Pure Industrie 4.0: Welk klinkende toekomstmuziek

Bij de 2e topontmoeting „Industrie 4.0 Live“ in juli 2017 presenteerde het Fraunhofer-instituut voor productie- en automatiseringstechniek IPA een reeks toegepaste oplossingen voor de digitalisering van de productie. Een deel van de getoonde use cases betreft heel concreet het toepassingsgebied cleanroom. Dit zette de redactie van reinraum online aan tot nadere navraag in een één-op-één gesprek en om het onderwerp en de toepassingen wat nader onder de loep te nemen.
Industrie 4.0, digitalisering, digitale transformatie, Internet of Things, Smart Products, Smart Services, IoT, Virtual Production – aan trefwoorden voor de nieuwste ontwikkelingen in de wereld van productie ontbreekt het echt niet. Bij de veelheid aan begrippen vraag je je echter af: weten eigenlijk alle mensen die deze mooie woorden uitspreken ook daadwerkelijk wat ze betekenen? Daar is reden toe om dat te betwijfelen, want zelfs onder vakmensen en erkende experts bestaan grote meningsverschillen en begripsverschillen.

En nadat het Fraunhofer-instituut IPA nu ook nog begrippen als Reine Industrie 4.0, Schoonheidsgerechte Productie en Reinheidsspecifieke Automatiseringssystemen in de scene heeft geworpen, wilden wij van de wetenschappers uit Stuttgart weten wat zij daar precies onder verstaan. Dat was volgens ons, zo legde Dr. Udo Gommel uit, hoofd van de afdeling Reinst- en Mikroproductie, niet zomaar in twee zinnen uit te leggen. Ook de verantwoordelijke projectleider, Dr. Tim Giesen, ziet de veelheid aan begrippen meer als een factor van verwarring dan als nuttige differentiatie.

Verwarrende Begrippen - een poging tot verduidelijking

Dus proberen wij ons hier eerst aan een begripsbepaling, zonder enige pretentie op volledigheid of zelfs absolute geldigheid, uiteraard. Want, zoals gezegd, in dit veld begrijpt iedereen sowieso iets anders onder de begrippen en dagelijks ontstaan nieuwe woorden en uitdrukkingen.

Industrie 4.0, vaak afgekort als I4.0, is momenteel enorm in de mode. Daarbij is de term niet alleen heel breed, maar inmiddels ook al behoorlijk afgezaagd en wordt steeds meer gebruikt als een soort slogan om de tendens tot digitalisering van productieprocessen te schetsen en het beeld van een fabriek van de toekomst te creëren. Wat daar precies onder verstaan wordt, blijft echter meestal in het duister. Als concept staat Industrie 4.0 voor de vierde industriële revolutie, waarbij na de mechanisering (Industrie 1.0), massaproductie (Industrie 2.0) en automatisering (Industrie 3.0) nu het Internet der Dingen en Diensten zijn intrede doet in de productie. Eerste stappen in die richting zijn al gezet en de mogelijkheden lijken grenzeloos. Industrie 4.0 raakt heel veel waardeketen-niveaus en biedt volgens unanimiteit van de experts enorme potenties voor productiviteitsverhoging en kostenreductie. Tot wel 30 procent zou dat kunnen zijn, menen de voorspellers, wat grote groeikansen en concurrentievoordelen oplevert.

Omdat in het verleden al machinebouw en elektrotechniek in de mechatronica elkaar hebben gevonden, wordt nu bij Industrie 4.0 ook nog de derde discipline, de informatie- en communicatietechnologie, geïntegreerd en worden de gebieden sterk met elkaar verbonden. Zo ontstaan fabrieken waarin intelligente machines informatie uitwisselen en zelfstandig organiseren. Werkstukken zijn in de fabriek van de toekomst met de machines verbonden en sturen zo de productie. Hierdoor wordt de productie flexibeler en efficiënter, vooral omdat de machines direct communiceren met de IT-systemen van het bedrijf en zo een continue informatiestroom ontstaat. Van massaproducten worden steeds meer unieke exemplaren, passend bij de trend van personalisering van producten. Elk onderdeel, elk product krijgt in de digitale productiewereld een datatechnische 'Identiteit', waarmee het zelfstandig door de slimme fabriek navigeert en op elk moment gelokaliseerd en aangestuurd kan worden.

Het Internet der Dingen, vaak ook IoT of Internet of Things genoemd, beschrijft de wereld die ontstaat wanneer gebruikte apparaten, voorwerpen en producten worden uitgerust met microchips of sensoren en zelf automatisch informatie sturen, bijvoorbeeld over gebruik of vulstand, naar de informatiesystemen. Deze apparaten en voorwerpen worden Smart Objects genoemd.

Smart Objects brengen gegevens mee over hun eigen bedrijfs- en productiestanden of ook over hun actuele locatie, die afhankelijk van het gebruik worden verzameld, geüpdatet en geëvalueerd. Zo kunnen machines zelfstandig informatie doorgeven over gebruik, vulstanden, gepland onderhoud, etc., of tijdens de productie informatie geven over de nog benodigde productiestappen (woord: klantgerichte productie).
Net als Smart Objects zullen er ook steeds meer Smart Services komen. Dit betekent dat intelligente producten na levering aan de klant gedurende hun gebruiksduur verbonden blijven met het internet en enorme hoeveelheden data over hun eigen bedrijfs- en productstatus opslaan in een datacloud. Hieruit volgt de mogelijkheid om de klant op maat gemaakte datagedreven diensten aan te bieden, en dat weer leidt tot het ontstaan van talloze nieuwe businessmodellen.

Tot de fabriek van de toekomst behoort ook de mogelijkheid om alle machines van een bedrijf niet alleen onderling, maar ook met de systemen van toeleveranciers en klanten te verbinden. Zo kan op afwijkingen en storingen optimaal en in realtime worden gereageerd. Maar ook de mens speelt een centrale rol in de slimme fabriek, de 'Smart Factory'. Als 'Augmented Operator' bestuurt en bewaakt hij de productieprocessen van het productienetwerk met behulp van IT-ondersteunende assistentiesystemen, zoals bijvoorbeeld een data-bril.

Natuurlijk hebben al deze ontwikkelingen ook en steeds meer betrekking op het cleanroomgebied, omdat vandaag de dag en in toenemende mate in de toekomst steeds meer productieprocessen onder cleanroomcondities of in ieder geval in de schone ruimte moeten plaatsvinden. Daarom heeft het Fraunhofer-instituut IPA binnen de afdeling Reinst- en Mikroproductie een nieuwe organisatie-eenheid opgericht met de naam 'Reinheidsspecifieke Automatiseringssystemen', die interdisciplinaire en inhoudelijk heterogene opstelling heeft en toepassingsoplossingen ontwikkelt voor 'Schoonheidsgerechte Productie'. Hier zijn voorloperprojecten voor Industrie 4.0 gevestigd, die gekenmerkt worden door een intensieve verbinding van wetenschap en praktijk enerzijds en door de integratie van hardware en software anderzijds, en die de toekomst mede vormgeven.

Wat betekent Industrie 4.0 in de cleanroom?

De wetenschappers van het IPA zijn ervan overtuigd dat de ontwikkeling richting 'Clean Intelligence', dus de weg naar de intelligente cleanroom van de toekomst, in drie stappen zal verlopen. Projectleider Dr. Tim Giesen licht toe: "Momenteel bevinden we ons nog op de onderste trede van deze piramide. Hier gaat het om toenemende transparantie, die ontstaat door toegang tot data in de cleanroom, door geautomatiseerde documentatie en verzameling van data in de cleanroom en door geautomatiseerde rapportage op shopfloor-niveau." Op de tweede ontwikkelingsfase gaat het dan om de zogenaamde Interconnection, dus om de realtime communicatie van informatiestromen en datastromen via cyber-physische systemen tijdens de productie. Op de derde fase, de zogenaamde Clean Intelligence, wordt in de toekomst de volledige beschikbaarheid van alle processen als services bereikt, waarbij enorme datamengen (Big Data) worden gegenereerd en patroonherkenning wordt toegepast om de totaliteit van de processen te managen en de workflows te coördineren.

Met het oog op de door het IPA in de afdeling Reinst- en Mikroproductie ontwikkelde toepassingsvoorbeelden voor de cleanroom 4.0 legt Giesen verder uit: "De nieuwe applicaties helpen daarbij om de eigen cleanroom als productielocatie beter te kennen in termen van transparantie, zodat niet alleen mogelijke foutbronnen kunnen worden geïdentificeerd, maar ook processtromen kunnen worden geoptimaliseerd." Zo kan men bijvoorbeeld door alle mogelijke waarden vast te leggen, naar de cloud te sturen en daar op te slaan, exacte informatie krijgen over de toestand en vulstanden van de machines en apparaten in de cleanroom, de actuele bezetting, welk product er wordt vervaardigd, welke personen zich op dat moment in de cleanroom bevinden, en of mogelijk bepaalde grenswaarden worden overschreden, en nog veel meer.

Dit draagt volgens de wetenschapper er uiteindelijk toe bij om meer transparantie te krijgen over de lopende processen en dus ook meer duidelijkheid over de oorzaken van foutieve producties, en om de foutbronnen gericht uit te schakelen. Het is echter ook van groot belang voor de productiviteit, bijvoorbeeld wanneer materiaalvulstanden in realtime worden gecommuniceerd en zo tijdig voor aanvulling zonder onderbreking kan worden gezorgd. Afdelingshoofd Dr. Udo Gommel voegt hieraan toe dat er een zeer breed toepassingspotentieel ligt dat vele verschillende behoefte- en toepassingssituaties bedient – en dat alles via dezelfde netwerktechnologie.

Als voorbeeld kan de zogenaamde 'Cleanroom Scout' dienen, die momenteel bij het IPA wordt ontwikkeld. Het betreft een kleine decentrale bewaker die in de cleanroom ofwel het product ofwel personen beschermt en bewaakt in het kader van arbeidsveiligheid en productveiligheid. Ook het gebied van 'Predictive Maintenance', dat gebaseerd is op actuele gebruiks- en slijtagegegevens en voorspellend onderhoud van apparaten en systemen, zal volgens prognoses grote veranderingen brengen in het productielandschap. Zo worden in de toekomst bijvoorbeeld via sensoren in de as van een productiemachine bepaalde data verzameld, zoals de temperatuur. Als de temperatuur stijgt, duidt dat op verhoogde wrijving en wijst het op een naderend onderhoud. Deze mogelijkheid om slijtage te detecteren en op het juiste moment te verhelpen, zorgt voor een precieze afstemming van de capaciteitsplanning op de onderhoudscycli van de apparaten. Storingen worden zo voorkomen en de productiviteit verhoogd. In de cleanroom zijn vooral de filtersystemen voor deze voorspellingsmodellen geschikt, maar ook alle mogelijke verbruiksmaterialen.

Roadmap naar de cleanroom van de toekomst

Bij het IPA heeft men in de afdeling van Dr. Gommel een vrij concrete roadmap ontwikkeld, die laat zien waar we nu staan en waar de reis naartoe leidt. Projectleider Dr. Giesen legt uit dat bijvoorbeeld de vandaag al technisch beschikbare Condition Monitoring-systemen, die op elk moment uitgebreide informatie kunnen geven over de toestand van apparaten, in de toekomst vanzelfsprekend onderdeel zullen zijn van cleanrooms. Ook de papierloze cleanroom speelt een grote rol in de futuristische overwegingen, waarbij wordt gewerkt aan het volledig uitschakelen van de contaminatiebron papier door gebruik van mobiele apparaten zoals tablets en het koppelen van de verschillende analysetools aan deze apparaten. Terwijl vandaag de data nog vooral centraal worden beheerd, brengt de toekomst van de cleanroom gedecentraliseerde benaderingen, waardoor in de toekomst slimme componenten in de cleanroom worden ingezet die ook locatie-overstijgend communiceren met systemen en zo in realtime worden gecoördineerd.

Een eveneens toekomstbestendige technologie is de Track-and-Trace-methode, waarbij de slimme 'Dingen' in de cleanroom zowel informatie over hun locatie als over hun toestand geven, leggen de IPA-wetenschappers uit. Verder opent zich ook de mogelijkheid om de persoonlijke beschermingsmiddelen van de medewerkers in de cleanroom uit te rusten met sensoren en zo te controleren op contaminatie en slijtage, en zelfs te gebruiken voor toegangscontrole. De toenemende capaciteit van slimme componenten om zichzelf volledig te beschrijven, inclusief de koppeling aan de hogere informatiesystemen, opent enorme toepassingsgebieden. Zo wordt de cleanroom een soort zelfbeheerende bewaker die alle daarin opererende eenheden coördineert, beheert en orkestreert.

Als al een concreet ontwikkelde toepassing 'van overmorgen' is bij het IPA een Augmented Reality-toepassing te zien, waarbij de operator in de cleanroom via een Hololens-bril een volledig beeld van de machine ziet, dat hem via ingeblikte contextinformatie bijvoorbeeld aangeeft in welke toestand de machine zich bevindt, welke componenten zich op dat moment op het apparaat bevinden, welke materialen worden getest en hoe lang het experiment nog duurt. Op deze manier kan hij de processen sturen zonder het apparaat aan te raken.

Een andere interessante aanpak, die bij het IPA wordt aangeduid als 'Inside-Out-technologie' en voorlopig waarschijnlijk nog toekomstmuziek blijft, maakt het mogelijk om een in de cleanroom aanwezige machine 'van buitenaf' te benaderen via een tablet-applicatie. Zo hoeft de operator de cleanroom niet te betreden. In plaats daarvan richt hij van buitenaf een marker op de machine aan en verschijnt onmiddellijk een exact beeld van de machine op het scherm. Via dit beeld worden de besturingen uitgevoerd op basis van de ingeblikte contextinformatie. Daarnaast worden indien nodig alle benodigde data en informatie over relevante onderdelen, apparaten, sensoren, processen, tot aan de telefoonnummers van de klantenservice, weergegeven.

De toekomst is dus al begonnen, ook al is er nog veel ontwikkelwerk te doen en zal het enige tijd duren voordat de nieuwe technologieën daadwerkelijk hun weg in de cleanrooms zullen vinden. Reinraum online volgt de verdere stappen richting Cleanroom 4.0 nauwgezet en rapporteert regelmatig.