Strippenzieher in der Produktion

Die Vernetzung in Fabriken nimmt zu. Das erfordert eine kompakte, robuste und vor allem flexible Verkabelung. Oder Funksysteme.

Wenn "dumme" Werkzeuge, Bauteile und Transportbehälter ein eigenes Gedächtnis erhalten und untereinander kommunizieren, wenn sie im Idealfall ihre eigene Produktion ohne höhere Steuerintelligenz organisieren sollen – dann stellt sich eine entscheidende Frage: Wie soll ihre Vernetzung geschehen? Per Kabel? Über Funk? Oder mal so mal so, je nach Maschinentyp und Stellenwert in der Produktion? Wenn künftig zudem noch Modularität gefragt ist und Produktionsstraßen viel häufiger umgebaut werden als früher, ist klar: Neue Konzepte der Vernetzung sind nötig.

Wo es um hohe und verlässliche Datenraten geht, führt an Kabeln kein Weg vorbei. Dass mit ihnen eine flexible Fabrik möglich ist, beweist die SmartFactory, die das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz in Kaiserslautern errichtet hat. Der Prototyp einer Zukunftsfabrik wurde auf der Hannover Messe 2014 vorgestellt und wird 2015 in erweiterter Form wieder auf der Messe zu sehen sein. Die SmartFactory produziert Visitenkartenetuis mit individueller Gravur und Farbe – Massenfertigung mit Losgröße 1 also. Das Besondere an der Fertigungslinie ist ihre Modularität: Neue Bearbeitungsstationen werden einfach ans Ende angedockt, ohne zeitraubende Neukonfiguration der gesamten Anlage. Der Visitenkartenhalter fährt die neue Station an, wird bearbeitet und fährt anschließend wieder zurück und nimmt den alten Bearbeitungsablauf wieder auf. Module lassen sich in fünf Minuten austauschen. Wenn ein anderes Produkt gefertigt werden soll, gelingt das sogar im laufenden Betrieb – ein Paradebeispiel für Plug and Produce.

Einer der Partner der SmartFactory ist die Lapp Gruppe. Der Kabelspezialist aus Stuttgart hat die komplette Verkabelung zwischen den Modulen beigesteuert. Sie muss robust sein und deutlich mehr Datenverkehr verkraften als früher. Als Standard setzt sich dabei immer mehr Industrial Ethernet durch, das frühere Feldbussysteme ablöst. Ethernet wurde in den 1970er Jahren entwickelt, um Computer miteinander zu vernetzen. Für den harten Fabrikbetrieb war es ursprünglich nicht gedacht. Die Kabelhersteller haben für Industrial Ethernet daher spezielle Kabel und Steckverbindungen entwickelt, die Öl und Säure ebenso widerstehen wie Vibrationen und elektromagnetischen Feldern.

In der SmartFactory geht die Lapp Gruppe noch einen Schritt weiter. Um den Datenverkehr mit Sensoren und Aktoren nahe ans Werkstück zu bringen, müssen diese Kabel besonders robust sein, etwa indem sie Millionen Bewegungen aushalten. Außerdem ist der Platz begrenzt, die Kabel werden also mit engen Biegeradien geführt. Ähnliches gilt für die Stecker – auch sie müssen kompakter werden und viel aushalten. Standard für Ethernet in Fabriken ist heute der M12-Stecker. Der ist allerdings zu groß, um etwa auf den Profinet-Greifer zu passen, der in der SmartFactory das fertig produzierte Visitenkartenetui an den Besucher ausgibt. Deshalb kommt dort der deutlich kompaktere M8-Stecker zum Einsatz, ursprünglich für herkömmliche Steuerleitungen eingeführt. Für Ethernet ist der M8-Stecker Neuland. Die Lapp Gruppe hat dieses Stecker-Format in Verbindung mit einer neuen, um 30 Prozent dünneren Leitung nun auch für die Ethernet-Verkabelung zugänglich gemacht. Dieses Anschlusssystem bringt kompakte Bauform, Robustheit und Datenübertragungsraten von 100 Mbit/s bis in die Sensorebene der intelligenten Fabrik.

Sind die Datenraten niedriger, ist die Vernetzung mittels Mobilfunk oder WLAN eine echte Alternative – die sich insbesondere zur Nachrüstung eignet. Schon vor zehn Jahren hat Siemens das Industrial WLAN entwickelt, eine robuste Variante des Funkstandards, den viele Internetnutzer auch zuhause zum drahtlosen Surfen benutzen. Hauptunterschied: IWLAN reserviert feste Übertragungskanäle für wichtige Signale. Wenn ein Arbeiter bei einem Unfall den roten Notausknopf drückt, ist sichergestellt, dass diese Aktion bevorzugt und ohne Verzögerung ausgeführt wird.

Bei Funklösungen in der Fabrik ist insbesondere der Aufwand für die Planung der Funkfelder erheblich, also die Aufstellorte der Antennen. Weshalb heute Funklösungen überwiegend in mobilen Anwendungen eingesetzt werden, wo Kabel die Mobilität einschränken. Funkmodule lassen sich flexibel anbringen, benötigen allerdings eine Stromversorgung, was die Flexibilität schon wieder einschränkt.

Energieernte: Ein Ausweg ist das Energy Harvesting. Dabei wird der Strom aus Bewegung, Licht oder Temperaturdifferenzen gewonnen, etwa mittels Mini-Windturbinen im Luftstrom einer Klimaanlage, Solarzellen oder thermoelektrischen Wandlern. Die kleinen Energiemengen reichen aus, um Funksignale zu übertragen. Die batterielose Funktechnologie stammt aus der Gebäudeautomation, könnte aber die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation revolutionieren.

Ein ganz neues "Fabrikgefühl" soll 5G bringen, der Mobilfunkstandard, der als Nachfolger von LTE (4G) entwickelt wird. Die fünfte Generation des Mobilfunks soll Sprachpakete, Dokumente oder Videos noch schneller – mit über zehn Gigabit pro Sekunde – übertragen. Vor allem aber soll 5G reaktionsschneller, zuverlässiger und sicherer sein. Ziel ist ein "taktiles Internet", das in Echtzeit tausende Nutzer, Geräte und Sensoren vernetzt, mit Reaktionszeiten unter einer Millisekunde.

Als erstes würden der Automobilbau und andere Industriezweige von dem neuen 5G-Funk profitieren, prognostiziert Gerhard Fettweis, Professor für mobile Nachrichtensysteme an der Technischen Universität Dresden. Diesen Fabrikeinsatz und weitere Anwendungsszenarien wollen die Forscher im 5G-Lab in Dresden im Praxiseinsatz demonstrieren. Die 5G-Technologie ist noch in einer frühen Forschungsphase, bis sie in die Fabriken einzieht, wird es noch dauern. Voraussichtlich 2022 soll die Einführung des neuen Mobilfunkstandards beginnen. (bsc)