«Innovative Lösungen für die Umsetzung der Digitalisierung können nicht von einem Unternehmen allein generiert werden», betont Stefan Schimon, der neue Präsident des Clusters Swiss Mechatronics. «Dazu sind Spezialisten sehr unterschiedlicher Wissensgebiete nötig; Experten für die mechatronischen Produkte müssen eng zusammenarbeiten mit Experten für die Vernetzung und die Datenanalyse. Wir brauchen hier die besten Köpfe beieinander.“« Bestes Beispiel für eine solche Zusammenarbeit ist der Industrie 4.0 Demonstrator des Instituts für Mechatronische Systeme, IMS der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften, ZHAW. Verschiedene Mitglieder des Clusters beteiligten sich an dem Projekt. Profitieren können nun auch die Studierenden und Industriepartner der ZHAW. Die Anlage wird künftig als erste digitale Lernfabrik der Schweiz sowohl für die Lehre als auch für Forschung und Weiterbildung zur Verfügung stehen (www.zhaw.ch/ims).
Praxisbeispiel mit digitalem Zwilling
«Mit unserem Demonstrator wollen wir in Echtzeit die Vorteile des Einsatzes von Industrie 4.0 an einem realen Beispiel aus der industriellen Praxis veranschaulichen», erklärte Hans Wernher van de Venn, Professor am Institut für Mechatronische Systeme, IMS der ZHAW, Gründungspräsident und derzeit Vize-Präsident von Swiss-Mechatronics. «Der implementierte Prozess umfasst die Konfiguration und Bestellung eines Kugelschreibers durch den Kunden per App, Priorisierung und Produktion des Kugelschreibers auf einer der drei Fertigungslinien sowie die Übergabe an den Besteller.» Die Anlage besteht aus einzelnen cyberphysischen Arbeitsstationen, die miteinander vernetzt sind. Der Carrier, auf dem das Produkt die Fertigungslinie durchläuft, enthält einen RFID-Chip, in dem alle produktionsrelevanten Informationen gespeichert sind. Das Produkt wird auf diese Weise intelligent und teilt den an seiner Fertigung beteiligten Systemen mit, welche Arbeitsschritte wann und wie ausgeführt werden müssen. Die Anlage besitzt einen Digitalen Zwilling, also ein virtuelles 3D-Modell, das mit Daten aus der Sensorik der Anlage gefüttert wird. Der Zustand der Systemkomponenten wird aufgrund der Datenlage des Digitalen Zwillings berechnet und visualisiert. Mit einer Augmented-Reality-Brille ist es zusätzlich möglich, an der Anlage den inneren Zustand von Komponenten zu betrachten; also quasi durch das Gehäuse hindurch ins Innere zu sehen. Insbesondere für die vorausschauende Wartung von Anlagen ist der Digitale Zwilling von zunehmender Bedeutung.
Daten in der Cloud
Alle Daten, die die Anlage im Betrieb generiert, werden in eine Cloud übertragen und dort gespeichert. Das Thema Datensicherheit – gegen Verlust oder Fremdzugriff – ist in diesem Zusammenhang für Unternehmen sehr relevant. «Viele Unternehmen schrecken vor Cloud-Lösungen genau aus diesem Grund zurück. Dabei muss man sich, gerade als KMU aber fragen, ob man selbst die Ressourcen und Experten hat, um Daten im eigenen Haus sicher aufzubewahren, oder ob sie vielleicht bei einem professionellen IT-Dienstleister nicht doch besser aufgehoben sind. Darüber hinaus gibt es Private Clouds oder Hybrid-Lösungen, bei denen der Anwender bestimmt, wo seine Daten gespeichert werden», erläutert van de Venn.
Doch die Cloud ist mehr als ein grosser Datenspeicher. In ihr werden die Daten mit Hilfe von künstlichen Intelligenz-Algorithmen hinsichtlich benutzerdefinierter Fragestellungen analysiert, beispielsweise, welche Anlagenteile anfällig, welche Umgebungsbedingungen abträglich sind. Mit den Analyseergebnissen kann nicht nur der Betrieb der eigenen Anlage optimiert werden, sondern auch der Betrieb von vernetzten ähnlichen Anlagen. Durch die Verwendung von OPC-UA als produktunabhängiges, universelles Kommunikationsprotokoll sind Anlagenteile und Komponenten des Demonstrators austauschbar. OPC-UA wird auch für die Schnittstelle zur Cloud verwendet. Einziger Wermutstropfen: Die Implementierungen des Protokolls sind derzeit bei den Herstellern unterschiedlich ausgereift.
Bedienung über sicheres, kabelloses Eingabegerät
Ein am Demonstrator beteiligter Kooperationspartner ist die Sigmatek Schweiz AG. «Das Projekt des Instituts für Mechatronische Systeme der ZHAW soll die Vorzüge von Industrie 4.0 und Digitalem Zwilling veranschaulichen. Wir fanden das toll und waren sofort mit dabei. Dabei war es von Vorteil, dass wir schon sehr früh den Nutzen des offenen Kommunikationsprotokolls OPC-UA erkannt und bei all unseren Geräten implementiert haben», erklärte Beat Meili, Geschäftsführer der Sigmatek Schweiz AG. «Wir stellen für den Demonstrator ein 19"-Multitouch-Bedienpanel für die Tragarm-Montage und ein 10"-Wireless- Multitouch-Bedienpanel mit integrierter Safety-Funktionalität zur Verfügung.» Das Panel für die sichere kabellose Kommunikation unterstützt die Sicherheitsnorm bis SIL3/ Ple und eignet sich sehr gut für den sicheren Einrichtbetrieb der Maschine. Da die Sicherheitsanforderungen sehr hoch sind, besitzt das Panel zwei WiFi-Antennen, die zweikanalig mit verschiedenen Frequenzen mit einer Dockingstation kommunizieren. Entfernt sich der Bediener mit dem kabellosen Panel zu weit von der Dockingstation, ertönt ein Warnsignal. Wird die Verbindung zur Station auf einer oder auf beiden Frequenzen unterbrochen, wird ein Notaus-Signal generiert.
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