3. Stuttgarter Innovationstage

Von der Cloud zum Software Defined Manufacturing

Mit einem außergewöhnlichen Themenmix empfing das ISW der Universität Stuttgart die Teilnehmer der dritten Stuttgarter Innovationstage. Der aktuelle Stand zur Maschinensteuerung aus der Cloud - auf den die Veranstaltung zurückgeht - wurde genauso behandelt wie das Potenzial von künstlicher Intelligenz für die Fertigung oder der Einsatz des digitalen Zwillings. Auch die Standardisierungsbemühungen hinsichtlich TSN oder 5G standen auf dem Programm.


In die historische Reithalle unweit des eigenen Standorts in Stuttgart hatte das Institut für Steuerungstechnik und Werkzeugmaschinen (ISW) am 12. und 13. Februar zur dritten Ausgabe der 'Stuttgarter Innovationstage - Steuerungstechnik aus der Cloud' geladen. Die Veranstaltung, die eigentlich auf das Cloudforschungsprojekt Picasso zurückgeht, bot in diesem Jahr ein deutlich breiteres Themenspektrum und beleuchtete aktuelle und zukünftige Industrietrends vom IoT über maschinelles Lernen, Security und Blockchain bis hin zu Simulation, TSN und 5G. Als Gastgeber der Veranstaltung begrüßten die beiden Institutsleiter Prof. Alexander Verl und Prof. Oliver Riedel die rund 130 Teilnehmer. Gleich zu Beginn forderten sie, das Zeitalter des Software Defined Manufacturing auszurufen. "Schließlich macht moderne Software heute den Unterschied", betonte Verl. "Sie hat sich im Maschinenbau zum zentralen Differenzierungsmerkmal entwickelt - so wie es vormals die Steuerungs- oder Antriebstechnik war." Sie mache auch meist schon den größten Anteil des Entwicklungsaufwands aus. Ein Ziel am ISW ist deshalb die Modularisierung von Maschinen, um Software in möglichst großem Umfang automatisch zu generieren - von der Steuerungssoftware über die ECAD-Daten bis hin zum digitalen Zwilling. Entsprechende Vorteile zeigt eine kürzlich abgeschlossene Promotionsarbeit am ISW auf: Schafft man es, den digitalen Zwilling automatisiert zu generieren, kann man die Anlagenmodellierung im besten Fall von vielen Tagen auf wenige Minuten reduzieren. "Diese Denkweise ist keine Zukunftsmusik, sondern findet in der Praxis bereits Anwendung", so Verl weiter. Seine These sollten verschiedene Vorträge der Veranstaltung untermauern, z.B. aus der Automobilproduktion oder dem Maschinenbau. Dazu später mehr, doch nun erst einmal zurück zum Handlungsfeld der Steuerungstechnik aus der Cloud.

Industrielles Cloud Computing

Einen Abriss vom aktuellen Stand der Steuerungstechnik aus der Cloud gab Felix Kretschmer, ehemaliger Gruppenleiter am ISW und Organisator der Stuttgarter Innovationstage, im letzten Jahr. "Industrielles Cloud Computing ist wie Sex bei Teenagern", so sein einführender, nicht ganz ernst gemeinter Vergleich. "Jeder spricht darüber, wenige haben es je gemacht." Kretschmer nahm die Zuhörerschaft in seinem Vortrag mit auf die Zeitreise der industriellen Cloud - am und abseits des ISW - und gab einen Ausblick, wie es mit dem Thema weitergeht. Begonnen hatte es an der Uni Stuttgart im Jahr 2013 mit Picasso. Das Forschungsprojekt sollte ausloten, inwieweit sich die Steuerungstechnik von Maschinen in die Cloud verlagern lässt. Die Ergebnisse mündeten in die erste Veranstaltung der Stuttgarter Innovationstage im Frühjahr 2017 und beschrieben unter anderem die noch zu lösenden Herausforderungen bezüglich Sicherheit und Echtzeit. Es folgten weitere Forschungsaktivitäten wie:

  • • das Projekt MultiCloud für eine onlinebasierte Diensteplattform auf Basis verschiedener Cloudsysteme (2015)
  • • CloudArc für eine cloudbasierte Überwachung und Anpassung von Schweißanlagen (2016)
  • • das Projekt Rent´n´Produce zur Fertigungsbeauftragung - quasi ein Airbnb der CNC-Maschinen (2016)
  • • das intelligente Servicesystem iSrv, um KMUs Industrie-4.0-Technologie zugänglich zu machen
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Herausforderungen abseits der Technik

Der zweite Teil des Vortrags schilderte in Form eines Erfahrungsberichts welche Komplikationen sich abseits der Technik auftun, wenn man sich in Richtung Cloud orientiert. Das Spektrum beginnt dabei, dass die Testangebote großer Cloudanbieter nicht auf die Trial&Error-Anforderungen der Forschung ausgelegt sind, genauso wenig wie die IT-Strukturen in Partnerunternehmen. Oft bremst eben nicht die Technologie, sondern Randbedingungen, die unterschätzt werden - sei es in Hinblick auf Rechtsfragen, den Datenschutz oder die Security. Ein weiterer wichtiger Aspekt: Es werden immer Experten verschiedener Domänen benötigt. "Für den Mehrwert aus der Cloud muss man stets Prozess-, Ressourcen und Software-Knowhow an einem Tisch zusammenbringen", zog Kretschmer sein Fazit. Dann lasse sich das Potenzial für die Automatisierung gut nutzen, wenngleich die Maschinensteuerung aus der Cloud heute noch nicht einsatzbereit sei. Auf die Frage nach der zukünftigen Rolle der SPS antwortete er: "Das Steuerungskonzept als zyklisches Auslesen von Informationen wird sicherlich bestehen bleiben. Die Hardware-SPS direkt an der Maschine wird aber mittelfristig verschwinden."

Sicherheit für neue Geschäftsmodelle

Wie die IT-Security zu einem Enabler für neue Geschäftsmodelle wird, zeigte Dr. Hans-Peter Bock am Beispiel des Datenmarktplatz IUNO. Der Trumpf-Experte für Industrie 4.0 verdeutlichte den Wert eines sicheren Austauschs sensibler Daten zwischen Kunden und Lieferanten, Dienstleister und Endanwender. "Es werden neuartige IT-Sicherheitslösungen benötigt, um vernetzte Produktionssysteme vor Cyberattacken und Spionage zu schützen", betonte Bock. So müsse es neue Steuerungen für Maschinen geben, die Lizenzen und Schlüssel sicher ablegen und Daten entsprechend schützen können. Im IUNO-Projekt wurde dafür eine Lösung auf Basis des Kleinrechners Raspberry Pi realisiert. Eine Anmeldung auf dem Datenmarktplatz für die Cloudplattform Axoom ist heute schon möglich, allerdings nur im Rahmen einer Testphase, in der man Aufträge über das Internet an eine Demonstratoren-Getränkemischmaschine schicken kann.

Empfehlungen der Redaktion

Virtuelle Produktion am ISW

Die Themen Simulation, digitaler Zwilling und virtuelle Inbetriebnahme bildeten einen umfassenden Block im Kongressprogramm. Sowohl Softwareanbieter, als auch Systempartner sowie Anwender aus dem Maschinenbau und der Automobilindustrie steuerten hierzu Vorträge bei und gewährten Einblicke in die aktuellen Möglichkeiten und den dafür nötigen Invest. Auch das ISW stellte einen Referenten für den Digital Twin auf: "Wir wollen Wegbereiter bei der Einführung virtueller Technologien sein", unterstrich Christian Scheifele, der als Gruppenleiter am ISW mit sechs Doktoranden im Bereich Simulation und digitaler Zwilling forscht. Das Institut formuliert hier einen hohen Anspruch, gerade auch beim Wissenstransfer in die Industrie. Entsprechend sind viele virtuelle Technologietrends Gegenstand der wissenschaftlichen Untersuchungen. Dazu gehören:

  • • Simulationsarchitekturen digitaler Zwillinge
  • • Simulationsansätze und (Echtzeit-)Simulationsmodelle für digitale Zwillinge
  • • Virtuelle Methoden und Werkzeuge der digitalen Fabrik
  • • Die digitale Fabrik als integraler Bestandteil im Maschinen- und Anlagenbau
  • • künstliche Intelligenz (KI) auf Basis eines digitalen Zwillings
  • • Model-Based Systems Engineering (MBSE)

Ein weiteres großes Thema am ISW ist die Echtzeit-Co-Simulation, sprich die Überführung des digitalen Zwillings aus der Entwicklung in die tatsächliche Produktion. Dieser gleicht sich dann als sogenannter digitaler Schatten permanent mit dem Fertigungsprozess ab. Auch Dr. Christian Daniel steuerte einen Vortrag zum Thema Simulation bei. Er ist Business Manager Simulationtechnology bei der Institutsausgründung ISG, die seit dem Jahr 2005 mit der Simulationssoftware Virtuos auf dem Markt aktiv ist. Er referierte nicht nur über praktische Erfahrungen bei der Einführung digitaler Werkzeuge, sondern präsentierte auch Zahlen aus einer Umfrage des VDMA zum Einsatz von Simulationswerkzeugen in der Praxis. Während aktuell noch die Strukturmechanik am häufigsten genannt wird, sehen die Befragten für die Zukunft die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) als wichtigstes Simulations-Tool für die Fertigung.

Simulation im Fokus

Michael Zetzsche schilderte am Praxisbeispiel des Maschinenbauers Homag den Werdegang zu Simulation und einem echten digitalen Zwilling. Seinen Vortrag 'Vom Entwicklungs-Tool zum Produktionswerkzeug' startete er mit der Motivation für eine Einführung und entkräftete dabei typische Gegenargumente. Er zeigte auf, wie die Simulation Fehlerrisiko, Testaufwand und Lieferzeit senkt - während gleichzeitig Aufwand und Nutzen steigen. Mittlerweile sorgen mehr als zehn Entwickler bei Homag dafür, dass die Mehrheit der entwickelten Anlagen auch simuliert werden. Während die Maschinen und Anlagen bereits vor der Auslieferung zu über 90 Prozent in Betrieb genommen und auf Leistung gebracht sind, werden Software und SPS-Programme sogar schon vor der Inbetriebnahme fertiggestellt und getestet. Große Anlagen baut der Maschinenbauer vor der Auslieferung nur noch teilweise auf. Ein entscheidender Schritt, der Homag nach vielen Jahren Beschäftigung mit dem Thema zum Erfolg führte: Partner und Lieferanten einbinden, denn schließlich kennen sie die Mathematik und Algorithmen ihrer Produkte am besten. Deswegen werden neue Komponenten bei Homag nur noch mit digitalem Zwilling eingeführt.

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Anlagenbau und Automobilproduktion

Von Heitec wurde der Einzug der digitalen Fabrik aus der Sicht eines Anlagenbauers dargestellt und eine weitere Perspektive eröffnet: Denn virtuelle Modelle und digitale Zwillinge können auch als Nebenerzeugnis aus einem optimierten Engineering entstehen. Dafür sei es aber nicht nur nötig, die Entwicklungswerkzeuge auf den aktuellen Stand zu bringen, sondern auch das Prozesswissen aus den Köpfen der Mitarbeiter in die Entwicklungssysteme zu übertragen. Wie die Methoden der Simulation im Automobilbau eingesetzt werden, dazu referierte Dr. William Tekouo. Sein Vortrag stellte verschiedene Anwendungsbeispiele der Ablaufsimulation und virtuellen Inbetriebnahme im Rahmen von Projekten vor und zeigte deren strategische Bedeutung für den BMW Motorenbau auf - speziell für die Absicherung von hochkomplexen Produktionssystemen. "Das Linienwissen liegt schließlich bei uns", so Tekouo. "Wir müssen uns also umfänglich Gedanken zum Anlagenkonzept machen, damit wir das Angebot des Lieferanten mit unserem Knowhow bewerten können." So bildet die Ablaufsimulation den Wertstrom über die Produktionsanlage digital nach, mit dem Ziel frühzeitig Rückschlüsse über layout-technische, logistische und organisatorische Fragestellungen zu erzielen. Im Gegensatz dazu wird im Rahmen der virtuellen Inbetriebnahme das physikalische Anlagenverhalten nachgebildet. Im Anhang eines solchen digitalen Zwillings werden diverse Fragestellungen rund um den Softwareentwicklungsprozess untersucht und adressiert. Als Praxisbeispiel zeigte Tekouo die softwareseitige Modernisierung eines Portals, das auf rund 100m 15 Maschinen versorgt. Durch die virtuelle Inbetriebnahme konnte BMW 14 Wochen Entwicklungszeit und 800.000€ einsparen.

Konzepte für maschinelles Lernen

Auch das Themenfeld KI und Machine Learning wurde auf den Stuttgarter Innovationstagen ausführlich behandelt. Dr. Akos Csiszar gab eine Einführung in Grundlagen sowie Modellierung und stellte neue Lösungsmethoden für bekannte Probleme aus der Steuerungs- und Produktionstechnik vor. Auch der Praxisbericht zur Optimierung großer Prozessanlagen von Markus Ahorner behandelte Fragen zum maschinellen Lernen: Wie werden Daten aus der Fabrik sinnvoll aufbereitet? Wie funktionieren neuronale Netze? Und wie führt man ein Optimierungsprojekt mit maschinellem Lernen durch? Dabei verdeutlichte Ahorner an konkreten Großanlagenbeispielen, wie schnell man mit KI in der Fabrik echte Potenziale heben kann. Dass es nicht immer riesige Datenmengen sein müssen, um maschinelles Lernen in der Fertigung gewinnbringend einzusetzen, erläuterte Prof. Sebastian Trimpe. Sein Beispiel des Apollo-Roboters, der lernt, einen Stab in seiner Hand auszubalancieren, belegt, dass intelligente Agenten mit nur wenigen Experimenten gezielt neues Verhalten erlernen können. Der Research Group Leader am Max Planck Institute for Intelligent Systems ging auch auf die Notwendigkeit theoretischer Garantien für die lernbasierte Regelung ein und wie sich diese durch Kombination von Lern- und Regelungstheorie erreichen lassen. Das Thema maschinelles Lernen streifte auch Dr. Florian Wilhelm von Inovex. Weil viele Unternehmen noch damit kämpfen, Data Science in die Praxis umzusetzen, erläuterte er verschiedene Gründe dafür. Seine Botschaft: Reibungen und Probleme auf dem Weg von einem Data-Science-Prototypen zur Produktion sind eher die Regel denn die Ausnahme. Aber es lohne durchaus, gegen diese Schwierigkeiten anzukämpfen.

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Live-Demo für maschinelles Lernen

Einen sehr detaillierten Einblick in die Praxis gewährte Alexander Schreiber, Principal Application Engineer bei Mathworks, in einer Live-Demo zu Machine Learning. Er stellte vor, wie sich Matlab für Entwurf, Entwicklung und Implementierung von Computer-Vision- und Deep-Learning-Anwendungen einsetzen lässt. Egal ob auf einem lokalen Rechner, in einem Cluster oder auf eingebetteten Systemen. Die Live Coding Session umfasste Entwurf und Verifikation der Algorithmen in der Software, das Training der Netze sowie die Generierung des Codes.

TSN und 5G

Auch das vieldiskutierte Thema Ethernet TSN wurde in den Vorträgen unter verschiedenen Blickwinkeln behandelt. Eine Einführung kam aus dem Hause ISW - von Florian Frick, der die Gruppe 'Echtzeitkommunikation und Steuerungshardware' am Institut leitet. Weitere Aspekte zu TSN steuerten Marian Ulbricht von InnoRoute und Stephan Kehrer von Belden bei. Sie referierten in ihren Vorträgen über die TSN-Prototyping-Plattform TrustNode sowie Lösungen auf Basis von Ethernet TSN für Brownfield-Anwendungen. Als zukünftigen branchenprägenden Standard ließ der Kongress 5G nicht aus. Dr. Markus Gruber aus der Nokia-Forschungsabteilung Bell Labs betonte, dass es um viel mehr gehe, als nur um den Nachfolger von LTE. Statt höherer Datenrate, stehe es bei der fünften Generation des Mobilfunks im Vordergrund, verschiedene Funktechnologien zusammenzuführen und das Internet der Dinge skalierbar zu machen.

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Zukunftstrends Blockchain und Visualisierung

Spannende Blicke über den Tellerrand der industriellen Fertigung hinaus gab es zu den Themen Blockchain und Visualisierung: Datarella-CEO Michael Reuter berichtete von Blockchain in Echtzeit und wie sich die Lösungen, z.B. aus der Flüchtlings- oder Entwicklungshilfe, auf die Industrie übertragen lassen. Dr. Ben Cope von Intel hielt eine Keynote mit dem Titel 'The Future of Visual', in der er Ausblick über den Industriehorizont hinaus gab - auf smarte, zurückschauende Anzeigen und Werbetafeln, individualisierte oder stimmungsabhängige Oberflächen und Responsive in Echtzeit.

ISW-Rundgang und Rahmenprogramm

Authentische Eindrücke von der Arbeit am Institut gab es - wie in den vergangenen Jahren auch - beim Rundgang durch das ISW mit Stationen im Applikationslabor und in der Demonstratorenhalle. Dort gab es z.B. Aufbauten zu folgenden Themen zu sehen: kamerabasierte Bahnplanung, TSN, die WZM-Schnittstelle Umati, Roboterschweißen aus der Cloud, 3D-Druck mit mehreren Achsen, Echtzeit-Co-Simulation sowie ein adaptiv verspanntes Zahnstange/Ritzel-Antriebssystem. Darüber hinaus boten die Networking-Pausen Gelegenheit zur ausgiebigen Diskussion, genauso wie die begleitende Fachausstellung der Unternehmen B&R, Scitis.io, ISG und BAM. (mby)

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