Industrie 4.0-Anwendungen: Die Rolle von Simulation und Modellierung

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In unserer komplexen Welt werden auch Produkte und Produktion zunehmend komplex. Welche Rollen spielen Simulation und Modellierung im Zuge von Industrie 4.0?

Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) prägen zunehmend Produkte und Produktionsanlagen. Diese Technologien werden genutzt, um gewünschte Funktionalitäten und Mehrwerte der Produkte und Produktionsanlage durch das Zusammenwirken mit anderen Systemen zu erreichen. Die Auslegung und der Betrieb solcher vernetzter Systeme erfordern neue Ansätze der Modellierung und Simulation: Industrie 4.0-Anwendungen.

In der Expertise “Modellierungs- und Simulationsbedarfe der intelligenten Fabrik”, (Herausgeber Forschungsbeirat der Plattform Industrie 4.0/acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften) wurden bestehende Modellierungs- und Simulationsansätze auf ihren bisherigen Fortschritt und die Anwendbarkeit auf neuartige Industrie 4.0-Systeme untersucht. Hier ein Überblick über die Ergebnisse.

Modellierung und Entwicklung

Modellbildung und Simulation sind sowohl in der Produktentwicklung als auch Produktionsplanung nicht mehr wegzudenken. Produkte und Produktionsanlagen können damit schnell ausgelegt und frühzeitig virtuell überprüft werden, wodurch der Aufwand von kostenintensiven physischen Anpassungen in einem geringen Rahmen gehalten werden kann. Das wachsende Zusammenspiel zwischen verschiedenen Systemen zur Mehrwertgenerierung sorgt jedoch zunehmend dafür, dass die virtuelle Betrachtung einzelner für sich stehender Systeme in der Auslegung nicht mehr ausreicht, um effizient Produkte entwickeln und fertigen zu können. Die Betrachtung von Verbünden und von externen Einflüssen ist zunehmend entscheidender für den Erfolg der Produktion und des Produkts selbst.

Zudem müssen die Maschinen selbst auch in ihrer Nutzungsphase dazu befähigt werden, schnell auf unvorhergesehene Situationen reagieren zu können. Nur so kann eine resiliente und effiziente Produktion gewährleistet werden. Dazu werden intelligente Fähigkeiten benötigt, durch die Systeme zur schnellen eigenständigen Entscheidungsfindung und -unterstützung befähigt werden. Die Grundlage für diese Fähigkeiten bilden Modellbildung und Simulation.

Expertise gibt Anhaltspunkte

In der Expertise „Modellierungs- und Simulationsbedarfe der intelligenten Fabrik“ wurde einschlägige Fachliteratur zu aktuellen Modellierungs- und Simulationsansätzen analysiert und durch eine Befragung von Expertinnen und Experten zu ihrer Einschätzung von beherrschten und angestrebten Industrie 4.0-Fähigkeiten untermauert. Auf diese Weise wurde ein Delta-Bild ermittelt, welches heutige beherrschte, adressierte und kaum adressierte Industrie 4.0-Fähigkeiten gegenüberstellt.

Diese wurden angelehnt an die vom Forschungsbeirat der Plattform Industrie 4.0 identifizierten Themenfelder in die Bereiche Planung und Auslegung, Betrieb, Erprobung, Engineering sowie Kompetenz geclustert. Dabei zeigte sich, dass gerade im Betrieb von Industrie 4.0-Anwendungen bereits fortgeschrittene Ansätze vorherrschen, wie etwa in der Erfassung und Visualisierung von Zuständen und Parametern oder der virtuellen Inbetriebnahme. Ein Großteil der Industrie 4.0-Fähigkeiten in der Planung und Auslegung werden hingegen kaum in der Industrie angewandt, wie etwa die Ermittlung des globalen Optimums der Produktnutzung.

Fähigkeiten von Industrie 4.0-Anwendungen

Noch deutlicher zeichnet sich dieses ungleiche Bild bei der Betrachtung der Komplexität von Industrie 4.0-Fähigkeiten ab. Hier zeigt sich, dass es für komplexere Industrie-4.0-Fähigkeiten an entsprechenden Lösungen zur Umsetzung mangelt: Während es beispielsweise bereits vermehrt gut ausgeprägte Industrie-4.0-Fähigkeiten für singuläre Industrie-4.0-Lösungen gibt, konnten wenige bis gar keine Lösungen für komplexe Systembünde oder gar die tiefere Integration von und mit Menschen ermittelt werden.

Gerade im Hinblick auf den von der EU ausgerufenen Wandel zu einer nachhaltigen, menschenzentrierten und resilienten europäischen Industrie stehen hier noch einige Herausforderungen bevor. Um die tiefere Integration und Nutzbarkeit für die Industrie erreichen zu können, ist es erforderlich, bestehende Modellierungs- und Simulationsansätze zu koppeln und als Industrie 4.0-Anwendungen industriell nutzbar zu machen. Gekoppelte Simulationen sind dabei, etwa über OPC-UA und FMI , bereits verstärkt in der Forschung und teilweise in der Industrie präsent, benötigen jedoch noch eine Verbesserung und Erprobung der Anwendbarkeit. Erste Forschungsergebnisse liegen auch in der hybriden Simulation vor, also der Kopplung diskreter und kontinuierlicher Simulationsverfahren, beispielsweise der event-diskreten Materialflussplanung mit kontinuierlichen dynamischen Bedarfssimulationen des Marktes. Für die Integration in die industrielle Praxis ist jedoch eine bessere semantische Verknüpfung erforderlich. Durch diese werden kontextabhängige Simulationen ermöglicht.

Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass für die intelligente Fabrik eine Vielzahl offener Forschungs- und Entwicklungsbedarfe existieren: zum Beispiel die Verbindung komplexer Systeme zur Analyse des Gesamtsystems oder Semantik zur Verknüpfung von Industrielösungen und Modelldaten. Als weitere Forschungsbedarfe wurden die Interaktion mit dem Menschen sowie die Integration von Realdaten in Simulationsmodelle identifiziert. Während es sich bei einigen davon um Grundlagenforschung handelt, wie etwa bei der Anpassung bestehender Modellklassen für die bessere Einbindung von Realdaten, besteht bei einem Großteil der Themen vor allem Industrialisierungsbedarf über Verbundforschungsprojekte und Verbundprojekte in Forschungsclustern.

Die Autoren: Marvin Manoury und Jörg Brünnhäußer vom Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK.

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