FabOS - Offenes, verteiltes, echtzeitfähiges und sicheres Betriebssystem für die Produktion

Ein universelles Betriebssystem für die Fabrik der Zukunft

Im KI-Projekt FabOS entsteht eine Plattform, die vor allem mittelständischen Unternehmen eine schnelle und flexible Automatisierung von Produktionsprozessen ermöglicht. Nach dem Vorbild von Betriebssystemen werden darauf Komponenten bereitgestellt, die nicht nur Maschinen, IT-Infrastrukturen und Dienste miteinander verknüpfen, sondern auch eine nahtlose Integration und Nutzung von KI-Anwendungen in allen Bereichen der Produktion gewährleisten. Gleichzeitig garantiert die Offenheit der FabOS-Plattform, dass Unternehmen sich nicht an Lösungen oder Vorgaben bestimmter Hersteller binden müssen.

Partner

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein (Konsortialführer), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH, Universität Stuttgart, TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG, Nokia Solutions and Networks GmbH & Co. KG, Siemens Aktiengesellschaft, Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung, Advaneo GmbH, Kenbun IT AG, inno-focus digital gmbh, USU Software AG, Sotec Software-Entwicklungs-GmbH & Co. Mikrocomputertechnik KG, ASCon Systems Holding GmbH, COSMO CONSULT Data & Analytics GmbH, Carl Zeiss 3D Automation GmbH, SYSGO GmbH, BÄR Automation GmbH, Eclipse Foundation Europe GmbH, NXP Semiconductors Germany GmbH, COMPAILE Solutions GmbH.

Herausforderung

Aktuell scheitert der Einsatz von KI-Anwendungen in der Produktion meist an der Heterogenität der eingesetzten IT-Systeme sowie mangelnden Standards bei der Datenerhebung auf Maschinenebene. Für viele Anwendungen müssen hohe Aufwände etwa für die Installation der notwendigen Sensoren betrieben werden. Große Technologiekonzerne beherrschen mit ihren Cloud-Plattformen und Kommunikationskomponenten zudem den Markt. Gerade für mittelständische Unternehmen besteht so die Gefahr, sich langfristig von diesen Lösungen abhängig zu machen. Mit FabOS wird Unternehmen eine offene Plattform geboten, die ihnen gleichzeitig Datensouveränität und Open-Source-Lösungen bietet. Mit Hilfe der bereitgestellten Komponenten können insbesondere mittelständische Unternehmen ihre Produktionsprozesse flexibel ohne große Programmieraufwände anpassen und dabei auch KI-Anwendungen einbinden.

Umsetzung

Die FabOS-Plattform arbeitet ähnlich wie ein Computer-Betriebssystem als Schnittstelle für den Informationenaustausch zwischen Maschinen, im Unternehmen verwendeten IT-Systemen und KI-Diensten. Dazu setzt FabOS auf die Industrie 4.0 Verwaltungsschale (VWS, engl.: Asset Administration Shell (AAS)), die aktuell als Standard entwickelt wird. Die Verwaltungsschale meint die Implementierung eines digitalen Zwillings in Industrie 4.0. In VWS-Teilmodellen finden sich transparent sämtliche relevante Informationen zum jeweiligen Produktionselement wie Maschinen, Sensoren oder IT-Anwendungen, diese dienen  als interoperable Kommunikationsschnittstellen.

Die Verwaltung von Datensätzen und KI-Modellen lässt sich ebenfalls mit der VWS unterstützen. Damit ermöglicht sie die Vernetzung und den Datenaustausch der einzelnen Komponenten untereinander. Mit FabOS wird dieses Prinzip erstmals explizit auch auf KI-Dienste in der Produktion angewendet. Für produzierende Unternehmen wird so eine einfache Implementierung von KI-Lösungen und deren Verknüpfung zu einem intelligenten Produktions-Ökosystem, im Sinne von Industrie 4.0, ermöglicht. Im Rahmen des Projektes entwickelte Teilmodelle werden in Kooperation mit dem Projekt InterOpera weiterentwickelt und in die Standardisierung bei der Industrial Digital Twin Association (IDTA) eingebracht.

Für die Plattform verwendet FabOS einen modularen Ansatz mit offenen, standardisierten Schnittstellen, die in einer Referenzarchitektur beschrieben werden. Das macht das System flexibel anpassbar und nach Bedarf erweiterbar. Außerdem ermöglicht die technologische Offenheit der FabOS-Plattform den Unternehmen die Nutzung von KI-Anwendungen oder IT-Systemen unterschiedlicher Hersteller und verhindert so die technologische Abhängigkeit von einzelnen Software- oder Hardware-Anbietern (s.g. Vendor Lock-Ins).

Anwendung und Nutzen

Durch die FabOS-Plattform erhalten besonders mittelständische Unternehmen Zugriff auf Referenzarchitekturen und KI-Basisdienste, um ihre Produktion zu verbessern, ohne sich technologisch von einzelnen Herstellern abhängig zu machen. Angebote von FabOS werden in die Open-Source-Gemeinschaft der Eclipse Foundation integriert. Während der Projektlaufzeit wurden bereits erste Open-Source-Komponenten veröffentlicht. Diese können sowohl von potenziellen  Nutzerinnen und Nutzern als auch Anbietern von KI-basierten Diensten erprobt werden. Durch den Open-Source-Ansatz ist eine Beteiligung an der Entwicklung von FabOS jederzeit und einfach möglich.

Automatisierung und KI-gestützte Prozessoptimierung an Werkzeugmaschinen

Am Beispiel einer Laserschneidemaschine wird getestet, wie Betrieb und Wartung durch die KI-Auswertung der Maschinendaten optimiert und Wartungsnotwendigkeiten oder Maschinenschäden proaktiv vorhergesagt werden können, bevor es zu Auswirkungen oder Ausfällen kommt (Predictive Maintenance). Digitale Zwillinge (Digital Twins) schaffen dabei einen nahtlosen Datenaustausch für den Einsatz von KI-Modellen und Anwendungen entlang des gesamten Produktlebenszyklus.

Inline-Prozessüberwachung am Beispiel Fräsen100 % Inline-Prozessüberwachung am Beispiel Fräsen

Mittels Sensoren erhobene Daten eines Fräsprozesses werden aus der Maschine ausgeleitet und mithilfe von KI weiterverarbeitet. Hierbei werden Prozessdaten zu Qualitätsdaten des Produktes transformiert und dem Kunden oder einem beteiligten Partner als Wareneingangsdaten über eine unternehmensübergreifende Cloud bereitgestellt. Da instanzbasierte Daten aufgenommen werden, erhält der Kunde für jedes Teil die IST-Information, wie z.B. Abmaße und Oberflächengüte. Der Fertigungsprozess kann dann dynamisch angepasst werden, anstatt ständig zu enge und damit kostentreibende Toleranzen vom Lieferanten einzufordern. In der vorliegenden Demo-Anwendung wird durch die Analyse von Rattermarken, die durch Schwingungen im Prozess verursacht werden, mittels KI-Modellen die Qualität der Bauteile vorhergesagt. Beim Kunden werden den Vorhersagen der berechneten Werte Ergebnisse eines Messprozesses gegenübergestellt, um durchgehend die Qualität in der Fertigungskette zu optimieren.

Optimierung von Bewegungsabläufen bei Robotern

Ein weiterer Use Case betrifft Greif-Roboter in der Produktion. Dabei wird unter anderem getestet, wie physische Bewegungsabläufe von Robotern, etwa das Ergreifen von Teilen aus einem Behälter, mit Hilfe des Digitalen Zwillings verbessert werden können. Dabei probt der Roboter den Bewegungsablauf in der virtuellen Simulation so lange, bis er die Bewegung sicher beherrscht. Zudem wird untersucht, wie Safety-Anforderungen von KI-gestützten Roboteranwendungen und KI-Anwendungen im Allgemeinen überwacht und erfüllt werden können.

Ohne FabOS	Mit FabOS
Viele Unternehmen wollen KI in ihre Produktion integrieren. Durch hohen organisatorischen und finanziellen Aufwand für KI-Implementierungen werden die Vorhaben nicht umgesetzt und Innovationspotenziale bleiben ungenutzt.	Die FabOS-Plattform ermöglicht Anwendern eine einfache Entwicklung und Implementierung von KI-Lösungen für die Produktion. Dazu stellt die Plattform eine Art universell einsetzbares Betriebssystem für die Fabrik zur Verfügung, worüber Maschinen, IT-Systeme und KI-Anwendungen für einen durchgehenden Zugriff auf Daten und Informationen verknüpft werden.
KI-Anwendungen in der Produktion sind Insellösungen, die auf spezifische Anwendungsfälle hin entwickelt und angepasst sind. Eine einfache Übertragung auf andere Kontexte ist deswegen unmöglich, die KI-Anwendung also nicht flexibel einsetzbar oder skalierbar.	FabOS ermöglicht die Nutzung von wiederverwendbaren Basisdiensten und die einfache Bereitstellung von Verwaltungsschalen. Durch die Nutzung von Verwaltungsschalen werden Hard- und Software-Komponenten standardisiert semantisch beschrieben.
Haben sich Unternehmen erstmal für einen Anbieter zur Implementierung von KI-Anwendungen entschieden, sind sie meist an diesen gebunden (Vendor Lock-In). Eine Erweiterung oder Verknüpfung der Anwendung mit Lösungen anderer Hersteller oder der Anbieterwechsel sind nur schwer möglich.	Durch die Nutzung von Open Source-Technologien und durch die Verwaltungsschale beschriebenen offenen Schnittstellen wird bei FabOS eine technologische Abhängigkeit von einzelnen Anbietern verhindert. Die Anbindung von Anwendungen verschiedener Hersteller ist flexibel möglich.