„Enorme Möglichkeiten, von denen wir viele noch gar nicht begreifen“

Martin Schleef: Das Paradebeispiel hierfür ist eine Maschine oder verkettete Anlage, die spezielle Aufgaben mit einer hohen Taktzahl ausführt. Die Industrieautomation beschäftigt sich einfach gesagt damit, wie man solche Anlagen steuert, in Gang setzt, in der Produktion hält und kontinuierlich verbessert. Die wichtigste Kennzahl in diesem Zusammenhang ist die sogenannte Overall Equipment Effectiveness, oder kurz OEE. Dieser Wert beschreibt die Verfügbarkeit der Anlage im Verhältnis zur Produktionszeit und setzt so ihren Nutzungs-, Leistungs- und Qualitätsgrad in ein einfach zu erfassendes Verhältnis. Wir am Fraunhofer IPA forschen unter anderem daran, wie man mit Sensorik, künstlicher Intelligenz und anderen Technologien die OEE verbessern kann.

Matthias Eick: Aus meiner Sicht sind das Ziel der Industrieautomation autonome Prozesse mit hoher Wiederholgenauigkeit, in die der Mensch nicht mehr eingreifen muss. Das findet längst nicht mehr nur in der Fabrikhalle statt: Auch viele andere Bereiche profitieren von den Entwicklungen der Automatisierung. Es gibt immer mehr technische Hilfsmittel, und die werden immer kleiner, leistungsfähiger und anwenderfreundlicher.

Steffen Quadt: Mittlerweile beschränkt sich ja auch der Begriff Industrie nicht mehr allein auf die fertigende Industrie. Auch die Landwirtschaft ist zum Beispiel eine Art von Industrie. Meiner Meinung nach dient die Industrieautomation in erster Linie dazu, die Produktivität zu erhöhen. Das kann über Technologien passieren, aber auch über neue Methoden und Herangehensweisen. Man kann mit derselben Technologie ganz verschiedene Ergebnisse erzielen, je nachdem wie man sie einsetzt.

Frank Sangel: Neben der Produktivität geht es in der Automation aber auch darum, dem Menschen monotone und mühsame Arbeiten abzunehmen – und darum, die Prozesssicherheit zu erhöhen.

Schleef: Das stimmt. Es gibt verschiedene Automatisierungstreiber, nach denen wir unterscheiden: etwa Qualität – zum Beispiel in Form von Wiederholgenauigkeit –, Ergonomie und Personalverfügbarkeit.

Eick: Automatisierung heißt ja auch nicht nur, Prozesse produktiver zu gestalten, sondern auch den Ressourceneinsatz zu optimieren. Maschinen können zum Beispiel in der verarbeitenden Industrie das verwendete Material mithilfe von gerechneten Modellen viel effizienter verplanen und einsetzen.

Quadt: Wir betrachten die Automatisierungstechnik in einer vertikalen und einer horizontalen Richtung. Die Vertikale ist die bekannte Automatisierungspyramide, die in verschiedene Ebenen unterteilt ist: Ganz unten befinden sich Aktoren und Sensoren auf der sogenannten Komponenten-Ebene, darüber liegen die Steuerungsebene, die Fabrikleittechnik und die unternehmensplanerische Leitebene. Das Ziel ist immer, von den unteren in die oberen Ebenen strukturiert zu automatisieren. Dieser Ansatz ermöglicht schon mal einen schematischen Blick auf die Automation. Es gibt aber auch eine horizontale Richtung, nämlich eine zeitliche, den sogenannten Produktlebenszyklus. Der beginnt nicht erst mit der Herstellung eines Produkts, sondern bereits in Entwicklungsphase mit der Anforderungsdefinition. Er umfasst zudem die komplette Zeit, bis ein Produkt abgekündigt ist – von der Ersatzteilversorgung bis hin zu einer Nachfolge oder einem Auslaufen. Die horizontale Richtung wird im Hinblick auf Dinge wie Nachhaltigkeit, Energie- und Ressourceneffizienz immer wichtiger.

Eick: Eine derart ganzheitliche Betrachtung ist allerdings für viele Anwender kaum möglich. Die Praxis sieht doch eher so aus: Ich möchte ein bestimmtes Produkt herstellen, also muss ich meine Prozesse dahingehend anpassen.

Quadt: Genau deshalb ist die Evolution der Automatisierungstechnik auch noch lange nicht am Ende. In Zukunft werden noch weitaus mehr künstliche Intelligenz und vorausschauende Algorithmen zum Einsatz kommen, die den Betrieb analysieren und für Optimierungen sorgen. Wahrscheinlich wird sich die zweidimensionale Betrachtung, die wir momentan haben, auch noch um mehrere Dimensionen erweitern.

Eick: IT-Sicherheit ist der Bereich in der Industrieautomation, der sich mit am schnellsten verändert. Unternehmen müssen sich mit diesem Thema nicht nur einmal auseinandersetzen, sondern immer auf dem neuesten Stand bleiben. Das schaffen viele nicht ohne externe Hilfe.

Quadt: Richtig, denn für Cybersicherheit braucht es eine Menge hochqualifizierter und spezialisierter Fachkräfte. Aber wer es schafft, Cybersicherheit zu gewährleisten, dem eröffnen sich durch Digitalisierung und Vernetzung enorme Möglichkeiten, von denen wir viele heute noch gar nicht begreifen. Zusammenhänge, die wir noch nicht erkennen, weil sie so komplex sind. Fortschrittliche Algorithmik und maschinelles Lernen ermöglichen es uns aber, diese Komplexität immer besser zu verstehen und Muster zu erkennen, die bisher unbekannt waren.

Schleef: Der Automatisierungsgrad ist in großen Unternehmen grundsätzlich höher als in kleinen und mittelständischen. Wer nicht in die Automatisierung investiert, bekommt aber spätestens dann Probleme, wenn die Produktivität leidet und das Unternehmen nicht mehr wettbewerbsfähig ist. Ein großes Potenzial sehe ich hier in der Robotik, insbesondere bei Cobots: Die Einsatzmöglichkeiten explodieren förmlich, und die Roboter werden immer günstiger und anwenderfreundlicher. Jeder kann heutzutage mit wenig Aufwand so einen Cobot programmieren – das wissen viele nicht. Und die Roboter lernen mithilfe von „Imitation Learning“ auch selbstständig dazu.

Quadt: Die erste Hürde sind für viele Unternehmen die hohen Kosten, die zu Beginn mit der Automatisierung verbunden sind. Damit sich diese schnell amortisieren, wünschen sich Anwender eine möglichst hohe Auslastung ihrer Maschinen. Dabei kann jedoch eine Maschine, die flexibel verschiedene Arbeiten ausführen kann, sinnvoller sein als eine Maschine, die konsequent nur für eine Aufgabe optimiert ist und diese zwar schneller erledigen kann, aber dafür nichts anderes.

Schleef: Das ist absolut richtig. Selbst große Hersteller, etwa in der Automobilindustrie, setzen statt einer hochspezialisierten Linienfertigung immer häufiger auf neue Konzepte. Eines davon ist die sogenannte Matrix-Produktion, bei der ein Produkt flexibel verschiedene Wege zwischen den Fertigungsabschnitten nehmen kann – dadurch kann Variantenvielfalt besser abgebildet werden. Dieser Ansatz ist auch für kleine und mittelständische Unternehmen interessant, die weniger große Stückzahlen fertigen.

Eick: Man muss ohnehin ein Stück weit ineffizientere Prozesse in Kauf nehmen, um die Flexibilität von Industrie 4.0 – also die wirtschaftliche Produktion bis hin zu Losgröße 1 – zu ermöglichen. Kleine und mittelständische Unternehmen müssen ja auch nicht ihre gesamte Produktion auf einmal umstellen, sondern können mit solchen Insellösungen anfangen, zum Beispiel mit dezentraler Antriebstechnik oder dem Umrüsten von einzelnen Anlagen und Komponenten. Das gibt ihnen die Möglichkeit, in das Thema Automatisierung hineinzuwachsen.

Schleef: Viele Unternehmen sind sich auch gar nicht bewusst, welche Möglichkeiten es gibt, einen bestehenden Maschinenpark über den bereits vorhandenen Automatisierungsgrad hinaus zu optimieren – sei es durch eine weitere Digitalisierung, die erweiterte Erfassung von Messwerten und Qualitätsdaten oder den Einsatz von künstlicher Intelligenz. Dadurch öffnen sich viele neue Türen – auch bei Anlagen, von denen man dachte, sie sind bereits am Limit. Es gibt dafür öffentliche Förderprogramme wie die sogenannten Quick Checks, bei denen Unternehmen ihre Fertigung im Umfang einiger Arbeitstage analysieren und beurteilen lassen können.

Sangel: Früher war auch der Anschluss- und Verdrahtungsaufwand für Automatisierungstechnik sehr hoch. Das hat viele Maschinenbauer abgeschreckt. Heute hingegen ist alles vorkonfiguriert und konfektioniert erhältlich, das erleichtert natürlich vieles.

Berger: Das sehe ich genauso. Wir sind in Deutschland zum Beispiel auf Zuwanderung angewiesen und müssen uns besser um die Integration ausländischer Fachkräfte bemühen. Da haben wir noch viel Nachholbedarf.

Eick: Allerdings ist Fachkräftemangel nicht nur ein deutsches Problem. Auch in anderen Ländern, etwa in Osteuropa, stellen wir fest, dass es für viele Tätigkeiten immer schwerer wird, geeignete Mitarbeiter zu finden.

Quadt: Das ist ja auch ein großer Pluspunkt der Automation: Dass sie dem Menschen anstrengende, monotone oder gefährliche Tätigkeiten abnimmt, die niemand mehr machen will oder darf. Der Mensch hat andere Stärken, insbesondere seine Flexibilität. Wir als Gesellschaft haben die Aufgabe, Qualifikation und fachliche Entwicklung zu fördern, statt veraltete Arbeitsplätze und Tätigkeiten zu erhalten. Unser Wohlstandsgarant in Mitteleuropa sind nicht Rohstoffe, sondern Technologien und die Fähigkeit, diese zu entwickeln und zu nutzen.

Sangel: Es gibt zum Beispiel Spritzgießmaschinenhersteller, die die Haltekräfte der Werkzeuge nicht mehr hydraulisch umsetzen, sondern mit Servomotoren. Das hat den großen Vorteil, dass der Servomotor nur dann Energie benötigt, wenn er in Bewegung ist, während eine Hydraulik permanent betrieben werden muss. Bei großen Herstellern sind oft zig dieser Maschinen im Einsatz. Da ist das Einsparpotenzial enorm. Es gibt Studien, die zu dem Ergebnis kommen, dass sich durch die Substitution von Pneumatik und Hydraulik mit elektrischer Automatisierungstechnik der Energiebedarf auf gerade einmal zehn Prozent reduzieren lässt. Gerade die Drucklufterzeugung ist sehr energieintensiv, hinzu kommen die vielen Leckagen. Kleine Servoantriebe sind außerdem wesentlich leichter zu automatisieren als zum Beispiel Druckluftzylinder.

Eick: Im Bereich Kabel sind unter anderem Hybridleitungen eine intelligente Lösung, um Ressourcen einzusparen. Dabei handelt es sich um Leitungen, die zum Beispiel Energie- und Datenübertragung in sich vereinen. Statt zwei Leitungen brauche ich also nur noch eine – das verringert den Materialbedarf für die Herstellung, und viele andere Komponenten wie etwa Schleppketten und Steckverbinder können ebenfalls kleiner und sparsamer dimensioniert werden. Dadurch leisten wir mit unseren Produkten auch einen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit.

Quadt: Die Langlebigkeit von Maschinen und Komponenten trägt auch viel zur Nachhaltigkeit bei. Ein Getriebe zum Beispiel kann problemlos mehrere Jahrzehnte eingesetzt werden. Produkte mit viel Elektronik unterliegen hingegen teilweise einer schnelleren Alterung. Hier gilt es Strategien zu entwickeln, die die Langlebigkeit verbessern – etwa durch Update- und Upgrade-Fähigkeit statt kompletter Erneuerung.

Sangel: Damit wären wir beim Thema Retrofit – das ist auch ein Schritt zu mehr Nachhaltigkeit. Im Werkzeugmaschinenbau zum Beispiel ist es äußerst sinnvoll, in die Jahre gekommene Maschinen zu modernisieren, da die Mechanik sehr lange funktionsfähig ist. Durch den Austausch von Automatisierungstechnik erhält man oft eine wesentlich effizientere Maschine, und das zu einem Bruchteil der Kosten einer Neuanschaffung.

Quadt: Wir müssen Automatisierungstechnik künftig so entwickeln, dass eine Kreislaufwirtschaft möglich ist. Rohstoffe wie Magnete, Metalle und seltene Erden sind teuer und teils sehr schwer zu bekommen. Manche davon können nur aus Krisengebieten beschafft werden. Umso wichtiger ist es, Prozesse wie das Zerlegen und Recyceln dieser Materialien schon beim Design neuer Produkte mitzubedenken.

Berger: Predictive Maintenance ist hier ein großes Thema, also die vorausschauende Wartung von Maschinen und Anlagen durch Zustandsüberwachung und Datenanalyse. In der Theorie ist das bereits möglich, es scheitert jedoch häufig an der praktischen Umsetzung: Oft fehlt es zum Beispiel – ganz grundsätzlich – an einer Definition der relevanten Messwerte. In anderen Fällen gestaltet sich die Datenbereitstellung als schwierig. Oder es kommt vor, dass die Bewertungskriterien unklar sind – weil diese nicht selten sehr komplex sind und für jede Anwendung individuell festgelegt werden müssen.

Quadt: Im Zusammenspiel von Maschinen und Anlagen gibt es so viele Kausalitäten, von denen wir noch gar nicht alle kennen. Der Ansatz muss daher sein, eine Messkultur zu etablieren und so viele messbare Größen wie möglich zu erfassen. Später stellen intelligente Algorithmen fest, welche Größen überhaupt benötigt werden. Da muss man dem Kunden auch klar sagen: Wir haben eine Idee, aber noch nicht die Lösung! Diese muss gemeinsam erarbeitet werden. Insofern sind Condition Monitoring und präventive Wartung bereits für viele Unternehmen ein Thema, aber ein schlüssiges Ergebnis fehlt oft.

Schleef: Darüber hinaus bieten Montagetätigkeiten, bei denen bislang viele Handgriffe notwendig waren, noch viel Potenzial für Automatisierung; etwa durch den Einsatz von Cobots. Handwerkliche Tätigkeiten werden ebenfalls massiv automatisiert, zum Beispiel in der Baubranche. Ein weiterer Trend sind digitale Hilfsmittel wie die Datenbrille oder die Hololens, mit denen Mitarbeiter unter anderem bei der Inbetriebnahme oder Wartungstätigkeiten aus der Ferne mit Informationen oder Anleitungen unterstützt werden können.

Quadt: In jedem Fall werden Mensch und Maschine näher zusammenrücken und stärker vernetzt. Wartungsarbeiten in teils virtueller Umgebung sind dafür nur ein Beispiel. Viele Tätigkeiten können dadurch schneller, effektiver und fehlerärmer ausgeführt werden. Ein virtuelles Design, etwa von Maschinen und Anlagen, gibt es ja bereits – aber in Zukunft kann auch deren Inbetriebnahme virtuell stattfinden. So lassen sich Optimierungspotenziale entdecken, noch bevor die Anlage überhaupt physisch gebaut wurde. Ich bin überzeugt: Die Entwicklung der industriellen Automation ist noch lange nicht abgeschlossen.