INTERVIEW

"Störanfällige Vorlaufplanungen ablösen"

Ansätze, die immer aufwändigere Steuerungstechnik zu vereinfachen, gab es unter Automatisierern schon viele. Das jüngste Forschungsprojekt einer selbststeuernden Produktion setzt auf hochminiaturisierte Kleinstrechner und Funkverbindungen. Was mit ihnen erreicht werden könnte, erklärt Eckhard Hohwieler, wissenschaftlicher Koordinator des Projekts SOPRO (Selbstorganisierende Produktion) am Fraunhofer IPK, in einem Exklusivinterview mit ATZproduktion.

Herr Hohwieler, nach den Vorstellungen der Forschungsinitiative SOPRO soll sich die Produktion der Zukunft selbst steuern. Wie kam es zu dieser Idee und auf welchen Technologien bauen Sie auf?
Das Fraunhofer IZM entwickelte vor einiger Zeit so genannte "eGrains". Dabei handelt es sich um autonome miniaturisierte Funksensorknoten. Sie bestehen aus Sensoren, einer eigenen Datenverarbeitung, einer Funkeinheit zur drahtlosen Kommunikation sowie einer eigenen Energieversorgung. Ursprüngliche Anwendungsmöglichkeiten wurden im Cargo-Monitoring der Logistikbranche oder auch bei der Reifendrucküberwachung gesehen. SOPRO setzt auf diese Arbeiten auf. Im Zentrum unserer Arbeiten steht eine Weiterentwicklung zu noch stärker miniaturisierten Prozess-eGrains. Zudem sollen die Fähigkeiten der Prozess-eGrains sowie der im Projekt entwickelten Software für die Selbstorganisation in der Produktion untersucht werden.

Wie darf man sich das Wirken dieser Prozess-eGrains vorstellen?
Vom Grundsatz handelt es sich um hochminiaturisierte Kleinstrechner, die an Werkstücken, Maschinen oder Transportsystemen angebracht und so über die gesamte Fertigungshalle verteilt sind. Durch diese Bestückung an Prozesskomponenten und Fertigungsressourcen mit dezentraler Intelligenz können wichtige Informationen verteilt erfasst und gespeichert werden, um Produktionsabläufe fehlertoleranter oder einfacher zu gestalten.

Worin unterscheiden sich die eGrains von der bislang bereits verfügbaren Identtechnologie?
Während die Identtechnologie meist Lesegeräte im Betrieb voraussetzen, sollen eGrains in der Lage sein, aktiv und selbstständig Adhoc-Netzwerke zu bilden. Damit ist für den Betrieb keine weitere Infrastruktur mehr erforderlich. Weiterhin besitzen die eGrains mehr Speicher als die bisherigen Identverfahren und die Fähigkeit, Informationen auch ohne äußere Anregung autark zu verarbeiten. Gegenüber heutiger Funksensorik stellen nicht zuletzt auch die Miniaturisierung, die Robustheit und die extreme Energieeffizienz innovative Unterschei-dungsmerkmale von eGrains dar.

Welche Kommunikationsstrategien und Technologien verfolgen die eGrains untereinander und mit ihrer Umgebung?
Wir betrachten ein zweistufiges Netzwerk. Ein Backbone-Netz gestützt aus verkabelten oder mit WLAN ausgestatteten eGrains, die sich an Maschinen befinden und dem Ad-Hoc-Netzwerk zwischen den mobilen eGrains. Die Maschinen-eGrains senden Signale aus, damit jeder mobile eGrain Informationen zum nächstgelegenen Backbone-Knoten erhält. Ein Datenpaket folgt dieser Spur bis zum nächsten Backbone-Knoten, der dann die teurere Routensuche übernehmen kann. Beiden Ansätzen ist gemein, dass wir die Reaktivität so minimal wie möglich halten wollen. Reaktives Routing würde bedeuten, dass bei Bedarf einer Nachrichtenübertragung erst die Route zum entsprechenden Knoten ermittelt werden müsste.

Anlässlich der Fachmesse Productronica im vergangenen November hieß es, erste Teilanwendungen seien auf dem Weg zur Marktreife. Worum handelt es sich dabei?
Das ist so nicht ganz richtig. Bei SOPRO handelt es sich um ein vom BMBF gefördertes wissenschaftliches Vorprojekt. Deshalb konnte nach der kurzen Projektlaufzeit bislang noch kein System installiert werden, das die volle Komplexität des industriellen Alltags abbildet. Auf der Sonderschau "Selbstorganisierende Produktion" konnten die Besucher jedoch einen ersten Eindruck über die Fähigkeiten der selbstorganisierenden Produktion erhalten. Dazu haben wir eine kleine Pilotanlage aufgebaut und demonstrierten die Grundidee der Selbstorganisierenden Produktion an virtuellen Teilen und Maschinen.

Wie stellen Sie sicher, nicht an den Industrie-Bedürfnissen vorbei zu entwickeln?
Schon vor der Beantragung des Forschungsprojekts wurden mit einem vom VDMA einberufenen Industriearbeitskreis, dem unter anderem Volkswagen, Siemens und MAG angehören, relevante und interessierende Anwendungsszenarien erörtert. Diese wurden dann als erste Applikationen Bestandteil der im Projekt zu entwickelnden Demonstrationsszenarien: Selbstorganisation in der Fertigungssteuerung, in Maschinen und bei der flexiblen Montage.
Auf Veranstaltungen wie der Productronica suchen wir überdies den Dialog mit der Industrie und fragen gezielt nach erforderlichen Fähigkeiten des Systems. Weiterhin verfügt das Projekt über einen Industriebeirat, der aus seiner Sicht wichtige Fragestellungen zum Projekt einbringt. Diese werden bei der Bearbeitung der jeweiligen Themenfelder beachtet.

Wie lauten Ihre konkreten Visionen für Einsatzszenarien in der Automobil- und Zulieferindustrie?
Die Vorteile der selbstorganisierenden Produktion kommen bei der Fertigung kleiner Losgrößen und in Betrieben, deren Produktpalette häufig wechselt am besten zur Geltung. So gesehen wird die aktuelle Situation in der Automobil- und Zulieferindustrie in unserem Projekt exakt abgebildet. Alleinstellungsmerkmal der Produktionstechnik ist dort die Fertigung kundenindividueller Erzeugnisse. Vor dem Hintergrund der explodierenden Variantenvielfalt ist ja nicht nur der Fertigungsauftrag, sondern auch der Produktionsablauf für das individuell zu fertigende Stück einzigartig.
Eine durch intelligente Werkstücke und Maschinen am Entscheidungsort durchgeführte Fabriksteuerung wäre in der Lage, die heute übliche, störanfällige Vorlaufplanung abzulösen. Der nächste Arbeitsplatz wird vielmehr im Dialog zwischen den Werkstücken und Ressourcen ausgewählt. Sobald ausreichend Bauteile verfügbar sind, wird der Montagevorgang eingeleitet. Und bei technischen Störungen werden die Aufträge selbsttätig umgeleitet. Dadurch kann sich der Mensch auf lokal nicht entscheidbare Probleme konzentrieren.

Welche Vorteile ergäben sich für die Anwender aus diesen Szenarien?
Durch die dezentrale Abstimmung der beteiligten Partner kann schnell auf Änderungen der Rahmenbedingungen reagiert werden. Sei es der Ausfall einer Maschine oder eines Werkzeugs, das Fehlen eines Bauteils durch Verzug der Just-in-Time-Lieferung oder ein bevorzugt zu behandelnder Auftrag. Daraus erwachsen vier Felder erhöhter Wirtschaftlichkeit: ein verringerter Planungsaufwand, eine bessere Qualität der Entscheidungen, verzögerungsfreie Entscheidungen sowie eine hohe Flexibilität beim Einpflegen neuer Ressourcen.

Haben Sie Schnittstellen zu anderen visionären Entwicklungen wie die Steuerung beweglicher Produktionseinrichtungen via Satellitenortung vorgesehen?
Die Integration eines Ortungssystems wird in der Tat angestrebt. Die Verwendung von Satelliten-basierten Systemen in Innenräumen ist aber technisch nicht sinnvoll, da nur bei direkter Sichtverbindung ohne Mehrwegeausbreitung und Reflexionen eine sinnvolle Genauigkeit im Bereich unter 1 m möglich ist. Wir streben statt dessen den Einsatz eines Indoor-RealTimeLocationSystem (RTLS) an. RTLS können in entsprechend funktechnisch ausgeleuchteten Arealen die mit entsprechenden Transpondern ausgestatteten Objekte lokalisieren.
RTLS-Transponder haben nach den genannten Normen der ISO grundsätzlich auch die Grundfunktion von RFID-Tags. Daraus könnte sich zusätzlicher Nutzen generieren lassen.

Zahlreiche Ansätze zur Selbststeuerung in der Produktion, zum Beispiel via Bluetooth oder RFID, konnten sich bislang nicht so recht durchsetzen. Warum wird es SOPRO schaffen?
SOPRO umfasst die gesamte Produktion und nicht nur ihren logistischen Teil. Auch eine Überwachung einzelner Prozessparameter, wie etwa der Bearbeitungstemperatur oder des Schneidkantenradius, sind Bestandteil des Systems. Bei Überschreitung bestimmter Grenzwerte wird eine Anpassung der Bearbeitungsparameter vorgenommen. Ein solch umfassendes System gibt es zur Zeit noch nicht auf dem Markt.

Wann wird die Technik für den industriellen Einsatz zur Verfügung stehen, und mit welchen Investitionen ist sie verbunden?
Eine Zeitschätzung ist beim aktuellen Stand des Projektes schwer, da wir noch in den Anfängen stecken. Voraussichtlich ist in den nächsten drei Jahren mit einem Prototypen im realen Einsatz zu rechnen, sodass in den darauf folgenden Jahren eine marktreife Version angestrebt werden kann. Und was die Kosten für einen Prozess-eGrain angeht, haben wir uns zum Ziel gesetzt, die heutigen Kosten eines RFID-Tags nicht zu überschreiten.

Herr Hohwieler, vielen Dank für das Gespräch.

Autor(en): Stefan Schlott