Fabrikautomation weiter denken: Die Zukunft beginnt jetzt

Einführung: In neue Richtungen denken

| In der Evolution der Fertigung hat die Fabrikautomation seit jeher eine entscheidende Rolle gespielt, beginnend bei der manuellen Kontrolle durch Relais und Schalter bis hin zur Gegenwart mit modernen digitalen Plattformen. Frost & Sullivan hat sechs Technologien identifiziert, die die Fabrikautomation neu definieren werden. Es sind dies die Künstliche Intelligenz, Augmented Reality, Edge Computing, Blockchain, Autonome Systeme und Kognitives Engineering.

Strukturen veralten

Viele Hersteller, die mit ihren bewährten Maschinen und Produktionsprozessen bislang führende Marktpositionen innehatten, werden sich bald damit auseinandersetzen müssen, dass ihr Angebot entweder als überholt gilt oder dass sie zumindest von neuen Wettbewerbern mit innovativen Ideen herausgefordert werden.

Neue Architektur erforderlich

Dieser Wandlungsprozess macht ein Um- und Neudenken der Fabrik-automation erforderlich, mit anderen Worten: Es erfordert eine neue Architektur, mit der sich die komplexen und anspruchsvollen Herausforderungen der Zukunft bewältigen lassen.

Quantensprung steht bevor

Anders als in den letzten Jahrzehnten, die durch eine schrittweise Entwicklung gekennzeichnet waren, steht der Branche nun gewissermaßen ein Quantensprung bevor, der im Hinblick auf die Fabrikautomation eine komplett neue Sichtweise und einen neuen Denkansatz erfordert und vermutlich viele alte Regeln überholen wird.

Die sechs Schlüsseltechnologien der Veränderung

• Künstliche Intelligenz: An erster Stelle steht dabei der Einsatz der Künstlichen Intelligenz (KI) ein Begriff, der verschiedene Technologien umfasst: Maschinelles Lernen (ML), Deep Learning (DL), neuronale Netze (NN) und natürliche Sprachverarbeitung (NLP). Die Rolle der KI in der Automation kann stark variieren: So kann KI beispielsweise Design-Teams zu innovativen Ideen verhelfen oder Kontrollsysteme durch ML-Algorithmen zu kontinuierlichem Prozesslernen und zu ständigen Verbesserungen befähigen. Der Mehrwert der KI in der Automation ergibt sich primär aus maschinellem Lernen, wodurch eine Erschließung der bisher ungenutzten riesigen Mengen an Produkt- und Prozessdaten möglich wird.
• Augmented Reality (AR): Der Mitarbeiter der Zukunft hat nicht mehr lediglich Zugang zu den wichtigsten Kenngrößen (KPIs) des Produktionsprozesses, sondern wird in Echtzeit mit umfassenden visuellen Kontextinformationen versorgt. Augmented Reality (AR), die zweite Schlüsseltechnologie, wird quasi zum dritten Auge des Fabrikarbeiters: Sie erweitert seine visuelle Wahrnehmung und gibt ihm zusätzliche Orientierung an seinem Arbeitsplatz.
• Edge Computing: Bei Edge Computing, der nächsten Schlüsseltechnologie, handelt es sich um ein vergleichsweise reifes Konzept, das bereits Einzug in viele Fabriken gehalten hat. Die Idee von Edge-Analytik besteht darin, die funktionale Kapazität von Automationssystemen wie speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) zu erweitern, ohne alle entscheidenden Daten in eine externe Cloud transferieren zu müssen. Dies spart nicht nur Zeit und Mühe, sondern gewährleistet Datenanalyse vor Ort, eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und eine robuste Cyber-Sicherheit.
• Blockchain: Die nächste Schlüsseltechnologie ist Blockchain. Ursprünglich ein Konzept aus dem Umfeld digitaler Kryptowährungen könnte Blockchain ihren Einfluss über Finanzdienstleistungen hinaus in den Fertigungssektor ausdehnen, dort vor allem in den Bereich der Supply-Chain-Logistik. Dieser Ansatz befindet sich noch in einem frühen Stadium, jedoch bietet er die Möglichkeit mittels Blockchain Prozesse zu automatisieren, sichere Transaktionen zu gewährleisten und Transparenz in das Netzwerk zu bringen und eröffnet somit zahlreiche, vielversprechende Möglichkeiten für die Fabriken von morgen.
• Autonome Systeme: Konventionelle Automationssysteme sorgen dafür, dass einfache Prozesse mit minimaler menschlicher Intervention ablaufen können. Nun könnten sich Hersteller bald in einem Szenario wiederfinden, in dem Menschen nicht nur Aufgaben delegieren, sondern mit einer weiteren Schlüsseltechnologie zusammenarbeiten: mit autonomen Systemen, die in der Lage sind zu denken und zu handeln.
• Kognitives Engineering: Auch bei der sechsten Schlüsseltechnologie – dem kognitiven Engineering – spielt KI eine Rolle. Aller Voraussicht nach werden kognitive Systeme, die menschliche Prinzipien wie Wissen, Kontextbewusstsein und situative Intelligenz kombinieren, in Zukunft die Automatisierung zahlreicher Engineering-Aufgaben ermöglichen. Ein kognitives Engineering-System wird Analysen schneller durchführen können als ein Mensch, ohne Ermüdung, Ablenkung oder Vergesslichkeit.

Mehrwert durch Wandel

Von der Automation zur Autonomie

Autonomie bedeutet, dass jede Anlage in der Werkshalle in der Lage ist, sich selbst zu kontrollieren und selbstständig Entscheidungen zu treffen, um im Falle eines Problems unabhängig geeignete Maßnahmen zu dessen Behebung ergreifen zu können.

Zahl autonomer Systeme nimmt um ein Vielfaches zu

Autonome Systeme mit einem größeren Blickfeld, einem hohen Maß an Mobilität und operativer Flexibilität sind nichts komplett Neues. Allerdings dürfte sich die Zahl autonomer Systeme in der Industrieumgebung um ein Vielfaches erhöhen. Ihr Einsatz in der Fertigung eröffnet Chancen für mehr Produktivität, Flexibilität und Zuverlässigkeit. Sie bringt zudem einen Mehrwert in einem starken Wettbewerbsumfeld und trägt einem Älterwerden der Belegschaft Rechnung.

Autonomie: ganz neue Dimension

Trotz aller begrifflichen Ähnlichkeiten besteht zwischen Automation und Autonomie ein grundlegender Unterschied. Denn während Automation vor allem die selbstständige Ausführung einer vorab definierten Aufgabe meint, erreicht das Prinzip der Selbstständigkeit bei Autonomie eine ganz neue Dimension: Hier geht es darum, Aufgaben in einem dynamischen Umfeld durch Imitation von menschlichem Verhalten zu bewältigen.

Mehr als ein Roboter

So ist ein automatisierter Roboter beispielsweise darauf trainiert, eine einzige, sich wiederholende Tätigkeit auszuführen, zum Beispiel ein Armaturenbrett bei jedem Fahrzeug an derselben Stelle zu positionieren. Ein autonomer Roboter tut dies zwar auch, erledigt aber daneben noch andere, davon unabhängige Aufgaben: So bewegt er beispielsweise Armaturenbretter von A nach B, ohne dass vorher eine Programmierung notwendig wäre.

Mit welchem Ziel autonome Systeme künftig eingesetzt werden – sei es, um Mitarbeiter in ihren physischen und intellektuellen Fähigkeiten zu unterstützen oder aber, um menschliche Interventionen komplett überflüssig zu machen – dürfte sich von Fabrik zu Fabrik unterscheiden.

Abb. Frost & Sullivan

Kognitives Engineering: Schritte in Richtung “Zero Design Engineering”

Kognitives Engineering meint die Anwendung kognitiver Psychologie auf die Funktion von Automationssystemen. Durch Fokus auf die Prozessziele sollen kontinuierliche Verbesserungen in Produkt- und Prozessdesign sowie beim Management von Produktionsanlagen erreicht werden. Die obige Abbildung stellt den Einfluss kognitiver Anwendungen auf das Design Engineering dar.

Die kognitiven Systeme von morgen werden “Wenn-dann-Algorithmen” beinhalten, die es Maschinen ermöglichen, aus ihren eigenen Erfahrungen zu lernen. Die Funktion des Design Engineering könnte damit letztlich überflüssig werden. “Zero Design Engineering” wäre eine zentrale Entwicklung, die die Standards über viele Fertigungsökosysteme hinweg grundlegend verändern würde.

Mehrwert durch Wandel

Abb.: Auf dem Weg zur Fabrik der Zukunft

Ein Blick in die Zukunft der Automation wäre nicht komplett ohne eine Konkretisierung des Mehrwertes, den diese Entwicklung bringen wird. Vorstehende Abbildung zeigt die stufenweise Entwicklung von der Fähigkeit zur Selbstoptimierung durch einen Produktionsprozess, der sich mit wenig oder ganz ohne menschliche Intervention selbst präventiv korrigiert, bis hin zur Fähigkeit zur Selbstoptimierung durch einen Produktionsprozess, der sich mit wenig oder ganz ohne menschliche Intervention selbst gestaltet. Diese Entwicklung zielt darauf, dass es dann die Möglichkeit zur Losgröße 1 gibt und letztendlich zu einer Fertigung mit negativer Latenz, also einer Fabrik, die heute schon weiß, was morgen produziert wird, wie aus obiger Abbildung ersichtlich ist.

Siehe hierzu:

Fabrikautomation weiter denken: Die Zukunft beginnt jetzt – Künftige zentrale Bausteine der Fabrikautomation, Frost & Sullivan in Zusammenarbeit mit Siemens