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Intelligente Computersysteme für die Industrie

Voll vernetzte Zukunft

Smarte IT-Systeme vernetzen sich künftig komplett selbstständig. Das revolutioniert alle Branchen – von der Logistik bis zur Medizintechnik. Aber die digitale Vernetzung birgt auch Risiken. Dafür bieten innovative Informatiker Lösungen.

Industrie 4.0 – Eingebettete Computersysteme kommunizieren miteinander – das ist die Grundlage für die neue industrielle Revolution. (© istockphoto/polygraphus) vergrößern

Industrie 4.0 – Eingebettete Computersysteme kommunizieren miteinander – das ist die Grundlage für die neue industrielle Revolution. (© istockphoto/polygraphus)

Die intelligente Fabrik der Zukunft organisiert sich selbst: Starre Produktionsstraßen werden zu modularen Systemen. Das Werkstück steuert selbstständig nicht nur seine eigene Herstellung, sondern auch gleich noch die Qualitätskontrolle. Zerspanungsmaschinen fordern automatisch den Servicetechniker für Wartungsarbeiten an. Zur Realisierung dieser neuen industriellen Revolution müssen Maschinen und Transportsysteme über IT-Systeme miteinander kommunizieren. Die Grundlage für die Vernetzung sind integrierte Computersysteme. „Von der Luft- und Raumfahrttechnik über die Automatisierung, Telekommunikation bis zu Automotive und Medizintechnik – schon jetzt wird überall mit eingebetteten Computern gearbeitet“, sagt Peter Schuller. Der Ingenieur ist bei der MicroSys Electronics GmbH verantwortlich für Microware OS-9 Vertrieb und Marketing EMEA.

KMU-Roboter – Eine Herausforderung bei der Programmierung von Industrierobotern sind kleine Stückzahlen und wechselnde Produktzyklen in kleinen und mittelständischen Unternehmen. (© fortiss GmbH)

Ein Eingebettetes System ist im Prinzip eine intelligente Schaltzentrale. Es ist Teil eines Computersystems, in dem seine Aufgabe klar definiert ist – etwa Steuerung, Messung oder Datenverarbeitung. Doch in Zukunft sollen die Systeme kooperieren. Denn der Trend heißt: vollständige Vernetzung. Die Automatisierung von Prozessen steigert den Datenaustausch innerhalb der etablierten Netzwerke. Aber die Eingebetteten Systeme werden nicht nur untereinander immer stärker verknüpft, sie müssen auch ans Internet angeschlossen werden. Experten sprechen dann von sogenannten Cyber Physical Systems (CPS). „Der Übergang von Eingebetteten Systemen, über vernetzte Systeme zu CPS ist fließend“, erklärt Dr. Christian Buckl von der fortiss GmbH. „Es gibt keine strenge Definition. Für mich ist ein CPS ein System, das die Umwelt beeinflusst und mit anderen Systemen kommuniziert. Und daraus ergeben sich neue Funktionalitäten.“

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Starre Produktionsstraßen werden zu flexiblen und modularen Systemen

Buckl und seine Kollegen am An-Institut der Technischen Universität München arbeiten unter anderem an Automatisierungstechniken und Entwicklungsprozessen neuer und intelligenter Computersysteme. Die Herausforderung dabei ist die zunehmende Komplexität der Systeme.

Die herkömmlichen Technologien und Methoden reichen zur Entwicklung innovativer CPS nicht mehr aus, denn: „Der zweite Trend ist Dynamik. Systeme sollen in Zukunft sogar während des Betriebs nachgerüstet werden können“, erläutert Buckl. Zum Beispiel im Auto; dort könnte man mithilfe von CPS neue Funktionen einbauen, ohne alle Fahrzeuge vorher zurückrufen zu müssen. „Dafür ist eine Umstrukturierung der Autoelektronik nötig. Dann könnten Autohersteller beispielsweise eine Software für eine spezielle Funktion integrieren. Diese lässt sich dann vom Fahrer nach Bedarf einfach herunterladen, ähnlich wie bei Apps für das Smartphone – ein Plug-and- Play-Ansatz sozusagen“, erklärt der Informatiker weiter. Zum Beispiel könnte der Autofahrer dann künftig selbstständig nachträglich einen intelligenten Autopiloten installieren. Das Auto fährt von selbst zum Ziel und kommuniziert unterwegs mit Ampeln und anderen Autos.

Nachgefragt

Robert Schachner - Geschäftsführer der RST Industrie Automation GmbH und 2. Vorstand Embedded4You e. V. Im Verein ist er verantwortlich für das Zusammenführen von Technologien mithilfe von Middleware- Technologien. (© Embedded4You e. V.)

Welche Vorteile bietet Embedded4You Unternehmen und Kunden?

Die Unternehmen profitieren auf Marketingebene, denn sie teilen sich Kosten und Arbeit beispielsweise für Messen. Und sie unterstützen sich gegenseitig auch technisch: Mithilfe von Middleware-Technologien vernetzen wir die firmeneigenen Werkzeuge zu einem großen Ganzen. So können die Firmen zusammen die Wünsche des Kunden nach flexiblen und ganzheitlichen Produktlösungen erfüllen. Er bekommt ein maßgeschneidertes Komplettpaket aus Hardware, Entwicklungsplattform und den dazu passenden Anwendungsprogrammen.

Inwieweit werden CPS Ihrer Meinung nach die Wertschöpfungsketten verändern?

CPS werden sicher noch großen Einfluss auf Auftragsplanung und Logistik haben. Die Produktionsanlagen werden in Zukunft miteinander kommunizieren. Dann bekommt zum Beispiel der Autohersteller aktuelle Produktionsdaten der einzelnen Firmen und weiß, wie viele Chargen wann ausgeliefert werden. Auch die Wartung von Anlagen wird einfacher, wenn sie etwa über vorinstallierte Testprogramme über das Internet erfolgen kann. Wir arbeiten deshalb gerade mit der Firma K&A im europäischen Forschungsprojekt „ComVantage“ an der Erstellung firmenübergreifender internetbasierter Netzwerke. Unter CPS verstehen wir hier den Austausch von Prozessdaten zwischen unterschiedlichen Standorten und die Fernwartung verbunden mit Tests von Fertigungsanlagen und Maschinen über das Internet.

In welchen Bereichen sehen Sie noch Forschungsbedarf?

Universelle Werkzeuge kommen aufgrund der Komplexität immer mehr an ihre Grenzen. Die direkte Vernetzung von Werkzeugen oder die Integration von Funktionen in ein Werkzeug sind große Herausforderungen.

Standards für Modulsysteme

Plug-and-Play beschreibt auch den Grundgedanken der Unternehmervereinigung Embedded4You e. V.; nämlich aus mehreren Einzellösungen eine Gesamtlösung generieren. Kleine und mittelständische Unternehmen unterstützen sich gegenseitig mit Know-how aus allen Bereichen der Embedded-Systems- Branche, um ihre Marktkompetenz zu stärken. Denn kleine Firmen haben ihre Stärke normalerweise auf einem bestimmten Gebiet. Ihre Kunden wollen aber meist eine komplette Systemlösung. „Um auf dem Markt erfolgreicher zu sein, braucht man die Unterstützung von Partnern – die findet man im Embedded4You-Netzwerk“, sagt Schuller, der auch Pressesprecher des Vereins ist. Der Vorteil: Flexible und auf den Kunden zugeschnittene Lösungen, die schnell am Markt erfolgreich sind, und die etwa ein großes Unternehmen so nicht bieten kann. Denn die Produktionsanlagen sind meist auf die Großserienfertigung identischer oder ähnlicher Werkstücke ausgerichtet.

Automatische Produktion – In Zukunft sollen Industrieroboter wie beispielsweise von KUKA lernen und Fehler selbständig korrigieren. (© KUKA Systems GmbH)

Je größer CPS werden, desto stärker steigen die Anforderungen an die Entwicklung der einzelnen Komponenten. Denn früher wusste ein Entwickler genau, wo sein System genutzt wird, und unter welchen Bedingungen. Heute werden die digitalen Bausteine oft unabhängig voneinander entwickelt, müssen aber später miteinander interagieren. „Das bedeutet, es sind standardisierte Schnittstellen nötig. Die müssen wir erst noch entwickeln“, beschreibt Buckl die zukünftigen Herausforderungen.

Diese Standards sollen nicht nur den Zusammenbau, sondern auch den Austausch von Komponenten vereinfachen: Eine Fertigungsstraße besteht dann aus unterschiedlichen Modulen. Das spätere Endprodukt, beispielsweise ein Computerbildschirm, durchläuft im Produktionsprozess die verschiedenen Stationen und wird schrittweise zusammengebaut. Soll nun an den Bildschirm ein größerer Standfuß montiert werden, bräuchte man theoretisch nur das entsprechende Modul auszutauschen. Dazu müssen die intelligenten Computersysteme miteinander kommunizieren und passen so den gesamten Fertigungsprozess automatisch an. Wird beispielsweise der neue Standfuß schneller angeschraubt, verringert sich die Wartezeit bis zum nächsten Produktionsschritt.

Sicherheit im und mit System

Die intelligenten Systeme bieten allen Branchen enorme Chancen für Vereinfachungen. Allerdings steigt der Aufwand, um die Sicherheit der Systeme zu gewährleisten. Denn eine verstärkt softwarebasierte und internetgestützte Produktion ist anfälliger für Computerviren und Cyberattacken. Und je mehr Funktionen und Systeme miteinander kommunizieren, desto größer ist das Risiko für Fehler: „Es können sich ungeahnte Abhängigkeiten ausbilden, die negative Folgen haben. Man spricht dann von der sogenannten ‚Feature Interaction‘“, erklärt Schuller.

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Smart-Health-Systeme, Internet der Dinge, intelligentes Stromnetz

Ein Beispiel ist das Sicherheits- und das Entertainment- System in einem Haus: Das Sicherheitssystem ist darauf programmiert, bei einem Einbruch den Dieb zu filmen und die Bilder auf eine Festplatte zu speichern. Das Unterhaltungssystem nimmt aber vielleicht genau in dieser Zeit eine Fernsehsendung auf. Dann geht der Dieb nicht in die Falle, weil nicht beide Systeme gleichzeitig auf die Festplatte zugreifen können. „Die vielfache Vernetzung führt zu Abhängigkeiten, die oftmals in der Entwicklungsphase noch nicht komplett berücksichtigt werden können“, so Schuller. „Im Moment forscht man also auch verstärkt daran, ‚Feature Interactions‘ möglichst gering zu halten oder im besten Fall zu vermeiden.“ Sichere und zuverlässige CPS können sich weiter etablieren und Arbeiten sowie Abläufe vereinfachen.

In der Medizintechnik beispielsweise ermöglichen Smart-Health-Systeme bereits die Fernüberwachung und -diagnose von Patienten (siehe auch: Der Parkinson-Schuh, S. 8). Auch die Grundlage des sogenannten Internets der Dinge ist gelegt: Drucker können benötigtes Material wie Papier online automatisch nachbestellen. Und im intelligenten Stromnetz von morgen kommunizieren Elektrofahrzeuge, Gebäude und Straßenlaternen, um den gesamten Stromverbrauch zu senken.

Grenzenlose Kommunikation – Für die intelligente Vernetzung von Produktionsmodulen sind noch herstellerunabhängige Schnittstellen für Hard- und Software nötig. (© fortiss GmbH)