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Forschungsprojekt RES-COM: Erster Baustein zur ressourcenschonenden Produktion für Industrie 4.0

Durch zentrale Paradigmenwechsel in der Industrie verändern sich derzeit die Grundlagen der Produktion. Die klassische, zentral gesteuerte Produktionshierarchie wird durch die dezentrale Selbstorganisation der Produkte abgelöst werden. Digital veredelt mit Cyber-Physischen Systemen, die die Brücke zwischen dinglicher und digitaler Welt schlagen, werden Produkte zu Smart Products, die den Produktionsprozess aktiv unterstützen. Der schonende Einsatz von Energie und Ressourcen wird dabei zur Randbedingung für einen erfolgreichen Produktionsstandort. Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 verdichtet aktuelle Informatiktrends zur 4.Industriellen Revolution.

 

Vergleichbar mit sozialen Webdiensten wie Facebook und Twitter, in denen Menschen sich austauschen, geben industrielle Erzeugnisse und Alltagsgegenstände Auskunft über ihren Zustand, über Umgebung, Produktionsprozesse oder Wartung, und das entweder auf Nachfrage oder selbsttätig. Cyber-Physische Systeme machen Produkte kommunikationsfähig und verbinden sie so mit der Datenwelt des Web zu einem Internet der Dinge. Bei der Entwicklung dieser Cyber-Physischen Systeme, die integrierte Speicher- und Kommunikationsfähigkeiten, Sensoren, Aktuatoren und digitale Produktgedächtnisse verbinden, wird in Deutschland bereits auf die Ergebnisse mehrerer erfolgreicher Forschungsprojekte zurückgegriffen, deren Zielsetzung die Erforschung und Nutzung des Technologietrends für innovative Produkte und Lösungen ist. Beispielhaft ist das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Innovationsallianz Digitales Produktgedächtnis geförderte Verbundprojekt SemProM (Semantic Product Memory).

Maschine-zu-Maschine Kommunikation und Funksensor-Netzwerke unterstützen die
Ressourcenschonung in Produktion und Wartung


Produkte und ihre Einzelkomponenten werden die zentrale Rolle in Herstellungs- und Logistikprozessen spielen: Sie wissen, welche Bauteile integriert wurden, wie sie transportiert und gelagert werden müssen und sie geben die entscheidenden Signale für den weiteren Produktionsprozess, dessen Ablauf in ihrem digitalen Produktgedächtnis gespeichert ist. Das entstehende Produkt steuert somit den Fertigungsprozess selbst, überwacht über die eingebettete Sensorik die relevanten Umgebungsparameter und löst bei Störungen entsprechende Gegenmaßnahmen aus – es wird gleichzeitig zum Beobachter und zum Akteur. Dabei folgt die Produktion immer dem Takt des Menschen, dessen Eingreifen jederzeit möglich bleibt.

 

Die Geschäftspotenziale von Industrie 4.0 liegen jedoch nicht nur in der betrieblichen Prozessoptimierung, sondern auch in Dienstleistungen für vielfältige Anwendungsbereiche. Komplementiert wird das Internet der Dinge durch das Internet der Dienste, denn Smart Products bieten ihre Fähigkeiten als intelligente Dienste an. Diese neue Generation von Produkten kann über das Internet durch Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) eigenständig Informationen austauschen, Aktionen auslösen und sich wechselseitig steuern.

 

Dynamisierte, dezentrale Produktionsprozesse bieten Ansätze für die Effizienzsteigerung beim Ressourceneinsatz: Ereignisse wie Störungen im Produktionsablauf, differierende Rohstoffqualitäten, Energie- oder Materialen Engpässe werden durch dezentrale Sensorik erfasst und zeitnah umgesetzt. Reibungsverluste durch den Informationsfluss über eine zentrale Steuerungseinheit werden minimiert. Der Ressourcenbedarf wird dynamisch ermittelt und geplant: Ressourcen wie Wasser, Energie oder Rohstoffe können „on demand“ bereit gestellt und auch abgerufen, Überkapazitäten reduziert werden. Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) werden so zum Motor für eine ressourcenschonende Produktion. Damit ist es beispielsweise möglich, nicht nur den ökonomischen, sondern auch den besonderen ökologischen Anforderungen einer CO2-neutralen, energieeffizienten, urbanen Produktion besser gerecht zu werden.

 

Ein erster Baustein auf dem Weg zu ressourcenschonenden Produktions- und Dienstleistungsangeboten ist das BMBF-geförderte Forschungsprojekt RES-COM. In RES-COM werden Szenarien einer kontextaktivierten Ressourcenschonung durch hochvernetzte und integrierte Sensor-Aktuator-Systeme von eingebetteten Systemen bis zu Cyber-Physischen Systemen prototypisch umgesetzt – eine große wissenschaftliche Herausforderung, deren Lösung durch die Vorreiterrolle Deutschlands auf dem Gebiet des Internet der Dinge in greifbare Nähe gerückt ist.

Das digitale Produktgedächtnis, eingebettete Systeme und Softwaredienstagenten bilden die Basistechnologien. Vernetzt durch Maschine-zu-Maschine Kommunikation treffen verteilte Systeme ganzheitliche Entscheidungen, welche ressourcenrelevante Parameter der Unternehmensleitebene, Anlagenteile und individuelle Produkt-spezifikationen berücksichtigen. Ressourcenverschwendung wird zum Anlagenfehler, der sich aufgrund detaillierter Aufzeichnungen – einschließlich deren Entscheidungs-grundlage – in kürzester Zeit diagnostizieren lässt. Durch eine Standardisierung der Kommunikationsstrukturen kann Ressourcenschonung dabei als Dienstleistung angeboten werden – in einer Plattform, welche Auftraggeber und -nehmer flexibel miteinander verbindet und Entscheider genauso wie ausführende Techniker im Sinne ressourcenschonenden Handelns begleitet. Das Ergebnis sind material- und energieeffiziente ressourcenfreundliche Technologien und Prozesse.

 

Zentrale Herausforderung für eine produktgesteuerte Herstellung ist die Anpassung der IKT – Strukturen für eine Kommunikation zwischen Datenquellen, Anlagen und Produkten. Im Laufe ihres Lebenszyklus werden Produkte oftmals untrennbar zu komplexeren Einheiten verschmolzen, definieren einen Vorgang durch physische Nähe, oder hängen nur logisch zusammen als Elemente eines Prozesses. Zukünftige IT-Systeme müssen die Kommunikation dieser temporär oder permanent entstehenden Informationskollektive unterstützen und nutzbar machen, um eine umfassende und detaillierte Sicht auf den Einsatz von Ressourcen in assoziierten Vorgängen zu erhalten. Sie eröffnen nicht nur neuartige Möglichkeiten der Ressourcenschonung bei Automatisierung, Produktion und Wartung, sondern schaffen darüber hinaus die Grundlage für eine ganzheitliche, branchen-übergreifende Betrachtung der kosteneffizienten und verantwortungsvollen Ressourcennutzung.

 

Der RES-COM-Ansatz basiert auf einer völlig neuartigen Kerntechnologie, die aus der Komposition Aktiver Digitaler Produktgedächtnisse und Softwaredienstagenten mit eingebetteter Sensorik und Aktuatorik besteht. Beispielhaft genannt sei der Nutzen von RES-COM bei der Transparenz und Optimierung des Infrastrukturbetriebes im Sinne einer „Energy-Supply-Chain“, beim Materialeinsatz für die Vision einer „Null-Ausschuss-Produktion“ sowie bei der intelligenten Prozessführung, etwa mittels einer Übertragung der aus dem Automobil bekannten Start-Stopp-Automatik in den Bereich der urbanen Produktion. Aktive Produktgedächtnisse erfassen Ressourcenverbräuche dezentral, bewerten sie und kommunizieren untereinander zur autonomen Optimierung der zugrundeliegenden Prozesse. RES-COM adressiert diese Anforderungen durch eine Vernetzung lokal verteilter, autonomer Systeme mit zentralisierten Strukturen im Sinne der Vision eines Internets für Ressourceneffizienz.

 

RES-COM ist im Juni 2011 gestartet und wird über eine Laufzeit von drei Jahren im Rahmen des Programms IKT 2020 mit einem Volumen von ca. 9 Mio. € vom BMBF, Referat 514 IT-Systeme, gefördert.

 

Das DFKI ist Konsortialführer; Gesamtprojektleiter ist Prof. Dr. Wolfgang Wahlster. Weitere Partner sind: SAP AG, Siemens AG, IS Predict GmbH, 7x4 Pharma GmbH.

 

 

Prof. Willem Jonker, Geschäftsführer EIT ICT LABS, besucht die
SmartFactoryKL in Kaiserslautern