Expertenbeitrag

 Maximilian Fischer

Maximilian Fischer

Co-Founder, Actyx

Prozessorchestrierung IIoT Die Symphonie des Shop-Floors - das fehlende Puzzle der Industrie 4.0

Autor / Redakteur: Maximilian Fischer / Stefan Guggenberger

Trotz der technologischen Fortschritte plagen sich viele Fabriken immer noch mit Problemen, welche die Industrie 4.0 längst gelöst haben sollte. Wieso wir auf dem Shop-Floor eine bessere Orchestrierung von Mensch, Roboter und Maschine brauchen.

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Die Potenziale der Industrie 4.0 können nur voll ausgeschöpft werden, wenn alle Komponenten auf dem Shop-Floor koordiniert zusammenarbeiten.
Die Potenziale der Industrie 4.0 können nur voll ausgeschöpft werden, wenn alle Komponenten auf dem Shop-Floor koordiniert zusammenarbeiten.
(Bild: Actyx)

Industrie 4.0 hat vor einigen Wochen sein 10-jähriges Jubiläum gefeiert. Deutschland ist stolz darauf einen weltweit anerkannten Begriff geprägt zu haben. In einem Beitrag in der FAZ im März 2021 singen Henning Kagermann und Wolfgang Wahlster, prägende Personen für den Begriff Industrie 4.0, Lobeshymnen auf die Fortschritte, die in den letzten Jahren erreicht wurden. Können wir damit aber wirklich zufrieden sein? Es ist keine Frage, dass sich in den letzten Jahren viel getan hat - neue technische Entwicklungen vom Internet der Dinge, Cloud Computing oder AR/VR bieten neue Möglichkeiten.

Aber was hat sich eigentlich wirklich in Fabriken verändert? Funktionieren Fabriken wirklich fundamental anders, besser, effizienter, flexibler als noch vor einigen Jahren? Viele Fabriken plagen immer noch oft scheinbar einfache Probleme wie beispielsweise fehlendes Material an der Maschine oder falsche Maschineneinstellungen, die Stillstände oder erhöhten Ausschuss erzeugen. Wie kann das heute bei all diesen scheinbaren technologischen Durchbrüchen eigentlich noch sein?

Fortschritt konzentriert sich zu sehr auf einzelne Komponenten

In der Praxis fehlt ein zentrales Stück beim Thema Industrie 4.0, etwas was heute noch nicht gelöst ist - die optimale Orchestrierung der Maschinen, Roboter und Menschen auf dem Shop-Floor. Viele technische Entwicklungen konzentrieren sich viel zu sehr auf die Verbesserung der einzelnen Komponenten. Ja, kollaborative Roboter sind extrem nützlich, genauso wie Systeme zur schnellen Programmierung von Robotern oder Augmented Reality zur intelligenten Unterstützung von Werkern auf dem Shop-Floor.

Dennoch sind diese Technologien nur nützlich, wenn sie miteinander vernetzt und gut aufeinander abgestimmt sind. Der beste Roboter bringt mir nichts, wenn der Gabelstaplerfahrer nicht rechtzeitig das Material liefert oder abholt. Nur wenn der Logistikmitarbeiter oder das autonome Transportfahrzeug optimal orchestriert sind, lassen sich die Vorteile der Digitalisierung in vollem Maße realisieren.

Um es mit einer Analogie aus dem Sport zu beschreiben - Robert Lewandowski ist einer der besten Fußballspieler der Welt, aber nur im perfekten Zusammenspiel mit seinen Mitspielern. Der heutige Fokus der Technologien liegt darauf, Lewandowski noch schneller zu machen, ihm mehr Tricks beizubringen und ihn fester schießen zu lassen. Lewandowski funktioniert aber nur, wenn er den Ball von seinem Mitspieler zum perfekten Zeitpunkt, in der richtigen Passstärke bekommt - das Team muss perfekt orchestriert werden - erst dann kommen Lewandowskis Stärken voll zum Tragen.

Die Koordinationen auf dem Shop-Floor braucht neue Ansätze

Eine analoge Abstimmung der Prozesse limitiert das Potenzial von Fabriken.
Eine analoge Abstimmung der Prozesse limitiert das Potenzial von Fabriken.
(Bild: Actyx)

Ist das eigentlich nicht das was uns das Internet der Dinge versprochen hat? Alles digital und voll-vernetzt? Leider nein. IoT oder für Fabriken - Industrial Internet of Things (IioT) - fokussiert sich sehr auf das Thema Datenerfassung; transparente Maschinenperformance oder die Lokalisierung von Material sind nur Beispiele der heutigen Interpretation von IIoT. Das Zusammenspiel von Maschinen, Robotern und Menschen wird aber meist nicht digitalisiert. Um in der Analogie des Sports zu bleiben: heutiges IIoT ist der Chip im Fussballschuh, der es ermöglicht, zu tracken, wie viele Kilometer der Spieler in welchem Tempo gelaufen ist. Das ist natürlich nicht nur für Zuschauer interessant, sondern auch für die Trainer nützlich. Es führt aber nicht dazu das Joshua Kimmich in der richtigen Sekunde den Ball in der richtigen Stärke zu Lewandowski spielt.

Genau das ist das fehlende Puzzlestück bei Industrie 4.0. Und dieses Problem zu lösen ist nicht trivial. Es ist genau das was Systeme wie Salesforce für Vertriebs- und Marketingprozesse oder SAP für Geschäftsprozesse bereits realisiert haben - die Automatisierung von Tätigkeiten und die digitale Koordination von Prozessen zwischen verschiedenen Mitarbeitern und Funktionen. Nicht umsonst sind diese Systeme weltweit im Einsatz. Um das gleiche für Maschinen, Roboter und Menschen auf dem Shop-Floor zu realisieren braucht es neue Ansätze. Insbesondere gibt es zwei Eigenschaften im Fabrikumfeld die eine Realisierung besonders schwierig machen:

  • 1. Heterogene Prozesse: Die Prozesse in Fabriken deutlich heterogener als dies bei Vertriebs-, Marketing- oder Buchhaltungsprozessen der Fall ist. Der Wettbewerbsvorteil von Fabriken liegt in der speziellen Art und Weise, wie Produkte gefertigt werden. Selbst bei Fabriken der gleichen Industrie sind Maschinen und Prozesse oftmals unterschiedlich. Hier braucht es ein hochflexibles System, was in der Lage ist, die unterschiedlichen Workflows und Prozesse zu digitalisieren. Dabei spielen sich diese unterschiedlichen Prozesse zwischen Hunderten oder Tausenden von verschiedenen Mitarbeitern und Maschinen ab. Klassische Programmieransätze aus der Welt der Maschinensteuerungen kommen hier schnell an ihre Grenzen.
  • 2. Komplexe Umgebung: Der Shop-Floor ist keine einfache Umgebung für IT-Systeme. Hunderte von Maschinen und Menschen müssen vernetzt werden, teils mit Feldbussen, WLAN oder LAN. Maschinen erzeugen Interferenzen, Gabelstaplerfahrer fahren in das Außenlager, Maschinen gehen in den Notaus, oder Hardware-Geräte werden beschädigt. Ständig verändert sich etwas im Netzwerk. Gerade wenn man Maschinen in Zukunft immer flexibler nutzen will und Maschinenmodule per Plug-and-Work flexibel zu neuen Produktionslinien zusammengesteckt werden. Dennoch muss Software in der Umgebung unglaublich zuverlässig sein, sonst bekommt der Roboter nicht rechtzeitig sein Material zum Arbeiten. On-premise oder Cloud-Systeme mit zentralen Servern und damit Single-Point-of-Failures haben in dieser Umgebung meist große Schwierigkeiten.

Lokale Kommunikation und kein zentraler Server

Mit Local-First-Cooperation kann die Prozessmodellierung vereinfacht und eine dezentrale Edge-Computing-Architektur errichtet werden.
Mit Local-First-Cooperation kann die Prozessmodellierung vereinfacht und eine dezentrale Edge-Computing-Architektur errichtet werden.
(Bild: Actyx)

Ein neuer technologischer Ansatz verspricht, eine Lösung für diese Herausforderung zu bieten - Local-First-Cooperation. Der Ansatz beruht darauf, dass Software ausschließlich lokal auf Computern (Smartphones, Tablet, Gateways) ausgeführt und Daten lokal gespeichert werden. Geräte kommunizieren direkt im peer-to-peer Verfahren miteinander. Dadurch dass es keinen zentralen Server mehr gibt, Software rein on-the-edge und offline-fähig ausgeführt wird, steigt die Zuverlässigkeit enorm und ist ein Vielfaches höher als bei On-Premise oder Cloud-basierten Client-Server-Systemen.

Die Programmierung der Interaktion zwischen den Geräten, beispielsweise für die Orchestrierung von Staplerfahrer und Roboter, erfolgt über ein event-getriebenen Programmieransatz bei dem Prozesse in Local-Twins zerlegt werden. Local-Twins repräsentieren physische Dinge (z.B. Roboterverhalten) oder Konzepte (z.B. Transportaufträge). Diese digitalen Prozesse laufen dann automatisch auf den jeweiligen Edge-Geräten und interagieren über Schnittstellen oder Benutzeroberflächen mit der realen Welt.

Mit diesem neuartigen Ansatz können Prozesse sehr flexibel und schnell abgebildet werden. Local-Twins können beliebig zu unterschiedlichen Prozessen kombiniert werden. Der Local-Twin eines Roboters kann nicht nur mit dem Gabelstapler interagieren, sondern genauso auch mit der Produktionsmaschine. Die Local-Twins sind auch vollständig abstrahiert, also ist es egal, ob es ein ABB- oder Kuka Roboter ist, solange der gleiche digitale Prozess abbildet werden soll. Digitalisierung von Prozessen ist dadurch nicht mehr eine Sache von Monaten oder Jahren, sondern von Tagen oder Wochen. Es bleibt spannend, ob sich dieser Ansatz durchsetzen wird.

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