Die als Industrie 4.0 bezeichnete Dezentralisierung der Automatisierungslogik in der Produktion macht schnelle, ausfallsichere Kommunikationsnetzwerke erforderlich, beides mit uneingeschränkter Offenheit. Hinzu kommen enorme Datenmengen, die aufgrund der Vernetzung von Maschinen und Anlagen über Unternehmensgrenzen hinweg bewältigt werden müssen.

In Zeiten von Industrie 4.0 können produktionsrelevante Prozesse über Unternehmensgrenzen hinweg miteinander vernetzt und aufeinander abgestimmt werden. Was die Flexibilität erheblich erhöht, bringt aber auch enorme Datenmengen mit sich, die durch ausfallsichere Kommunikationssysteme bewältigt werden müssen. Bewährt hat sich hier die Offenheit des Kommunikationsprotokolls Powerlink, das auf Ethernet basierend die Kommunikation sowohl mit Fremdsystemen in der Fabrikhalle als auch mit IT-Systemen im Bürobereich erleichtert. Bei Leitsystemen können Maschinenverbünde sowie die Gebäudetechnik über Powerlink zu einer integrierten Produktionsanlage zusammengefasst werden.
Der zweite Schritt auf dem Weg zu einer flexiblen und damit adaptiven Produktion ist die Verteilung der Intelligenz innerhalb der Einzelmaschine über eine Echtzeit-Ethernet-Plattform. Ermöglicht wurde diese durch dezentrale Steuerungs- und I/O-Systeme sowie durch Motorantriebseinheiten mit eigener Intelligenz, die zudem den Bau modularer Maschinen mit im Betrieb veränderlichen Konfigurationen erlauben.
Parallel dazu entstanden auf dem Gebiet der Software für die Produktentwicklung und -herstellung durchgängige Konzepte, mit denen das Wissen und die Intentionen der Produktentwickler ohne Übertragungsverluste bis in die Fertigung durchschlagen können. So ist es möglich, aus CAD-Geometriedaten die NC-Programme für die bearbeitenden Maschinen und aus Baugruppeninformationen Daten für die Produktionsplanung und -simulation zu generieren. Daten der Kinematik- und Dynamiksimulation beweglicher Teile aus CAE-Programmen lassen sich in Programmcodes für die Maschinen- und Anlagensteuerung ebenso übersetzen wie Prozessgleichungen aus mathematisch-modellbasierten Simulationspaketen.
Indessen hat sich im Büro- und Privatnutzerbereich das Internet etabliert und neue Methoden zur Datenverwaltung und -nutzung geschaffen. Einzelne große Rechner mit zentraler Datenhaltung wurden durch eine große und ständig wechselnde Anzahl kleiner Einheiten im weltweiten Zugriff, Top-down-Befehlsstrukturen durch Anfragebeantwortung nach dem Client-Server-Prinzip sowie Verweisen und Suchmechanismen zur Auffindung der relevanten Daten im Netz abgelöst.

Schnelle Datenkommunikation bis zum Sensor

Diese Mechanismen für die industrielle Produktionstechnik nutzbar zu machen, ist das Ziel eines Förderprogrammes der deutschen Bundesregierung. In diesem Zusammenhang ist häufig die Rede von Industrie 4.0, also einer vierten industriellen Revolution. Gemeint ist damit ein Paradigmenwechsel in der Ablaufkette von Produktionsprozessen. Produkt- und Prozessinformationen werden dezentralisiert, wobei die Verarbeitung im Sinne eines Internets der Dinge erfolgt, also auf Basis cyber-mechanischer, mit dem Werkstück transportierter und per Verweis aus einer Datenwolke zu beziehender Informationen.
Diese Veränderungen in der Methodik von Produktionssteuerungsabläufen hin zu einer über das zu bearbeitende Werkstück bedarfsgesteuerten Maschinenkonfiguration, Werkzeug- beziehungsweise Materialwahl und Bearbeitung geht mit weiteren Anforderungen an die industrielle Kommunikation einher. „Die zu transportierenden Datenmengen steigen rapide an, ebenso die Anzahl der zu synchronisierenden Bewegungsachsen", so Stefan Schönegger, Geschäftsführer der EPSG. „Das verlangt nach schneller Datenkommunikation bis zum einzelnen Sensor oder Aktor, und zwar mit harter Echtzeitfähigkeit auch in sehr großen Netzwerken. Wie kein anderes System auf dem Markt erfüllt Powerlink diese Anforderungen bereits heute."

Dynamische Offenheit mit Ausfallsicherheit

Das hoch-automatisierte Miteinander unterschiedlicher Systeme erfordert, das Ausfallrisiko zu minimieren. „Auch hier verfügt Powerlink mit Steuerungs- und Leitungs-Redundanz ohne spezielle Rechner-Hardware bereits über die nötigen Voraussetzungen", so Stefan Schönegger.
Eine weitere Anforderung an industrielle Kommunikationsnetzwerke ist ihre Interoperabilität mit Fremdsystemen. „Es ist schlicht unvorstellbar, dass ein einziger Anbieter die beste Lösung für jede Teilproblematik hat", bemerkt Schönegger. „Eine gut ausgeprägte Kompatibilität mit existierenden Systemen und eine große Offenheit der Technologie sind von entscheidender Wichtigkeit."
Ein Aspekt, der in der Diskussion über Industrie 4.0 bislang kaum beleuchtet wurde, ist die Sicherstellung des Arbeitnehmerschutzes. Gleichzeitig müssen Produktionsabläufe extrem flexibel sein und dürfen nicht behindert werden. „Einzelmaschinen in Sicherheitskäfigen einzuhausen ist nicht zielführend", ist Schönegger überzeugt. „Die Maschinen und Fertigungszellen sollen in Abhängigkeit des Werkstückes, das gerade gefertigt wird, ihre Konfiguration anpassen können. Dazu werden Maschinenmodule hinzugenommen oder ihre Reihenfolge wird geändert."

Sicherheit muss grenzenlos sein

„Feldbusintegrierte Sicherheits-Steuerungssysteme sind eine Voraussetzung für den modularen Maschinenbau. Das vom Feldbustyp unabhängige Sicherheitsprotokoll OpenSafety ermöglicht darüber hinaus die sicherheitstechnische Ausstattung von Maschinen oder Modulen, die mitunter über unterschiedliche Protokolle kommunizieren", so Schönegger. „So ist es mit OpenSafety möglich, ganze Produktionslinien inklusive aller dynamisch konfigurierbaren Elemente in einer gemeinsamen sicheren Einheit zusammenzufassen." Zudem bietet das System Möglichkeiten, auf trennende Schutzgitter zu verzichten - etwa mit der sicher begrenzten Geschwindigkeit am Werkzeugmittelpunkt bei Robotern oder überhaupt von durchgängig sicheren komplexen Kinematiken.
Diese Eigenschaften als Voraussetzung für die Verwendung in zukünftigen hochflexiblen Produktionsanlagen verdankt OpenSafety seiner namensgebenden Offenheit, bestätigt Schönegger. „Proprietäre Systeme waren gestern. Offenheit ist die Basis für die echte Revolution von Industrie 4.0."