Open Industry 4.0 Alliance: Die smarte Robot Factory im Brownfield

"Die Smart Factory Realität werden zu lassen, erfordert Kooperation", das ist der zentrale Ansatz der Open Industry 4.0 Alliance. In ihr haben sich mittlerweile mehr als 85 nationale und globale Industrieunternehmen zusammengeschlossen. In dem aktuellen Applikationsbeispiel wird der Nutzen dieser Zusammenarbeit deutlich:

Als das herausragende Merkmal dieses Anwendungsbeispiels wird die Art der Umsetzung angegeben. So seien weder fabrikneue Komponenten noch ein „Versuchsaufbau“ in einer Ecke der Kuka-Zerspanung Ausgangspunkt gewesen. 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", heißt von Umsetzungsseite.

Kuka-Fertigungszelle goes Cloud

„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 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 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 Dr. C. 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 erfolgen 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 B. 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  verschiedenen Quellen mit passenden Dashboard-Werkzeugen nach seinen Bedürfnissen zuschneiden. „Der Kunde besitzt die Datenhoheit und entscheidet, wie der Datenfluss erfolgt“, so B. Jehl.

Die Rolle des digitalen Zwillings

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 und verbinden sie mit ihren bereits vorhandenen Daten.

Die Lösung 3d Signals aus Israel umfasst eine Cloud-basierte 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 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  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 kurzer 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.

Phase 1 abgeschlossen

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.

Fazit aus Projektphase 1

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