebe statt Automatik? Die verschiedenen Geschmäcker haben enorme Auswirkungen auf die Produktionsindustrie: Die Hersteller müssen flexibler auf die wachsende Typenvielfalt reagieren. Bereits heute wird auf einer Lackierstraße die eine Karosserie grün, die nächste blau und die dritte weiß gespritzt; Stoßstangen und Sitze müssen jeweils passend montiert werden.

Diese Individualisierung ist jedoch nur einer der Trends, die die Produktionsprozesse verändern werden. "Auch die Zeit von der Idee bis zur Auslieferung des fertigen Produkts wird immer kürzer", sagt Dr. Heiner Röhrl, Leiter Industrial Communication bei Siemens Automation and Drives (A&D) in Nürnberg. Das hat Auswirkungen auf alle an einem Produkt beteiligten Partner – vom Produktdesigner über den Konstrukteur bis hin zu Lieferanten und Distributoren. Sie alle müssen immer schneller auf die für sie relevanten Produktdaten zugreifen können.

"Deshalb", erklärt Röhrl, "sollen alle mit der Fertigung verbundenen Daten möglichst nur einmal erhoben und in einer für alle nutzbaren Datenbank gespeichert werden." Und zwar für das Warenwirtschaftssystem ebenso wie für die Entwicklung, für die Produktionssteuerung und die Buchhaltung (siehe  Zukunft der Fabriken –Trends und  Product Lifecycle Management). Bürowelt und Produktionshalle wachsen zusammen, weltweit über Standorte und Ländergrenzen hinweg. "Die Vision der grenzenlosen Fabrik", sagt Röhrl. Der Datenstrom reicht von der Maschinenhalle bis zur Managementebene. "Diese nahtlose Kommunikation erschafft eine gemeinsame Datenbibliothek, auf deren Grundlage die jeweiligen Fertigungsprozesse viel flexibler und schneller konfiguriert werden können."

Dafür müssen die lokalen Netzwerke aller Partner Daten austauschen können. Bisher arbeiten sie meist mit eigenen Standards. Es bedarf also eines Mediums, das über alle lokalen Schnittstellen hinweg Informationen übermittelt. "Dieses Transportmedium wird Ethernet sein", ist Röhrl überzeugt. Ethernet ist keineswegs neu: Seit über 30 Jahren werden damit Büro-Computer miteinander verbunden, seit über 20 Jahren findet es als Industrial Ethernet in Produktionsleitsystemen Anwendung. Doch jetzt erobert es auch die Steuerung der einzelnen Produktionsmaschine in der Fabrikhalle.

Keine Wartezeit für Daten. Dafür muss es sehr viel härteren Anforderungen gerecht werden: "Das gilt vor allem für die Datenübermittlung in Echtzeit", erläutert Ewald Kuk, Leiter des Produktmanagements bei Industrial Communication. "Im Büro-Ethernet muss ein Datenpaket auch mal warten, wenn die Datenautobahn gerade belegt ist." Doch bei Produktionsmaschinen, deren Steuerung oft im Milli- und Mikrosekundenbereich erfolgt, ist das undenkbar. "Stellen Sie sich eine Druckmaschine mit mehreren Walzen vor. Läuft eine Walze nicht absolut synchron mit den anderen, ist das Ergebnis unbrauchbar. Deshalb haben wir ein Industrial Ethernet entwickelt, das eine ‚Fahrspur’ stets für zeitkritische Daten freihält." (siehe Pictures of the Future, Herbst 2005,  Industrienetze). Weil Industrial Ethernet auf dem Standard der Büronetzwerke basiert, gibt es hier bei der Verknüpfung keine Schnittstellenprobleme.

Nicht alle Produktionsbereiche lassen sich per Kabel verbinden: An schwer zugänglichen Stellen, bei fahrerlosen Transportsystemen oder rotierenden Teilen empfiehlt sich eine drahtlose Anbindung. So fertigt Audi den Sportwagen R8 mit IWLAN (Industrial Wireless Local Area Network): Die Rohkarossen sind auf einer um 360 ° drehbaren Tragvorrichtung montiert. Dadurch können die Schraubroboter jeden Winkel erreichen. Weil IWLAN auf dem WLAN-Standard aufsetzt, ist es einfach an bereits existierende Netzwerke und Ethernet anzubinden.

Dabei stellt sich bei den drahtlosen Verbindungen zusätzlich zu den Echtzeit-Anforderungen eine weitere Herausforderung: die zuverlässige Verfügbarkeit: "Während man beim Handy einfach neu wählt, verursacht eine Funkunterbrechung in der Produktion schon nach wenigen Minuten teure Verluste", erläutert Kuk. Deshalb stellt IWLAN unter anderem durch redundante Antennen, reservierte Datenraten, eine zeitüberwachte Signalübermittlung und Roamingverfahren eine ständige Verbindung sicher. "Bei dieser drahtlosen und sicheren Datenübertragung hat Siemens dank seiner patentgeschützten Innovationen mindestens eineinhalb Jahre Vorsprung gegenüber dem Wettbewerb", fügt Kuk stolz hinzu.

Technisch ist IWLAN sehr komplex, weil es in einer Produktionshalle zahlreiche Störquellen gibt: Maschinen aus Metall, elektromagnetische Strahlung, extreme Temperaturen oder Erschütterungen. Spezielle Gehäusematerialien der Empfänger und eine entsprechende Lagerung der Platinen in der Produktfamilie Scalance W von Siemens lassen die Verbindung nie abreißen. Verschlüsselungen und Zugriffskontrollen wehren Angriffe von außen ab. Einen ganz neuen Aspekt kabelloser Sicherheit stellte Siemens auf der Hannover Messe 2007 vor: die drahtlose Not-Aus-Funktion. "Mit unserem IWLAN kann man erstmals eine Anlage nicht nur sicher beobachten, sondern auch rundum sicher bedienen", betont Kuk. Bisher waren die Not-Aus-Kreise stets über eine separate Verkabelung gelöst. Jetzt wird das Notsignal über die reservierte Datenrate sicher und in Sekundenbruchteilen übermittelt.

Aufgrund der steigenden Leistungsfähigkeit vieler Komponenten wird die industrielle Kommunikation noch nahtloser und erreicht jetzt auch die unterste Steuerungsebene in der Produktion: die Sensor-Aktor-Ebene. Sensoren erfassen Parameter wie Abstände, Geschwindigkeiten oder Umgebungsdaten. Damit helfen sie bei der Überwachung der Anlagen und dienen der Steuerung, indem sie mit Stell- und Regelgliedern (Aktoren) verbunden sind.

Mit intelligenten Algorithmen und immer höherer Rechnerleistung auf immer kleineren Chips bieten diese Sensornetze jedoch eine völlig neue Möglichkeit: die Selbstorganisation. Dabei fahren sich einzelne Sensoren selbsttätig hoch, erkennen benachbarte Sensoren und beginnen mit ihnen zu kommunizieren. Fällt ein Sensor aus, geben andere die Nachricht weiter.

Der Aufbau heißt mesh network, weil die Sensorknoten wie Maschen miteinander verbunden sind. Das unterscheidet die vermaschten Netze von den bisherigen sternförmigen Architekturen, bei denen jeder Knoten nur mit bestimmten Nachbarn kommunizieren kann. "Selbstorganisation macht drahtlose Systeme flexibler und robuster, gleichzeitig sinken die Kosten für Planung und Betrieb deutlich", sagt Dr. Rainer Sauerwein, der darüber bei Siemens Corporate Technology forscht. "Das gilt besonders, wenn die Topologie des Netzes nicht planbar ist." Das ist etwa der Fall, wenn ein Lastzug zwischen zwei Öltanks einer Raffinerie fährt und die Funkverbindung unterbricht. Um Sensoren möglichst flexibel in der Produktion einsetzen zu können, arbeiten er und seine Kollegen an neuen drahtlosen Kommunikationstechniken. Diese dürfen durch andere Funkfelder im Fabrikumfeld nicht gestört werden. "Der dafür interessanteste Standard ist derzeit Ultrabreitband (Ultra-Wide Band, UWB). Er nutzt im Gegensatz zum schmalbandigen IWLAN ein sehr breites Frequenzband und eignet sich gut für ‚mesh networks’ und für eine genauere Lokalisierung", erklärt Sauerwein.

Die Daten aus dem Sensornetz können dann über ein so genanntes Gateway, das die Daten vorverarbeitet, an einen IWLAN-Empfänger oder direkt an das Ethernet gehen und von dort weiter in alle nachgeordneten Systeme – wenn es sein muss, bis in die Buchhaltung. "Aber für die", lächelt Produktmanager Kuk, "sind exakte Umdrehungszahlen der Werkzeugmaschinen wohl weniger interessant."

RFID-Chip für Eier. Andere Daten wären durchaus von Interesse für die Buchhaltung, etwa Lieferdaten. Die Technologie dafür heißt: Radio Frequency Identification (RFID). Die kleinen Transponder kleben auf Werkstücken oder Waren und speichern Fertigungs- und Identifikationsdaten, die sie an Lesegeräte funken (siehe Pictures of the Future, Herbst 2005,  RFID).

Bisher waren sie vor allem im geschlossenen Kreislauf einer Fabrikhalle im Einsatz. Doch mittlerweile erschließen sie sich auch andere Bereiche. Ein Beispiel: Die spanische Grupo Leche Pascual, die täglich rund zwei Millionen Eier zu Milchprodukten und Teigwaren verarbeitet, verwendet seit Mitte 2006 RFID-Technik von Siemens für ihre Zulieferkette: Die Transportwagen, auf denen die Eier die Hühnerfarmen verlassen, tragen RFID-Transponder. Ab der Verladung registriert das System Herkunft, Menge, Gewicht und per Sensor die Transporttemperatur sowie via Global Positioning System (GPS) die Route der Lkws. In der Fabrik werden die Daten auf Unregelmäßigkeiten geprüft, um Qualitätseinbußen oder Materialverluste auszuschließen. Die Herkunft der Zutaten ist so lückenlos dokumentiert. Und die Buchhaltung erhält die Lieferdaten in Echtzeit für die Abrechnung.

Damit solche Informationsströme auch über Länder- und Branchengrenzen hinweg möglich sind, ist noch einige Standardisierung nötig. "Am Ende wird es einen Baukasten von drahtlosen und drahtgebundenen Techniken geben, aus dem wir für die unterschiedlichen Produktionsprozesse das jeweils optimale Übertragungsmedium auswählen", sagt der Siemens-Experte Röhrl. Weil diese Medien nahtlos ineinander greifen, wächst der weltweite Fertigungsverbund immer enger zusammen. Wenn dann Ihr Auto in die Werkstatt muss, meldet sein RFID-Transponder, wann es wo gefertigt wurde und – dank Sensor – was ihm fehlt. Ersatzteile werden automatisch bestellt. Der Lieferant weiß, wann er den Transport einplanen muss. Nur einbauen muss Ihre Werkstatt die Teile noch selbst.
                                                                                                                Dagmar Braun