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Die Fabrik, die mitdenkt

Verteilte Intelligenz statt zentraler Steuerung in der Smart Factory
Die Fabrik, die mitdenkt

Wenn von der digitalisierten Wirtschaft die Rede ist, denken die meisten sofort an Google, Facebook, Amazon, Zalando und Co. Dass die Digitalisierung aber auch Folgen für die Wirtschaft hat, wird beim Thema „Smart Factory“ deutlich: Hier dreht sich alles um die digitale Unterstützung der Produktion. Im Kern geht es dabei darum, die Möglichkeiten moderner Hard- und Software auf die Mechatronik, also z.B. Sensoren und Aktuatoren in Produktionsprozessen zu übertragen.

Nikolai Ensslen ist President & CEO der Synapticon GmbH in Filderstadt-Plattenhardt

Eine der Hauptfragen lautet dabei: Wie können Menschen und Maschinen in digitalen Produktionsprozessen zusammenarbeiten? In Fabriken, in denen heute Roboter zum Einsatz kommen, sind diese meist hinter Gitterkäfigen versteckt, um mit den menschlichen Kollegen nicht ins Gehege zu kommen. In der Smart Factory wird sich dies fundamental ändern. Hier arbeiten Roboter zusammen und kommunizieren miteinander. Roboter werden zu wahren Mit-Arbeitern und lernen sogar von ihren menschlichen Kollegen, indem sie sicher mit diesen Hand in Hand arbeiten oder deren Vorgehen imitieren.
Dies bedeutet auch, dass die Aktivitäten der Maschinen nicht mehr zentral gesteuert werden, sondern sich je nach Aufgabenstellung an der aktuellen Situation ausrichten. Die Roboter werden also in die Lage versetzt eigenständig, in Kommunikation mit anderen Maschinen oder in der Interaktion mit menschlichen Kollegen das bestmögliche Vorgehen auszuwählen.
Diese Intelligenz erfordert die entsprechenden Voraussetzungen. Die aktuellen, zentralisierten Architekturen widersprechen diesem neuen Konzept. Die Smart Factory verlangt nach einer Struktur, in der die Maschinen, beispielsweise ein Roboterarm, ihre Umwelt wahrnehmen, auswerten, Entscheidungen treffen und diese autonom ausführen. Es ist eine lokale und zugleich vernetzte Intelligenz erforderlich, die solche interoperierenden Anwendungen ermöglicht. Sprich: Einerseits autonome Entscheidungen und zugleich ein aufeinander abgestimmtes Vorgehen, damit am Ende des Produktionsprozesses maximale Effizienz erzielt wird.
Die Anwendungsintelligenz an sich ist dabei die eine Herausforderung, die übergreifende Kommunikation aller betroffenen Systeme und Subsysteme miteinander die andere. Ein wichtiger Ansatz hierfür ist der Einsatz einer Message-orientierten Middleware für Service-orientierte Systemarchitekturen, mit möglichst global abgestimmter, anwendungsspezifischer Semantik, die es den unterschiedlichen Systemebenen, von Sensor und Aktuator bis hin zum Cloud-Dienst erlaubt, in einer gemeinsamen Sprache zu kommunizieren. Am Ende kann so eine Umgebung, in der via „Plug an Play“, wie wir es vom PC kennen, sich der Rechner und der Drucker auf Anhieb verstehen, auch in großen Fabrikhallen Realität werden.
Benötigt werden auch Werkzeuge, die die Entwicklung von solchen Anwendungen mit verteilter Intelligenz ermöglichen. Die Software, die heute in einer zentralen Steuereinheit steckt, muss dann auf einzelne Komponenten übertragen werden. Diese Reaktionsfähigkeit einzelner Komponenten ist heutzutage vor allem in der Servicerobotik schon gefragt. Hier wurden in der Vergangenheit schon wichtige Grundlagen für das Konzept der Smart Factory geschaffen: Standards zum Daten- und Befehlsaustausch, wiederverwertbare Softwarekomponenten und intelligente Elemente, die ihre Informationen aus Sensordaten erhalten.
Die Grundlagen sind also vorhanden
Kommunikationsstandards und Entwicklungs-Tools sind dabei aber nicht alles. Was in den Überlegungen zur intelligenten Fabrik oft vergessen bzw. unterschätzt wird, ist die notwendige nahtlose Verbindung von Software mit der physikalischen Realität. Die heute für die Ansteuerung von Sensorik und Aktorik üblichen Elektronikbausteine, Microcontroller und Signalprozessoren, sind den bevorstehenden Aufgaben aufgrund ihrer begrenzten Leistungsfähigkeit und Flexibilität nicht gewachsen. Steuerungs- und Regelungsmodelle stützen sich hier auf in der Hardware fest verbaute Beschleuniger und Schnittstellenimplementierungen, die gängigen Architekturen sind stark sequenziell orientiert und nicht skalierbar. Vollständig Software-definierte Lösungen sind dadurch nicht möglich und die Entwicklung neuer Hardware für die Realisierung neuer lokaler Anwendungsintelligenz im Feld meist unumgänglich. Für Echtzeitverhalten werden Betriebssysteme benötigt, die den Software-Stack verkomplizieren und tendenziell unzuverlässiger machen. Der Einsatz konfigurierbarer Halbleiter wie FPGAs, die hier prinzipiell eine flexiblere und sehr leistungsfähige Alternative darstellen, kommt aufgrund der aufwendigen, oft mehr als die zehnfache Zeit beanspruchenden Entwicklung zunehmend nicht mehr in Frage.
XMOS hat mit seiner xCore-Technologie vor wenigen Jahren einen völlig neuen Prozessortyp eingeführt, der vollständig Software-definierte, hoch leistungsfähige und Echtzeit-deterministische Kommunikations-, IO- und Regelungsanwendungen ermöglicht. Synapticon hat diese Technologie früh als ideale Basis für Cyber-physikalische Systeme identifiziert und hat daher Somanet, die Kernproduktlinie seiner Dynarc-Plattform von vorn herein mit XMOS-Prozessoren entwickelt. Heute bietet Synapticon ein breites Spektrum an XMOS-basierten Hardware-Modulen und Soft-IP für industrielle Kommunikation, Sensoranwendungen, Motor- und Motion Control sowie für den Aufbau von Cyber-physikalischen Systemen optimierte Entwicklungswerkzeuge an. XMOS und Synapticon stellen damit einen Baukasten für Lösungen in der Smart Factory bereit.
Die Grundlagen sind also vorhanden. Mit dem Internet of Things hat ein weiterer Trend Fahrt aufgenommen, der direkt auf die Themen Industrie 4.0 und Smart Factory zielt. Es haben sich Konsortien und Plattformen gebildet, die hierfür Standards erarbeiten. So sollte in den kommenden fünf Jahren der Wandel hin zur Smart Factory spürbar beschleunigt werden. Denn von diesem Wandel können und werden auch viele kleine, innovative und bewegliche Unternehmen profitieren. So ist es beispielsweise schon bemerkenswert, wie es Tesla als Newcomer gelingen konnte, innerhalb der Automobilbranche das Thema „Elektromobilität“ zu dominieren.
Synapticon verfolgt genau dieses Ziel: Eine der fundamentalen Veränderungen der Wirtschaft antizipieren und durch eigene Entwicklungen mitgestalten. Synapticon beteiligt sich in Europa und USA aktiv an der Entwicklung. Die Zusammenarbeit mit XMOS stellt dabei ein wichtiges Element dar. Beide Unternehmen wollen ihre Technologie künftig noch stärker kombinieren und kostengünstige Single-Chip-Lösungen auf den Markt bringen. Damit rücken die intelligenten Fabriken, die bisher aus Kostengründen und aufgrund technologischer Herausforderungen meist nur am Reißbrett existieren, ein ganzes Stück näher.

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