Brownfield und Retrofit Die Roboter von Kuka arbeiten jetzt digital

Mit bestehenden Robotern einen digitale Arbeitsumgebung aufbauen: Am Beispiel Kuka zeigt die Open Industry 4.0 Alliance, wie sich eine analoge zu einer digitalen Produktion wandelt. Das ist mit Teamarbeit der Allianz möglich.

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Roboter bei der Arbeit: In der smarten Fabrik sind die Zerspannroboter untereinander und mit der Cloud vernetzt.
Roboter bei der Arbeit: In der smarten Fabrik sind die Zerspannroboter untereinander und mit der Cloud vernetzt.
(Bild: Kuka)

In der smarten Fabrik bauen Roboter Roboter. Das haben sie auch schon vorher getan. Doch jetzt tun sie es verästelt bis in die Cloud. Mit allen Vorteilen wie höherer Durchsatz, komplette Transparenz in der Fertigung und schließlich vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance), um damit Stillstand zu verhindern.

Doch der Weg zur smarten Fabrik ist aufwendig und Hilfe ist nötig. Kooperationen sind sinnvoll. Das haben bereits mehr als 85 nationale und globale Industrieunternehmen erkannt und sich in der Open Industry 4.0 Alliance im Rahmen von multilateralen Partnerschaften zusammengeschlossen.

Die Roboter bei Kuka und der Brownfield-Ansatz

Die Roboter von Kuka sollen als Beispiel dienen: Das wohl herausragende Merkmal des Beispiels Roboterbau ist die Art der Umsetzung. Notwendig sind weder fabrikneue Komponenten noch irgendein Versuchsaufbau in einer Fabrikecke. Das entspricht ganz der Philosophie der Allianz. Es kommen nur Komponenten zum Einsatz, die schon seit einiger Zeit in Betrieb sind. Also mit dem sogenannten Brownfield-Ansatz. Außerdem waren einige kleine Retrofits notwendig. Etwa Maschinen und Software, die nicht von Allianz-Mitgliedern stammen, aber gleichwohl in den Ablauf eingebunden werden mussten.

Zum Thema Brownfield und Retrofitting erläutert Nils Herzberg, Sprecher der Allianz und Senior Vice President sowie Global Head for Strategic Partnerships for Digital Supply Chain & Industrie 4.0 bei SAP: „Die zusätzliche Herausforderung, vor der wir alle stehen, besteht darin, dass in den Fabriken einige dieser Maschinen 30 Jahre alt sind und sie nicht wissen, was IIoT oder Smart Factory bedeuten. Daher gibt es eine große Anzahl von Retrofit-Anforderungen, die sich auf das Thema Interoperabilität beziehen und die meiner Meinung nach ein zusätzliches Element zur Komplexität hinzufügen.“

Analoge und digitale Produktion

„Unsere vollautomatisierte und vernetzte Roboterzelle verbindet die analoge und digitale Welt der smarten Produktion“, sagt Dr. Christian Liedtke, Head of Strategic Alliances bei Kuka. Ein Roboter vom Typ KR 500 L480-3MT greift Gussbauteile mithilfe pneumatischer Greifer der Firma Zimmer auf und führt sie einem der Heller-Bearbeitungszentren zu. Nachdem die Bauteile gebohrt und gefräst sind, werden sie in der Außenposition vom Roboter noch entgratet und anschließend entnommen.

Um beide Bearbeitungszentren aus insgesamt vier Zuführstationen versorgen zu können, ist der Roboter auf der Lineareinheit KL 1500-3 verbaut. Mit Senseforge von Altran kann zudem gezielt die Temperatur und Abkühlzeit der Werkzeuge überprüft werden. Bei der Vernetzung der Produktionszelle mit den CNC-Maschinen setzt der Roboterbauer auf die Industrie 4.0-Architektur der Allianz. „In vereinfachter Darstellung lässt sich die Architektur durch vier Ebenen beschreiben: Manufacturing Components (Anlagen), Edge-Controller, IIoT- Plattform und User Interface“, so Liedtke weiter.

Arbeiten in die Cloud auslagern

Die Schnittstelle zur digitalen Welt erfolgt durch die Vernetzung aller beteiligten Komponenten miteinander und mit der Cloud. „Die Daten werden in einem Edge-Gateway von Fujitsu gesammelt und die Kuka Operator Cloud weitergegeben, die von unserer Digitaltochter Device Insight entwickelt und betrieben wird“, berichtet Bastian Jehl, Industrial Internet of Things Solution Engineer bei Kuka. „In der Cloud selbst werden dann Services erfolgen wie Authentifizierung, Datenverarbeitung, vorausschauende Wartung und Ereignisauswertung bereitgestellt.

Derzeit erhalten unsere Werktätigen über 3d Signals einen Überblick über das Geschehen in den Heller Bearbeitungszentren“, ergänzt Jehl. Mittels der eingerichteten Architektur der Open Industry 4.0 Alliance laufen die Daten via MQTT-Broker über die eigene Cloud des Kunden. Der Kunde wird die Auswahl und Darstellung der Daten aus den verschiedensten Quellen mit passenden Dashboard-Werkzeugen nach seinen Bedürfnissen zuschneiden. „Der Kunde besitzt die Datenhoheit und entscheidet, wie der Datenfluss erfolgt“, sagt Jehl.

Jetzt kommt der digitale Zwilling

Im Projekt-Beitrag des Alliance-Mitglieds SAP kommt der digitale Zwilling zum Zug: Die Daten des physischen Produkts werden als sein digitales Pendant letztlich in der Kuka-Cloud einseh- und auswertbar. Zugang zum Zwilling bekommen die Anwender über das SAP Asset Intelligence Network (AIN), bei dem neben dem Zwilling Dokumentationen und Zertifikate, aber auch Instandhaltungsanleitungen hinterlegt sind. Der Nutzen des SAP AIN aus der Sicht der Open Industry 4.0 Alliance: Ein Hersteller stellt seine Stammdaten für ein bestimmtes Modell zur Verfügung. Kunden, die dieselbe Maschine nutzen, übernehmen diese einfach und verbinden sie mit ihren bereits vorhandenen Daten.

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Die Lösung 3d Signals aus Israel umfasst eine Cloud-basierte Anwendung und ein IoT-Gerät, das Echtzeit-Algorithmen und Künstliche Intelligenz (KI) einsetzt, um den Maschinenzustand zu erkennen und den Bearbeitungsprozess für eine Vielzahl von Maschinen und Prozessen anwendet. Der Datenfluss erfolgt von einem Connectivity-Box-Gerät zur Fujitsu Edge via Kuka-Cloud und schließlich zu 3d Signals. Die 3d Signals Cloud präsentiert ein Dashboard, das Daten und Prozesse in der Heller-Zelle für den Nutzer übersichtlich zusammenfasst. Außerdem übernahmen die Spezialisten die Einbindung der Heller-Bearbeitungszellen mittels Sensoren, da Heller nicht Mitglied der Allianz ist.

Echtzeitdaten und Analysen visualisieren

Das Dashboard von 3d Signals visualisiert Echtzeitdaten und Analysen für die beiden Heller-Maschinen durch eine nicht-invasive und maschinenunabhängige Installation von Multifunktions-Sensoren. Die KI-basierte Asset-Performance-Monitoring-Plattform wandelt die gesammelten Daten in umsetzbare Erkenntnisse für die Kuka-Roboter um und bietet zahlreiche Business-Intelligence- und Analyse-Tools in der Cloud.

In der Software-Architektur insgesamt kommen Protokolle und Standards wie OPC-UA und MQTT sowie proprietäre Protokolle auf der Fujitsu-Edge-Ebene zum Einsatz. Auf der Cloud Computing Plattform Microsoft Azure IoT Edge werden die Prozesse von Device Insight orchestriert und via Message-Bus, dem MQTT-Broker, an andere Instanzen weitergegeben, etwa an die 3d Signals Cloud, Siemens MindSphere und an SAP AIN.

Das Referenzprojekt gliedert sich in zwei Phasen:

  • Der erste Abschnitt – die komplette Digitalisierung der Fertigungszelle nach Brownfield-Gesichtspunkten bei laufender Fertigung – ist erfolgreich abgeschlossen.
  • In der nun laufenden zweiten Phase werden die Prozesse anhand von praktischen Erfahrungen und vorausschauenden Analysemethoden kontinuierlich optimiert.

Das Referenzprojekt bei Kuka zeigt, wie sich die Kompetenzen der beteiligten Partner gezielt bündeln und dadurch sehr gute Ergebnisse erzielen lassen. Das Projekt demonstriert den wichtigsten Zweck der Open Industry 4.0 Alliance – ein gleichgesinntes Industrieunternehmen mit hoher digitaler Affinität so zu vernetzen, dass sich neue Synergien nutzen lassen.

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