Die Digitalisierung gilt als zentraler Hebel, um Produktionsprozesse nachhaltig effizienter zu gestalten und Kosten zu reduzieren. Kontinuierliche Datenerfassung und Echtzeitanalyse machen Schwachstellen sichtbar und schaffen die Basis für eine systematische Prozessoptimierung. Vorausschauende Wartung vermeidet ungeplante Stillstände und verlängert die Lebensdauer von Maschinen und Anlagen. Gleichzeitig ermöglicht die digitale Vernetzung hochgradig flexible Produktionssysteme, die schnell auf variierende Losgrößen und individuelle Kundenanforderungen reagieren können. In der Praxis stehen insbesondere mittelständische Unternehmen vor einer besonderen Herausforderung: Ihre Produktionslandschaften sind über Jahrzehnte gewachsen und zeichnen sich durch heterogene Anlagen mit unterschiedlichen Digitalisierungsgraden aus. Diese Bestandsanlagen sind häufig integraler Bestandteil laufender Prozesse und wirtschaftlich wertvoll – ein vollständiger Austausch ist weder technisch noch ökonomisch sinnvoll. Gefragt sind daher ganzheitliche Digitalisierungskonzepte, die mit minimalem Kapitaleinsatz realisierbar sind.
Retrofit einer Forschungsanlage
Ein Ansatz ist das Retrofit – die gezielte Modernisierung oder funktionale Nachrüstung bestehender Systeme. Ziel ist es, Leistungsfähigkeit, Effizienz und Lebensdauer zu steigern, den aktuellen Stand der Technik mit vertretbarem Aufwand zu erreichen und den Wert vorhandener Anlagen nachhaltig zu sichern. Im Rahmen ihrer Arbeiten führten die Wissenschaftler des Zukunftslabors Produktion ein umfassendes digitales Retrofit an einer Aluminiumdruckgießanlage durch, die von einem assoziierten Partner bereitgestellt wurde. Die Anlage wies stark variierende Digitalisierungsgrade ihrer Komponenten auf.
Im ersten Schritt wurden bislang nicht digitalisierte Anlagenteile mit geeigneter Sensorik und entsprechenden Datenverarbeitungseinheiten ausgestattet. Diese Einheiten erfassen und aggregieren die von der Sensorik gewonnenen Maschinendaten. Bereits auf dieser Ebene wurde ein Konzept implementiert, das relevante von irrelevanten Daten unterscheidet. Dadurch reduziert sich das zu verarbeitende Datenvolumen, was Analysegeschwindigkeit und Kosteneffizienz signifikant erhöht. Über eine standardisierte Schnittstelle werden die Sensordaten an einen Edge-Computer übertragen und dort weiterverarbeitet. An der Druckgießanlage konnten so sowohl die technische Nachrüstung validiert als auch eine umfassende Datenerfassung unter realen Bedingungen erprobt werden.
Einheitliche Modellierung von Software
Im nächsten Schritt stand die ganzheitliche Modellierung der Hard- und Softwarekomponenten im Fokus. Ziel war es, eine konsistente Grundlage zu schaffen, um komplexe, verteilte und heterogene Systeme besser zu verstehen, effizienter zu betreiben und kontinuierlich zu verbessern. Für die Hardware-Modellierung kam das Konzept Favia (Flexible Anlagensteuerung für verteilte Industrie-Automatisierung) zum Einsatz. Favia beschreibt die technische Struktur eines Systems – in diesem Fall der Druckgießanlage – und erlaubt eine dynamische Anpassung der Steuerungshardware an unterschiedliche Einsatzszenarien. Auf Softwareseite basiert der Ansatz auf dem Standard IEC61499, der für die Entwicklung verteilter Steuerungssysteme in der industriellen Automation konzipiert ist und modulare, flexible Architekturen unterstützt.
Die Wissenschaftler erweiterten das Softwarekonzept dahingehend, dass aus der Modellierung auch maßgeschneiderte Hardware abgeleitet werden kann. An der Druckgießanlage wurde dies exemplarisch demonstriert: Eine spezielle Kraftsensorik, die nicht mit Standardkomponenten betreibbar ist, konnte durch die Erweiterung gezielt integriert werden. Die Softwareentwicklung erfolgt mit Eclipse 4diac, einem Open-Source-Werkzeug zur Implementierung verteilter Automatisierungslösungen auf Basis von IEC61499.
Zur komponentenübergreifenden Modellierung des gesamten Anlagenverbunds entwickelten die Wissenschaftler zudem das Vorgehensmodell Vali-CPPS (Verification And Large Scale Integration for Cyber Physical Production Systems). Es ermöglicht eine durchgängige Abbildung der Steuerungssoftware, macht globale Ablaufstrukturen transparent und integriert Mechanismen zur frühzeitigen Vermeidung von Softwarefehlern. Auch diese Modellierung erfolgt in Eclipse 4diac, sodass eine konsistente Entwicklungsumgebung für resiliente Produktionsanlagen entsteht. Vali-CPPS ist dabei ausdrücklich auf heterogene Anlagen mit Komponenten unterschiedlicher Hersteller und Digitalisierungsgrade ausgelegt.
Kontraktbasierte Entwicklungsmethodik
Der Standard IEC61499 unterstützt eine modulare, objektorientierte Entwicklung mittels Funktionsblöcken, die logische und zeitliche Abläufe in vernetzten Systemen beschreiben. Bei der Integration hochkomplexer Anlagen stößt der Standard jedoch an Grenzen – insbesondere dann, wenn funktionale Anforderungen systematisch abgesichert werden müssen. Hier setzt die kontraktbasierte Entwicklung an. Kontrakte definieren explizit, welche Leistungen eine Komponente garantiert (Zusicherung) und welche Randbedingungen sie von ihrer Umgebung benötigt (Voraussetzung), um spezifikationskonform zu arbeiten. Dadurch lassen sich Integrationsrisiken reduzieren und Systemanforderungen formal absichern.
Die Wissenschaftler erweiterten IEC61499 um diese Methodik und passten Eclipse 4diac entsprechend an. Kontrakte können nun direkt in der Entwicklungsumgebung modelliert und geprüft werden. Dies ist insbesondere beim Übergang vom Systems Engineering zum Software Engineering relevant, da Anforderungen schrittweise konkretisiert werden. Die Kontrakte dienen dabei als formale Absicherung der jeweiligen Konkretisierungen. Sowohl funktionale Anforderungen an die Steuerungssoftware als auch die Kommunikation zwischen Anlagenkomponenten lassen sich nun kontraktbasiert modellieren.
Darüber hinaus wurde Eclipse 4diac um Funktionen zur Entwicklung von Steuerungssoftware für robotische Systeme erweitert, die auf dem Robot Operating System (ROS) basieren. ROS und klassische Industrie-Automation sind traditionell nur schwer integrierbar. Durch eine automatische Codegenerierung kann nun aus IEC61499-basierten Modellen direkt ausführbarer ROS-Code erzeugt werden. Damit werden beide Welten auf Modell- und Codeebene zusammengeführt.
High-Level-Modellierung
Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der High-Level-Modellierung von Produktionsprozessen mit integrierter Codegenerierung. Dabei wird das Gesamtsystem auf einer abstrakten Ebene beschrieben – mit Fokus auf Hauptkomponenten und deren Interaktionen. Spezielle Werkzeuge übersetzen diese Modelle automatisch in ausführbaren Steuerungscode, der anschließend z.B. Roboter, Sensoren oder Fördersysteme ansteuert. Das Vorgehensmodell Vali-CPPS unterstützt diesen Ansatz, indem es eine abstrakte Modellierung der Steuerungslogik erlaubt und so den Übergang vom Systems Engineering zum Software Engineering strukturiert vereinfacht.
Überprüft wurde der Ansatz in der Testfabrik Tipi-Fab. Dort wird eine personalisierte Spardose aus Holz gefertigt und graviert. Der Prozess umfasst mehrere Schritte: Gestaltung der Gravur, Aufbereitung der Druckdaten, Einlegen des Werkstücks in den Lasercutter, Entnahme nach der Bearbeitung, Entsorgung des Verschnitts sowie Verpackung und Auslieferung. Charakteristisch ist die nichtlineare Prozessstruktur – einzelne Schritte wie das Einlegen des Holzes und die Datenaufbereitung können parallel erfolgen. „Das mit Vali-CPPS entwickelte Prozessmodell zeigt Abhängigkeiten zwischen einzelnen Arbeitsschritten auf. So kann die Gravur erst nach dem Einlegen des Holzes erfolgen. Gleichzeitig werden Freiheitsgrade transparent, etwa die parallele Durchführung bestimmter Prozessschritte“, erläutert Dr. Jörg Walter, OFFIS – Institut für Informatik.
