CPS-Talk: Abteilungsleiter Dr.-Ing. Arvid Hellmich im Gespräch

Hallo Arvid, du bist Leiter der Abteilung “IIOT-Steuerungen und technische Kybernetik“. Kannst du den Leserinnen und Lesern eine kurze Erklärung zu diesen beiden Begrifflichkeiten geben?

Im Abteilungsnamen gibt es zwei Bestandteile: Zum einen die „IIOT-Steuerung“, also die industrielle Steuerung im Internet der Dinge und die „Technische Kybernetik“. Dabei umfasst die IIOT-Steuerung im Grunde auch wieder zwei Welten: Zum einen IOT als das Internet of Things. Dazu gehören smarte Geräte, die im Netz hängen und kommunizieren, wie z. B. intelligente Kühlschränke, die Milch nachbestellen, wenn die letzte Tüte herausgenommen wurde.

Wenn man zum anderen die Vernetzung der Komponenten – wie im IOT – auf Steuerungstechnik überträgt, haben wir die Möglichkeit, ähnlich intelligente Schlüsse automatisch zu ziehen, aber eine andere Anforderung an das Internet. Hier wird industrietaugliches Internet gebraucht. Das bedeutet, dass die Anlage zu jedem Zeitpunkt mit dem Netz verbunden sein muss, da ein Internetausfall einen Stillstand einer Anlage bedeutet und damit ein größeres Problem darstellt. Daher brauchen wir hier das industrial internet of things (IIOT). Die Steuerungen sind dann die Geräte, die in diesem hängen – also beispielsweise die Steuerungen für Maschinen, Roboter oder intelligente Maschinenkomponenten.

Die Kybernetik als zweiter Bestandteil wird bezeichnet als die Lehre von der Regelung von Prozessen. Dort wird unterschieden in die Kybernetik der Biologie und Kybernetik von technischen Prozessen. Wir klammern als produktionstechnisches Institut die biologischen Prozesse ein wenig aus und fokussieren uns auf die Regelung von Vorgängen von technischen Prozessen. In unserem Kontext bedeutet das einerseits die Regelung von Produktionssystemen, wie beispielsweise deren Achsen, um genaue Positionierungen zu gewährleisten. Andererseits betrachten wir aber die Prozessabläufe und notwendige Schritte, damit dieser so abläuft, wie gefordert.

Du hast mir wie in der Abbildung zu sehen, vier Themenschwerpunkte deiner Abteilung genannt. Im Folgenden möchte ich gern mehr über diese erfahren. Lass uns dazu doch mit dem zu diesem Blog namensverwandten Themenschwerpunkt Kognitive Produktion starten. Was kann man sich darunter denn vorstellen?

Unter der Kognitiven Produktion verstehen wir die Befähigung technischer Systeme, ihre Umwelt wahrzunehmen und den Prozess, den sie steuern, darauf anzupassen. Diese Wahrnehmung interagiert dabei mit bereits gelernten Dingen und zieht daraus die richtigen Schlüsse. Die Funktionen einer Kognitiven Produktion ermöglichen es auch, Menschen in den Prozess einbinden. Als Ziel sehen wir hier, dass Maschinen und Prozesse sich autonom an den aktuellen Zustand anpassen können. Das gelingt aus der Gemengelage der aufgenommenen Sensorinformationen, einer Intelligenten Datenvorverarbeitung und der Anbindung an KI-Systeme. Hier sehen wir unser Handlungsfeld und versuchen auch mal neu und anders zu denken und von verschiedenen Seiten an Probleme heranzutreten.

Was IIOT-Steuerungen sind, hast du bereits erklärt. Welche Aspekte umfasst die Arbeit der Abteilung in diesem Themenschwerpunkt?

Im Themenschwerpunkt IIOT Steuerungen liegt ein Hauptaugenmerk darauf, die Anwendungen verschiedener Maschinen und Anlagen mal ein bisschen weiter zu denken. Das bedeutet für uns unter anderem, Roboter auch für die Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile einzusetzen. Hier spielen die Themen NC-Steuerung, Vermessung, Handling und das Greifen immer verschiedener Bauteile eine wichtige Rolle. Das ist deswegen eine Herausforderung, da die Bauteile immer eine andere Struktur bzw. Größe aufweisen und möglicherweise auch in kleinen Losgrößen vorliegen. Die Nutzung von Standardgreifern ist daher keine Option.

Deswegen arbeiten wir an intelligenten Greifern und benötigen dafür smarte Mechanismen und Algorithmen. Ein Beispiel, wo solche adaptiven Algorithmen für Roboter auch zum Tragen kommen, ist der Robo Operator. Dies ist eine komplett integrierte Zelle, die mit Werkzeugmaschinen interagieren kann, ohne mit dieser direkt vernetzt zu sein. Das funktioniert, indem der Robo Operator mit modernen Ansätzen der Kameratechnik seine Umgebung „beobachtet“. Auch hier ist „ständig alles anders“ und wir kommen mit unseren flexiblen Algorithmen zum Zug. Stolz bin ich auf den Robo Operator, weil es uns gelungen ist, ihn fachübergreifend als System aus Mechanik-/Regelungs- und Steuerungstechnik sowie Kameratechnik zu denken und ihn auch integriert zu entwickeln.

Der zweite Themenschwerpunkt ist eng mit dem dritten Schwerpunkt der Fähigkeitsbasierten Steuerungen verknüpft. Was sind hier die Ziele bzw. Visionen eurer Arbeit?

Der aktuelle Stand in der Automatisierung ist oft noch die klassische, rein aufgabenbezogene Programmierung. Das ist jedoch dahingehend unvorteilhaft, als dass auf Veränderungen im Produktionsablauf nur sehr umständlich und durch einen ausgebildeten Steuerungsprogrammierer reagiert werden kann. Daher ist es unser Ziel, Steuerungen basierend auf Bibliotheken aufzubauen. In diesen sind Fähigkeiten abgelegt, aus denen der Bediener sich ein aufgaben- und bauteilspezifisches Programm konfigurieren kann. Wir fassen es gerne zusammen als: „parametrieren, statt programmieren“. In diesem Sinne ist es auch möglich, dass Bauteile ihren Steuerungscode als Element der Bibliothek mitbringen. So kann ein Bauteil kommunizieren, welche Art von Bauteil es ist, welche Fähigkeiten es hat und kann so mithilfe des mitgebrachten Codes einfach in den Ablauf der Leitsteuerung integriert werden. Das ist eine Idee, die voll in die Denkweise von Industrie 4.0 hineinspielt.

Im Kontext des vierten Themenschwerpunktes haben wir hier auf dem Blog bereits einige Fachbeiträge geteilt. Was umfasst eure Arbeit im Themenschwerpunkt Virtuelle Inbetriebnahme?

Generell beschäftigen wir uns in diesem Feld mit der Verbindung zwischen Simulation und industrieller Steuerung. Dabei ist die Besonderheit, dass die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) ein Softwaresystem ist, wo „echte“ Steuerungen angeschlossen werden und “echte” Steuerungsfunktionen in der Simulation überprüft und verbessert werden können. Das erlaubt uns eine sehr viel genauere Abbildung der Steuerungsfunktionen in der Simulation. Als Anwendungsziel sehen wir hier die steuerungsbezogene Analyse der Anlagen im gesamten Lebenszyklus. So können wir aktuell schon mit Hilfe von VIBN Machbarkeitsuntersuchungen unterstützen und so unsere Kooperationspartner beraten, welcher Roboter sich beispielsweise am besten für das beschriebene Anwendungsfeld eignet.

Du sagst, dass du nicht ohne Grund Mechatronik studiert hast und dass systemübergreifendes Denken einen großen Bestandteil deiner Arbeit ausmacht. Was fasziniert dich an deiner Arbeit in der Abteilung bzw. am Fraunhofer IWU?

Nun, neulich hat ein Bewerber zu mir gesagt, dass er es mag, wenn „Dinge in Bewegung sind“. Das geht mir genauso: ich sehe es gerne, wenn etwas, was vorher starr und unbeweglich war, durch Intelligenz und Vernetzung von Regelungs- und Steuerungstechnik in die Lage versetzt wird, sich so zu bewegen, wie es gedacht war. Außerdem denke ich sehr gerne fachbereichsübergreifend „im System“. Schließlich habe ich nicht ohne Grund Mechatronik – eine Kombination verschiedener Fachbereiche – studiert. Genau dieses „Rechts-und-Links-Denken“ macht uns als IWU aus. Wir sind durch die Vielzahl an Expertise in der Lage, in die Breite zu denken, aussagefähig zu sein und können so funktionierende Systeme statt einzelner Komponenten liefern.

Danke Arvid für dieses sehr interessante und spannende Interview über deine und die Arbeit der Abteilung! Ich hoffe, wir konnten den Leserinnen und Lesern einen guten Einblick in die Welt der IIOT-Steuerungen und technischen Kybernetik am Fraunhofer IWU geben. Für Rückfragen und Kontaktaufnahme nutzen Sie gerne die angegebene Mailadresse oder vernetzen sich mit Herrn Dr. Hellmich auf LinkedIn.

Kleiner Lesetipp zum Schluss: Falls Sie schon immer erfahren wollten, wie Forschungsinhalte, die originär aus der Luft- und Raumfahrt stammen, Anwendung in der Produktion finden, empfehle ich Ihnen das kommende Interview mit Herrn Marcus Thiele. Als Abteilungsleiter der Abteilung Digitaler Produktionszwilling am Fraunhofer IWU berichtet er das und noch viel mehr in seinem Interview, welches am 20.01.2022 live geht.