Die smarte Robot Factory im Brownfield

Das Open Industry 4.0 Alliance-Mitglied KUKA hat die Nase vorn: Fertigungszellen im laufenden Betrieb mit der Cloud verbinden und im Sinne von Smart Factory umwandeln. Das gelang nur dank der Teamarbeit zwischen Alliance-Mitgliedern, allen voran Fujitsu, SAP und 3d Signals. Dank ihrer Verbindung zur Cloud erreichen KUKA-Roboter höhere Durchsätze, Fertigungstransparenz sowie Predictive Maintenance.

Die Smart Factory Realität werden zu lassen, erfordert Kooperation. 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. Das herausragende Merkmal dieses Anwendungsbeispiels ist die Art der Umsetzung. Ausgangspunkt waren weder fabrikneue Komponenten noch ein „Versuchsaufbau“ in einer Ecke der KUKA-Zerspanung. Entsprechend der Philosophie der Allianz wurde die Anwendung mit Komponenten implementiert, die schon seit einiger Zeit in Betrieb sind, also im sogenannten „Brownfield“. Das bedingte auch ein paar kleine Retrofits, etwa mit 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 quasi 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.“ 

Open Industry 4.0 Alliance

Die Open Industry 4.0 Alliance wurde im Frühjahr 2019 auf der Hannover Messe gegründet. Sie versteht sich als partnerschaftlicher Zusammenschluss führender europäischer Industrieunternehmen, die sich pragmatisch an der Umsetzung herstellerübergreifender Industrie-4.0-Lösungen und -Services beteiligen. Zur Philosophie der OI4 gehören Interoperabilität und Offenheit, die sich beispielsweise in der Nutzung bestehender Standards niederschlagen. Statt proprietärer Insellösungen soll ein durchdachtes und perfekt aufeinander abgestimmtes Industrie-4.0-Ökosystem aufgebaut werden. Es geht also darum, eine Interoperabilitätsplattform für existierende Standards zu schaffen.

Die KUKA-Fertigungszelle in der hauseigenen Zerspanung

„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 mit Hilfe 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 KUKA auf die moderne Industrie 4.0-Architektur der Allianz. „In vereinfachter Darstellung lässt sich diese Architektur durch vier Ebenen beschreiben: Manufacturing Components (Anlagen), Edge-Controller, IIoT- Plattform und User Interface“, so Liedtke weiter.

Die Verbindung 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 an unsere Operator-Cloud weitergegeben“, berichtet Bastian Jehl, Industrial Internet of Things Solution Engineer bei KUKA. „In der Cloud selbst werden dann Services wie Authentifizierung, Datenverarbeitung, vorausschauende Wartung und Ereignisauswertung bereitgestellt. Derzeit erhalten unsere Werktätigen mittels 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“, so Jehl. 

OI4-Architektur

Die Architektur der OI4 beruht auf der Nutzung von Industriestandards, wie OPC UA und offenen Schnittstellen (API), sowie einer durchgängigen Semantik, um eine Interoperabilität der Softwarelösungen unterschiedlichster Hersteller zu ermöglichen. Dadurch sind die Kommunikation und der Datenaustausch zwischen den Produkten gewissermaßen per Plug-and-play möglich.

Digitaler Zwilling erhöht Projektnutzen

Im Projekt-Beitrag des Alliance-Mitglieds SAP spielt auch der „Digitale Zwilling“ eine Rolle: Die Daten des physischen Produkts werden als Digitaler Zwilling 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 auch Dokumentationen, 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. 

Die Lösung 3d Signals aus Israel umfasst eine cloudbasierte Lösung und ein IoT-Gerät, das Echtzeit-Algorithmen und KI zur automatischen Erkennung des Maschinenzustands und des Bearbeitungsprozesses für eine Vielzahl von Maschinen und Prozessen anwendet. Der Datenfluss erfolgt von einem Connectivity-Box-Gerät zur Fujitsu Edge via der 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.

„Mit unseren Produkten stehen wir für die digitale Transformation in der Produktion mit dem Fokus auf schnellem Einsatz, vollständiger Abdeckung der Fabrikhalle und schnellem ROI für unsere Kunden“, sagt Ofer Affias, Gründer & CTO von 3d Signals. Die Dashboard-Lösung des Unternehmens visualisiert Echtzeitdaten und Analysen für die beiden Heller-Maschinen in kürzester Zeit durch eine nicht-invasive und maschinenunabhängige Installation von Multifunktionssensoren. Die KI-basierte Asset Performance Monitoring-Plattform wandelt die gesammelten Daten in umsetzbare Erkenntnisse für Kuka um und bietet zahlreiche Business Intelligence- und Analyse-Tools in der Cloud.

Die zwei Phasen des Projekts

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 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. 

Unternehmen mit hoher digitaler Affinität vernetzen

Das Referenzprojekt bei KUKA zeigt anschaulich, wie sich die Kompetenzen der beteiligten Partner gezielt bündeln und dadurch sehr gute Ergebnisse erzielen lassen. Das Projekt demonstriert eindrucksvoll den wichtigsten Zweck der Open Industry 4.0 Alliance – nämlich gleichgesinnte Industrieunternehmen mit hoher digitaler Affinität so zu vernetzen, dass sich neue Synergien optimal nutzen lassen. Dies trägt entscheidend dazu bei, den Industrie 4.0-Gedanken effektiv voranzutreiben und praktisch fertige digitale Workflows für die Kunden zur Verfügung zu stellen.

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