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Das sollten Ingenieure über KI in der Automatisierung wissen

Die Industrie 4.0 entwickelt sich ständig weiter. Und Edge-KI wird sie noch stärker verändern.

Der Begriff Industrie 4.0, der die vierte industrielle Revolution beschreibt, kam erstmals 2015 auf und wurde schnell akzeptiert. Damals spielte die künstliche Intelligenz (KI) noch keine so große Rolle. "Industrie 4.0" wird aber durchaus als dehnbarer Begriff verwendet, der auch die Digitalisierung der industriellen Automatisierung umfasst.

Die ist besonders schnelllebig, und Kosten sind stets ein wesentlicher Faktor. Da es bei der Automatisierung um Kostenminimierung geht, entwickelt sich auch die Technologie, die in der industriellen Automatisierung eingesetzt wird, ständig weiter. Denn schon kleine Änderungen können hier große Einsparungen bedeuten. Und da die Automatisierung immer komplexer wird, werden auch die Lieferketten immer vielschichtiger. Spezialanbieter entwickeln Lösungen und passen sie laufend an die sich ändernden Anforderungen an. Dieser Artikel soll einen Einblick in aktuelle Entwicklungen geben und die Bedeutung der KI für Automatisierung und Maschinenbau klären.

Eine kurze Geschichte der Automatisierung

Man kann sagen, dass die Automatisierung mit dem ersten Industrieroboter in den 1960er Jahren begann. Oder begann sie schon viel früher, mit dem Fließband von Henry Ford?

Später revolutionierte die Robotik die Produktionslinien und zeitigte den Begriff Robotic Process Automation. Dieser bezieht sich auf repetitive Prozesse, die einfach genug sind, um von einer Maschine (oder Software) ausgeführt zu werden − mit keiner oder nur geringer Beteiligung eines menschlichen Bedieners. 

In Produktionsumgebungen ist die Automatisierung auf einen konstanten Zufluss von Rohstoffen angewiesen. Ein Roboter, der auf deren Verarbeitung programmiert ist, kann Arbeitsschritte endlos wiederholen, solange die entsprechenden Rohstoffe zugeführt und ihm die Erzeugnisse abgenommen werden. Dieser Vorgang wird als Maschinenbeschickung bezeichnet. Als Roboter eingeführt wurden, waren sie zunächst recht unflexibel und für ganz bestimmte Aufgaben vorgesehen. Und sie mussten von qualifiziertem Personal bedient werden. Dessen Rolle hat allerdings mit der voranschreitenden Entwicklung immer weiter an Bedeutung verloren. Heutzutage wird oft auch die Maschinenbeschickung selbst von Robotern übernommen.

AI in automation

Dieser Trend beschleunigt sich mit dem Aufkommen der KI noch. Diese "unbeaufsichtigte Produktion" erfordert nur sehr wenige oder gar keine Menschen und wird deshalb auch als "lights out manufacturing" bezeichnet, weil keine Beleuchtung mehr nötig ist.

Fünf wichtige Entwicklungen

Es gibt viele Bereiche, in denen KI und Automatisierung neue Wege eröffnen. Das Resultat diser Entwicklung kann in eine komplett nachfragegesteuerte Produktion in Fabriken ganz ohne menschliches Personal sein, die mit erneuerbaren Energien und komplett recycelten und recyclingfähigen Materialien betrieben werden.

Doch dafür braucht es mehrere Schlüsseltechnologien. Und die durchlaufen seit der Einführung der künstlichen Intelligenz ihrerseits jeweils eigene "Digitalisierungen".

Intelligente Prozessautomatisierung: Dieser Begriff bezeichnet die robotergestützte Prozessautomatisierung (s. o.) seit der Einführung der KI. Denn die Roboter sind nicht mehr darauf beschränkt, dieselbe Aufgabe immer und immer wieder auf dieselbe Weise auszuführen. Das können sie zwar auch weiterhin; sie können ihre Arbeitsweise mit Blick auf externe Bedingungen oder anderer Einflüsse aber auch anpassen und verbessern. So können sie beispielsweise kleinere Mängel an Ausgangsmeterialien mithilfe des maschinellen Sehen (s. u.) erkennen.

Cobots: Sogenannte kollaborative Roboter oder "Cobots" sind Roboter, die speziell für die Zusammenarbeit mit menschlichem Bedienpersonal entwickelt werden. Damit unterscheiden sie sich erheblich von der robotergestützten und der intelligenten Prozessautomatisierung, da sich der Roboter seiner Umgebung hier noch stärker "bewusst" werden muss. Noch wichtiger ist aber, dass Cobots so konzipiert sein müssen, dass sie für Menschen ungefährlich sind. Viele Industrieroboter arbeiten zum Schutz des Menschen in abgetrennten Bereichen. Doch Cobots kommen auch ohne eine solche physische Barriere aus. Und sie nutzen Technologien wie KI, um potenzielle Gefahren zu erkennen und sicher darauf zu reagieren.

Maschinelles Sehen: Beim maschinellen Sehen handelt es sich um eine etablierte Technologie, die dank KI allerdings deutlich erweitert wird. Der Einbau von Kameras in Produktionslinien ist nichts Ungewöhnliches. Doch die Verwendung von KI in diesen Kameras sowie zur Analyse von Bildinhalten katapultiert das maschinelle Sehen auf eine völlig neue Ebene.

Automatisierte mobile Roboter: Cobots sind zwar dafür gedacht, zusammen mit Menschen zu arbeiten. Sie können aber trotzdem ortsfest sein. Automatisierte mobile Roboter oder AMRs sind dagegen so konzipiert, dass sie sich in einem viel größeren Bereich bewegen und darin arbeiten können. Neben Steuerungszwecken wird KI in AMRs vor allem dazu verwendet, Standort, Umgebung und natürlich potenzielle Sicherheitsrisiken zu erkennen.

Edge Computing: Diese Technologie wird weit mehr als nur die industrielle Automatisierung verändern. Denn je mehr KI und maschinelles Lernen in Geräten eingesetzt werden, desto näher rücken diese an den Netzwerkrand. Intelligente IoT-Knoten sind dabei nur eine Form des Edge Computing, intelligente Maschinen möglicherweise eine weitere.

KI in der Automatisierung − Ausblick

Künstliche Intelligenz kommt in vielen Formen vor. Sie kann Know-how einbringen und automatisierte Abläufe vereinheitlichen und damit effizienter machen. Sie kann aber auch bewirken, dass Systeme dazulernen und besser mit Abweichungen umgehen können.

Denn die immer gleiche Anwendung von Erfahrungswerten ohne jede Variation, kombiniert mit der Fähigkeit, ständig dazuzulernen und besser zu werden, zeichnet künstlich intelligente Systeme aus. Und genau damit kann KI die industrielle Automatisierung in Zukunft bereichern.

Es wird erwartet, dass KI in den nächsten zehn Jahren zu Wachstumschüben in sämtlichen Branchen führen wird. Und Analysten sind sich weitestgehend darin einig, dass dieses Wachstum etwa 20 % betragen wird.

Man kann also davon ausgehen, dass KI immer stärker in die industrielle Automatisierung eingebunden werden wird, wenn sich Technik und Technologie gemeinsam entwickeln. Die Technologie basiert dabei sowohl auf Hardware als auch auf Software, die sich in sämtlichen Branchen nutzen lässt. Die Verfahren zu ihrer Implementierung werden dabei an die jeweilige Anwendung angepasst.

Deshalb ist davon auszugehen, dass KI zunächst ganz konkrete Automatisierungsaufgaben übernehmen wird. Dies geschieht heute bereits in visuellen Systemen für die Produktinspektion.

Doch das Ausmaß, in dem KI die Automatisierung durchdringen wird, sollte keinesfalls unterschätzt werden. Denn schon bald könnte sie viele industriellen Prozesse steuern, auf mehreren Ebenen arbeiten und so ein völlig neues Produktionsparadima hervorbringen.

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