Entwicklung der Fabrikintelligenz: Von menschlicher Expertise zur intelligenten Automatisierung

Der Wandel der Intelligenz in der Fertigung

Intelligente Fabriken gibt es seit den Anfängen der Fertigung, doch die Intelligenz – definiert als Erwerb und Anwendung von Fertigungswissen – residierte ausschließlich beim Personal der Fabrik.

Von NC/CNC zur digitalen Vernetzung

Mit dem Aufkommen der numerischen Steuerung (NC) und später der computergestützten numerischen Steuerung (CNC) erhielten Werkzeugmaschinen digitale Ein- und Ausgabe-Fähigkeiten, waren aber noch nicht „intelligent“. Digital gesteuerte Maschinen waren zwar zunehmend produktiver, besaßen jedoch kein Bewusstsein für sich selbst, ihre Umgebung oder die auszuführenden Aufgaben.

Trotz dieser Beschränkungen wurde zentrale Fabrikintelligenz in bescheidenem Maßstab durch einen deterministischen, niedrigstufigen Satz digitaler Befehle und Reaktionen erreicht. Ein Experiment zur großskaligen zentralen Fabrikintelligenz war das Manufacturing Automation Protocol (MAP) von General Motors aus dem Jahr 1982, das über das Token-Bus-Netzwerkprotokoll (IEEE 802.4) operierte. Das MAP-Experiment endete 2004, da die Aufrechterhaltung der betrieblichen Zuverlässigkeit schwierig war.

Gründe für das Scheitern zentraler Ansätze

Ein Hauptgrund war mangelnde Systemresilienz, ein Nachteil der erforderlichen deterministischen Kommunikationsstandards und -protokolle. Ein weiterer Grund: Verbundene Maschinen konnten nicht einmal auf einem minimalen Niveau weiterarbeiten, wenn Anweisungen vom zentralen System ausblieben.

Eine Analogie bietet die Mainframe-Terminal-Infrastruktur, die in den 1990er Jahren durch PCs und verteiltes Rechnen obsolet wurde. Mehrere wesentliche Veränderungen haben die Entwicklung intelligenter Maschinen für die intelligente Fabrik ermöglicht:

1. Erweiterung der Ethernet-LAN-Infrastruktur in die Fertigung

Die allgegenwärtige IT-Ethernet-Infrastruktur wurde auf den Shopfloor ausgedehnt, was schnelle 3D-Downloads von modellbasierten Definitionen (MBD) und Uploads von Prozess- und Produktdaten ermöglicht.

2. Intelligente digitale Zwillinge

Heutige digitale Zwillinge sind „smart“, da sie nicht nur ihre Fähigkeiten und ihren Betriebsstatus kennen, sondern auch die Arbeit, die an einem bestimmten MBD durchgeführt werden kann. So können intelligente Maschinen Aufgaben „bieten“, ähnlich wie ihre menschlichen Partner. Der digitale Zwilling einer intelligenten Maschine benötigt keine deterministischen Low-Level-Anweisungen, sondern reagiert auf ein übermitteltes MBD und führt – falls ausgewählt – echte Arbeit mit seinem physischen Gegenstück aus.

3. Standardisierte Kerntechnologien für das Industrial Internet

Drei standardisierte Kerntechnologien – HTML, CSS und JavaScript – ermöglichten die breite Adoption des Internets und das Entstehen intelligenter globaler Systeme. Es wird erwartet, dass ähnliche standardisierte Kerntechnologien das Industrial Internet und die Fabrikintelligenz in der diskreten Fertigung ermöglichen. Führende Industrial-Internet-Standards sind:

• STEP (ISO 10360) für modellbasierte Definitionen
• MTConnect für Prozessdaten
• Quality Information Framework (QIF) für Produktdaten

STEP trägt den Großteil, wenn nicht alle, der Design-Absicht als 3D-semantisches Modell in einem nicht-proprietären Format, das aus dem nativen Master-Modell eines CAD-Systems abgeleitet ist. MTConnect ermöglicht computergestützten Fertigungsmaschinen, strukturierte, kontextualisierte Prozessdaten in einem nicht-proprietären Format zu konsumieren und zu produzieren. QIF ermöglicht das Gleiche für computergestützte Messgeräte. Alle drei Standards und ihre initialen Implementierungen zeigen Fortschritte in den Metriken der Fertigungsreife.