Lean Management und Industrie 4.0. Ein Konzept eines ganzheitlichen Produktionsparadigmas

Inhaltsverzeichnis

I. Inhaltsverzeichnis

II. Abbildungsverzeichnis

III. Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Thema
1.2 Literatur
1.3 Ziele der Arbeit
1.4 Vorgehen und Rahmenbedingungen
1.5 Relevanz der Thematik

2 Produktion
2.1 Der volkswirtschaftliche Zusammenhang
2.2 Eigenschaften und Ziele von Produktionsarbeit
2.2.1 Einflüsse
2.2.2 Ziele

3 Industrie 4.0
3.1 Die Entwicklung
3.2 Die Bestandteile
3.3 Das Konzept
3.4 Treibende Kräfte hinter der vierten industriellen Revolution
3.4.1 Bewegung in Deutschland
3.4.2 Bewegungen international
3.5 Herausforderungen und Kritiken

4 Lean Management
4.1 Historie des Lean Managements
4.2 Philosophie des Lean Management
4.3 Prinzipien & Einstellungen
4.4 Methoden
4.4.1 Streben nach Perfektion
4.4.2 Prozessorientierung

5 Die Synthese
5.1 Einleitung
5.2 Zusammenhang und Spannungsfelder
5.2.1 Ansatz 1: Verschwendung
5.2.2 Ansatz 2: Die Grenzen von Lean

6 Schlussbetrachtung

IV. Literaturverzeichnis

II. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Die industrielle Bruttowertschöpfung der EU

Abbildung 2: Entwicklung der Wirtschaftslage von Deutschland und Frankreich

Abbildung 3: Das magische Dreieck auf Basis der Kundenzufriedenheit

Abbildung 4: Die industriellen Revolutionen

Abbildung 5: Die Komponenten von Industrie 4.0

Abbildung 6: Die fünf Paradigmen der Industrie 4.0

Abbildung 7: Vertikale und horizontale Integration

Abbildung 8: Zusammensetzung der Plattform Industrie 4.0

Abbildung 9: Eine Einteilung der Lean-Bereiche

Abbildung 10: Eine Wertschöpfungskette

Abbildung 11: Die acht Verschwendungsarten der Lean Production

Abbildung 12: Eine Kategorisierung von Lean-Methoden

Abbildung 13: Der Zusammenhang zwischen Standards, PDCA und KVP

Abbildung 14: Ein Wertstrom

Abbildung 15: Übersicht Zielkategorien Unternehmen

Abbildung 16: Reduzierung der gefahrenen Zyklen

Abbildung 17: Reduzierung der gefahrenen Teilrunden

Abbildung 18: Zusammenhang zwischen Lean und Industrie 4.0

III. Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Herleitung des BIP

Tabelle 2: Beispiele für die Zielgrößen der Produktion

1 Einleitung

1.1 Thema

Industrie 4.0 und Lean Management: handelt es sich um konkurrierende oder sich ergänzende Konzepte? Bei dem Thema dieser Arbeit Konzept eines ganzheitlichen Produktionsparadigmas als Synthese des Lean Managements und Industrie 4.0, geht es um die richtige Vorgehensweise in der zukünftigen Produktionsarbeit. Dabei wird die Produktion in dieser Ausarbeitung aus volkswirtschaftlicher und unternehmerischer Sicht betrachtet und mit der Lean Production als Teil des Lean Managements und der Industrie 4.0 werden zwei Vorgehensweisen für die Produktionstätigkeit vorgestellt. Diese beiden Konzepte verfolgen im Grunde ähnliche Kernziele, nämlich das Schaffen einer wettbewerbsfähigen Produktion. Der Weg, den das jeweilige Konzept verfolgt, um dieses Ziel zu erreichen, ist dabei teilweise sehr ähnlich, teilweise aber auch grundverschieden. Ein wichtiger Teil der Arbeit ist daher auch die Idee einer Vereinigung der beiden Vorgehensweisen, um damit eine mögliche Richtung und Anstöße für die Produktionsarbeit der Zukunft zu liefern.

1.2 Literatur

Da es sich bei dem vorliegenden Werk um eine rein literaturgestützte Arbeit handelt, wurden bestimmte Quellen zu einem sehr wichtigen Bestandteil, wovon einige besonders hervorzuheben sind.

Für die allgemeine Betrachtung der Produktion waren dies hauptsächlich das Statistische Bundesamt, die Europäische Kommission und Jürgen Kletti und Jochen Schumacher mit dem Werk Die perfekte Produktion.¹ Im Rahmen des Lean Management und seiner Philosophien und Methoden lieferte Franz J. Brunner mit dem Buch Japanische Erfolgskonzepte einen wichtigen Beitrag.² Im Zusammenhang von Industrie 4.0 und der späteren Synthese der Konzepte lieferte vor allem das Buch Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik von Thomas Bauernhansel, Michael ten Hompel und Birgit Vogel-Heuser wichtige Informationen.³

1.3 Ziele der Arbeit

Die Arbeit verfolgt im Grunde zwei primäre Ziele: Einerseits sollen viele Begrifflichkeiten, rund um die Produktionsarbeit geklärt werden, um dadurch eine gewisse Basis an theoretischem Wissen zu schaffen. Andererseits soll die Arbeit ein Verständnis für den Gesamtzusammenhang verschiedener Faktoren und Kernziele von Produktions- und im übertragenen Sinn auch Unternehmenstätigkeit liefern und darüber hinaus zu Ideen für grundsätzliche Vorgehensweisen und gezielte Optimierungsmaßnahmen anregen. Diese Ziele werden durch eine allgemeine, theoretische Betrachtung und konkrete, praktische Beispiele verfolgt.

1.4 Vorgehen und Rahmenbedingungen

Der Einstieg in die Arbeit erfolgt auf einer allgemeinen Ebene, mit der Analyse der Produktion als Wirtschaftsfaktor, gefolgt von den abgeleiteten Zielgrößen, die Unternehmen zur Optimierung ihrer Produktion verfolgen. Im Anschluss wird mit Industrie 4.0 ein aktuelles Produktionskonzept anhand seiner Entstehung, Komponenten und Konzepte vorgestellt. Um die notwendige Ganzheitlichkeit eines Produktionsprogrammes zu erzeugen, folgt im vierten Kapitel die Vorstellung des Lean Managements. Die genannten Betrachtungen münden in der Synthese im vorletzten, fünften Kapitel.

Diese Synthese von Industrie 4.0 und Lean Management beschränkt sich im Rahmen dieser Arbeit auf Faktoren der Produktion. Um ein ganzheitliches Produktionskonzept darzustellen, in dem auch alle an den Produktionssektor angrenzenden Bereiche betrachtet werden, ist eine noch umfangreichere Darstellung erforderlich.

1.5 Relevanz der Thematik

Das vorrangige Ziel der meisten Unternehmen ist die Steigerung der Wertschöpfung, der Ausbau von Marktanteilen und die Sicherung oder Verbesserung der Unternehmensposition im Wettbewerb mit Konkurrenten. Für Produktionsunternehmen ist es daher von hoher Relevanz, eine leistungsstarke und effiziente Fertigung zu besitzen. Mit diesem Hintergrund ist das große Interesse an der Thematik Produktionsarbeit oder Produktionsarbeit der Zukunft die logische Folge. Erkennbar wird dieses Interesse anhand zahlreicher Veranstaltungen oder Veröffentlichungen zu dieser Thematik, wovon hier einige beispielhaft vorgestellt werden:

Das Fraunhofer Institut hat bereits 2013 eine umfangreiche Studie mit dem Titel Produktionsarbeit der Zukunft – Industrie 4.0 vorgelegt, worin die verschiedenen Einflussfaktoren auf die Produktion untersucht, Experten und Vertreter aus Unternehmen dazu befragt und Ergebnisse der Betrachtung dargestellt wurden.⁴ Die Staufen AG, eine der wichtigsten Lean-Unternehmensberatungen, hat 2015 eine Studie mit dem Titel Deutscher Industrie „4.0 Index“ – Industrie 4.0 und Lean veröffentlicht. Darin geht es um den aktuellen Umsetzungsstand von Industrie 4.0 und Lean und den Zusammenhang der beiden Konzepte.⁵ Auf der LeanAroundTheClock-Veranstaltung, einer Plattform zum Austausch über Lean-Themen, die Anfang 2016 zum ersten Mal stattfand, wurde auch der Zusammenhang von Lean und Industrie 4.0 in Vorträgen angesprochen und anschließend diskutiert.⁶ Im September 2016 veranstaltet die Schaeffler AG zusammen mit einem Fachverlag der F.A.Z. das TOP Transfer Forum mit dem Thema Lean meets Industrie 4.0. Hierzu haben bereits zahlreiche Unternehmen ihre Teilnahme angekündigt.⁷

Ohne bei den aufgelisteten Studien und Veranstaltungen wirklich ins Detail zu gehen, wird eine rege Beteiligung von verschiedenen Protagonisten aus der Praxis und Forschung erkennbar und somit die Relevanz der Thematik bestätigt.

2 Produktion

2.1 Der volkswirtschaftliche Zusammenhang

Deutschlands Wirtschaft ist geprägt von einem hohen Industrieanteil. Der Anteil der Produktion am Bruttoinlandsprodukt des Landes (vgl. Tabelle 1) liegt schon seit 20 Jahren nahezu auf demselben Niveau.⁸ Im Jahr 2014 wurde über ein Viertel des Bruttoinlandsprodukts durch das produzierende Gewerbe erzeugt und etwa jeder vierte Erwerbstätige in Deutschland (24,4%) ist in diesem Wirtschaftssektor tätig.^{9 10} Innerhalb Europas liefert die deutsche Produktion mit 31% den höchsten Anteil zur Bruttowertschöpfung (vgl. Abbildung 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Herleitung des BIP ¹¹

Diese Zahlen sollen ein Gefühl dafür vermitteln, dass das produzierende Gewerbe einen bedeutenden Faktor der deutschen Wirtschaft bildet. Es ist Garant für Wohlstand, Beschäftigung und Zukunftssicherheit und wichtige Basis für darauf aufbauende Dienstleistungen. Eine Befragung des Fraunhofer Instituts bei über 600 produzierenden Unternehmen ergab, dass mehr als 90% dieser Unternehmen in Deutschland auch in Zukunft einen wichtigen Produktionsstandort sehen.¹² Der Stellenwert der Produktion scheint also auch in Zukunft erhalten zu bleiben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Die industrielle Bruttowertschöpfung der EU ¹³

Auch aus europäischer Sicht kommt der Produktion eine hohe Bedeutung zu. 2 Mio. der europäischen Unternehmen sind im produzierenden Gewerbe tätig und erzeugen 60% des Produktivitätszuwachses.¹⁴ Das Beschäftigungsniveau in der europäischen Industrie liegt dabei ähnlich wie in Deutschland, bei ca. einem Viertel der Erwerbstätigen.

Nachdem der industrielle Anteil in vielen europäischen Ländern, durch eine Verlagerung in den Dienstleistungssektor, lange Zeit eher rückläufig war, ist nun wieder ein Bestreben zur Stärkung der Produktion erkennbar. Der Hauptgrund dafür liegt in der weltweiten Wirtschafts- und Finanzkrise aus den Jahren 2008/2009. Der Verlauf des Wirtschaftswachstums im Rahmen der Krise hat gezeigt, dass sich ein hoher industrieller Anteil positiv ausgewirkt hat. Der Zusammenhang ist in Abbildung 2 dokumentiert. Die Grafik zeigt den Verlauf des deutschen und des französischen Wirtschaftswachstums. Deutschland, mit einem hohen Anteil an Produktion, wurde zwar zunächst stärker von der Wirtschaftskrise geschwächt, hat sich aber andererseits wieder schneller und besser davon erholt und ist im Endeffekt stärker daraus hervorgegangen. Frankreich hingegen besitzt einen geringen industriellen Anteil und konnte nach der Krise das vorherige Wirtschaftswachstum weder erreichen, noch übertreffen. Diese Entwicklung ist auf die Struktur der Wirtschaft zurückzuführen und bedingte, dass der industrielle Sektor wieder stärker in den Fokus der Politik rückte.¹⁵ Diese Entwicklung ist auch in Großbritannien erkennbar. Das Land ist stark vom Finanzsektor abhängig und wurde dementsprechend auch stark von den Auswirkungen der Krise getroffen. Mittlerweile hat sich die Wirtschaft Großbritanniens wieder erholt und um sich vor einem ähnlichen Verlauf abzusichern, bestehen Bestrebungen der Politik, den industriellen Sektor wieder zu stärken.¹⁶ Auch in den USA ist die Rede von einer Re-Industrialisierung. Hier ist die Entwicklung hauptsächlich auf günstige Energiepreise, niedrige Arbeitslöhne, eine wachsende Bevölkerung, moderne Infrastruktur und ausgeprägte technische Kenntnisse zurückzuführen. Die niedrigen Energiekosten sind auf die vorhandenen Reserven, gewonnen durch den Einsatz der Fracking-Technologie, zurückzuführen.¹⁷

Ob und wann eine solche Konjunkturlage wie um das Jahr 2008 wieder eintritt, ist unklar. Der Verlauf bestimmter Wirtschaftsindices deutet jedoch darauf hin, dass Schwankungen in beide Richtungen immer stärker ausfallen werden.¹⁸

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Entwicklung der Wirtschaftslage von Deutschland und Frankreich ¹⁹

Bezogen auf das noch folgende Kapitel zur Industrie 4.0 wird noch eine weitere Kennzahl für die Bedeutung der Produktion wichtig. Die europäische Kommission hat ein Potenzial von 110 Mrd. €/Jahr auf die kommenden fünf Jahre, durch die Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen errechnet.²⁰

Diese kurze Auflistung von Zahlen und Statistiken soll einen Eindruck vermitteln, wie wichtig die Produktion für Deutschland und Europa ist und warum es daher auch notwendig ist, diesen bedeutenden Wirtschaftsfaktor zu stärken und zu optimieren, um auf dem nationalen und den internationalen Märkten weiterhin konkurrenzfähig zu bleiben.

2.2 Eigenschaften und Ziele von Produktionsarbeit

Nachdem im vorherigen Kapitel der volkswirtschaftliche Stellenwert der Produktionsarbeit herausgearbeitet wurde, folgen nun Faktoren, die aus Sicht der Unternehmen für eine starke Produktion entscheidend sind. Diese Faktoren sind von externen Einflüssen und von internen Zielen der Unternehmung abhängig.

2.2.1 Einflüsse

Die Tätigkeiten von Unternehmen sind geprägt von verschiedenen äußeren Einflüssen, die sich teilweise gegenseitig bedingen oder voneinander abhängig sind. Einer dieser Einflüsse ist der Markt, auf dem das Unternehmen agiert. Insgesamt werden Märkte immer unbeständiger, wodurch ein Abschätzen der Marktentwicklung für Unternehmen erschwert wird.²¹ Gleichzeitig stehen dem Kunden, durch die Globalisierung in Kombination mit den Möglichkeiten des Internets, viele Anbieter und eine hohe Transparenz über den Markt zur Verfügung. In vielen Geschäftsfeldern herrscht ein Angebotsüberschuss beziehungsweise ein Nachfragedefizit. Man spricht hier auch von einem Käufermarkt, das heißt, dass sich Kunden einem breiten Angebot gegenüber sehen und dadurch steuernd auf die Anbieter einwirken können. Für die Unternehmen bedeutet das einen Verlust an Handlungsspielraum, da der Kunde bei Nichtbefriedigung seiner Bedürfnisse meist auf zahlreiche andere Anbieter zurückgreifen kann. Verstärkt wird dieser Effekt durch die erwähnte hohe Markttransparenz, die durch das Internet erzeugt wird. Hierdurch wird dem Kunden die Möglichkeit geboten, alternative Produkte und Anbieter in kürzester Zeit zu finden und miteinander zu vergleichen. Für die Unternehmen ergibt sich daraus, zusätzlich zu allgemeinen Anforderungen wie Qualität und Kosten, die Anforderung, Produkte individueller auf ihre Kunden zuzuschneiden.²² Gleichzeitig spielt die steigende Produktvielfalt eine bedeutende Rolle für Unternehmen, sowohl zur Erfüllung von Kundenwünschen, als auch hinsichtlich der wachsenden Komplexität in der Produktion, durch die Anzahl an unterschiedlichen Derivaten.²³

Die genannten Faktoren wirken sich auch auf die Finanzsituation des Unternehmens aus. Einerseits erfordert die Erhaltung der Umsatzrendite ständige Rationalisierungsmaßnahmen, andererseits möchten die Unternehmen in Zukunft für konjunkturelle Degressionen, wie in der Wirtschaftskrise 2008, gewappnet sein. Es ergibt sich die Notwendigkeit, sämtliche Ausgaben und gebundenes Kapital minimal zu halten. Hierfür bieten sich verschiedene Ansätze an, die mithilfe der Kostenrechnung überwacht und optimiert werden können. Dazu zählen Kosten für Anlagen und Mitarbeiter, Ausgaben für Materialien und Gemeinkosten der Fertigung. Jegliche Kosten, die zwischen den einzelnen Prozessschritten entstehen, wie z.B. Lagerkosten, Nacharbeit oder Ähnliches, bleiben dabei jedoch unberücksichtigt und häufig liegt genau darin wichtiges Potenzial, welches über die klassische Kostenrechnung nicht betrachtet wird. Ein anderer Ansatz setzt auf der Optimierung der Prozessebene auf. Die Lean Production verfolgt das Ziel einer schlanken Fertigung durch Reduktion von Verschwendung. Dadurch werden erhebliche Potenziale nutzbar; die Produktion wird hierbei aber häufig zu einer Blackbox, bei der die Transparenz über den aktuellen Zustand zu gering ist. Eine genauere Betrachtung dieser Thematik erfolgt in Kapitel 3. Die dritte Möglichkeit liegt in der verstärkten Anwendung von Informationstechnik. Mithilfe der entsprechenden Tools ist hierbei zwar eine effiziente Planung und Steuerung der Produktion möglich, die Betrachtung der Prozesskette aber rückt dabei häufig in den Hintergrund. Das Ergebnis sind instabile Produktionsprozesse mit einem zu hohen Verschwendungsanteil, wodurch die Potenziale der effizienten Systeme im Endeffekt ungenutzt bleiben.²⁴ Die genauere Betrachtung dieser Lösung folgt in Kapitel 3.

2.2.2 Ziele

Als Ergebnis der verschiedenen Einflussfaktoren auf Unternehmen ergeben sich für die Produktion drei wichtige Kernziele, die in gegenseitiger Abhängigkeit zueinander stehen und deren gemeinsames Optimum gefunden werden muss. Es handelt sich dabei um die Faktoren Zeit, Kosten und Qualität. Der Zusammenhang zwischen diesen Zielgrößen wird auch als Magisches Dreieck bezeichnet. Der Erfüllungsgrad jedes einzelnen Faktors ist dabei immer auf die vorliegenden Anforderungen des Kunden anzupassen, um diesem den größtmöglichen Nutzen zu bieten. In jedem Fall ist aber eine Betrachtung aller Faktoren wichtig, um ein optimales Ergebnis, sowohl für das Unternehmen, als auch für den Kunden, erreichen zu können.²⁵

Tabelle 2 enthält für die drei Faktoren repräsentative Beispiele aus der Produktion.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Beispiele für die Zielgrößen der Produktion

Die gegenseitige Abhängigkeit der Zielgrößen wird anhand folgender Beispiele erkennbar:

- Bleibt ein Maschinenstillstand unentdeckt, erhöht sich die Durchlaufzeit eines oder mehrerer Produkte automatisch um die Dauer des Stillstandes und die Behebung der Stillstandsursache. Eine höhere Durchlaufzeit führt zu einer längeren Inanspruchnahme von benötigten Produktionsressourcen zur Fertigstellung des Auftrages und somit auch zu höheren Kosten insgesamt.
- Eine geringe Prozessqualität führt vermehrt zu Nacharbeit und Ausschuss, wodurch wiederum Zeit und Kosten aufgewendet werden müssen.
- Die Steigerung der Qualität ist häufig verbunden mit aufwendigeren Prozessen, durch Implementierung von Prüfprozessen oder einer sorgfältigeren Vorgehensweise. Beide Varianten können zwar eine Qualitätssteigerung bewirken, führen andererseits aber zu einem höheren Zeit- und/oder Kostenaufwand.

Aus diesen Abhängigkeiten ergibt sich auch die Notwendigkeit von Transparenz und Reaktionsfähigkeit als abgeleitete, unterstützende Größen zur Zielerreichung. Transparente Abläufe helfen dabei, Probleme frühzeitig aufzudecken und Gegenmaßnahmen einzuleiten. Je reaktionsfähiger eine Fertigung ist, desto schneller wird eine Wirkung von Maßnahmen erzielt. Zusätzlich bietet eine geringe Reaktionszeit die Möglichkeit auf kurzfristige Bedarfsveränderungen oder Probleme besser zu reagieren. Insgesamt ermöglichen diese beiden Faktoren also einen besseren Ausgleich der Zielkonflikte.²⁶

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Das magische Dreieck auf Basis der Kundenzufriedenheit ²⁷

3 Industrie 4.0

Nach der Untersuchung des Stellenwertes der Produktionsarbeit innerhalb Deutschlands und Europas, sowie wichtiger Ziele, die zur Stärkung der Produktion angestrebt werden, folgt nun die Betrachtung eines aktuellen Projektes zur Gestaltung der Produktionsarbeit. Es geht um Industrie 4.0. Dieses Kapitel soll dazu beitragen, den viel verwendeten Begriff von seiner Entstehung her, über die zugrundeliegenden Gedanken dahinter, bis zu den Bestandteilen des Konzeptes, zu beleuchten.

3.1 Die Entwicklung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Die industriellen Revolutionen ²⁸

Die Einführung mechanischer Produktionsanlagen, die durch Wasser- und Dampfkraft angetrieben wurden, z.B. in Form des ersten mechanischen Webstuhls (1784), löste die erste industrielle Revolution gegen Ende des 18. Jahrhunderts aus und sorgte damit für die Veränderung von einer Agrar- zu einer Industriegesellschaft. Ab Beginn des 20. Jahrhunderts und der Einführung von Massenproduktion und Elektrizität sprach man von der zweiten industriellen Revolution. Im amerikanischen Raum wurden bei der Schlachtung von Tieren die ersten Transportbänder eingesetzt (1870). Später setzte Henry Ford 1908 die ersten Fließbänder auch zur Produktion von Fahrzeugen ein.²⁹ In Deutschland erfuhren eher die Elektrotechnik und die Chemieindustrie einen Zugewinn an wirtschaftlicher Bedeutung. Erneut wirkte sich dies auch auf die Gesellschaft aus: es entstand eine Konsum- und Wohlstandsgesellschaft. Mit der verstärkten Anwendung von Elektronik und Informationstechnik und einem zunehmenden Automatisierungsgrad in der Produktion ist ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Rede von der dritten industriellen Revolution. Auslöser hierfür war die erste speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die in weiterentwickelter Form noch heute in sämtlichen Produktionen zu finden ist.^{30 31}

Glaubt man der Meinung vieler Experten, stehen wir heute, zu Beginn des 21. Jahrhunderts, vor der vierten industriellen Revolution, welche auch als Industrie 4.0 bezeichnet wird.³² Die vierte industrielle Revolution wird damit, im Gegensatz zu ihren Vorgängern, also bereits vor ihrer eigentlichen Umsetzung ausgerufen, wofür der Arbeitskreis Industrie 4.0 folgende Begründung anführt: „ Deutschland sollte seine Stärke als „Fabrikausrüster der Welt“ und seine Stärke bei Eingebetteten Systemen nutzen, um mit dem Einzug des Internets der Dinge und Dienste in die Fabrik eine neue, die vierte Stufe der Industrialisierung einzuläuten. “³³

Bezüglich einer Definition von Industrie 4.0 bietet die Literatur verschiedene Lösungen an, da bisher keine einheitliche Definition existiert und dementsprechend die vorhandene Interpretationsfreiheit genutzt wird. Mit dem Ergebnis, dass sich sämtliche existierende Definitionsversuche - zumindest in Nuancen - voneinander unterscheiden. Hierzu passt ein Zitat von Wolfgang Dorst (Bereichsleiter Industrie 4.0 bei bitkom, dem Digitalverband Deutschland): „Bei Industrie 4.0 bewegen wir uns zwischen Vision und Realität. Was Industrie 4.0 alles sein wird, lässt sich wohl erst in einigen Jahren feststellen. Bei der Einführung des Smartphones wusste man auch nicht, welche Folgen es hat, welche neuen Anwendungsmöglichkeiten sich auftun.“³⁴

Wichtig für das Verständnis von Industrie 4.0 ist jedoch, dass es sich dabei um ein Zukunftsprojekt handelt, bei dem keine neue Erfindung der Treiber hinter der revolutionären Veränderung in der Produktionsarbeit ist. Vielmehr wird dieser Fortschritt durch entstehende Synergieeffekte aus der konsequenten und flächendeckenden Kombination bereits bekannter digitaler Technologien erzeugt. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um die Implementierung eingebetteter Systeme in sämtlichen Produktionsressourcen und deren Anbindung an ein gemeinsames Netzwerk. Dadurch werden Anlagen, Betriebsmittel und Produkte um eine intelligente Komponente erweitert.³⁵ Und durch die Verfügbarkeit zahlreicher Informationen, die mithilfe der intelligenten Objekte gesammelt werden, können neue Anwendungen und Dienste entwickelt werden.

Betrachtet man die Industrie 4.0 aus der technikbasierten Perspektive entsteht der Eindruck, dass der Gedanke des Computer Integrated Manufacturing (CIM) wieder aufgegriffen wird. Die Idee eines vollständig vernetzten und durch Informationstechnik unterstützten Unternehmens ist nämlich nicht neu, sondern gab es bereits in den 1980er Jahren. Damals wurde unter dem Begriff CIM ein Konzept beschrieben, welches die Durchdringung der gesamten Produktion mit Computern und den Einsatz verschiedener IT-Systeme und –Komponenten in sämtlichen wertschöpfenden Bereichen vorsah. Dazu zählten also auch alle unterstützenden und administrativen Bereiche, zusätzlich zur eigentlichen Fertigung und auch unternehmensübergreifende Prozesse sollten in der systemgesteuerten Planung berücksichtigt werden. Die Vision war eine menschenleere Fabrik.³⁶

Wenn man CIM unter dem Hintergrund dieser Vision interpretiert, lag damit bereits ein früher, Industrie 4.0-ähnlicher Ansatz vor, welcher aufgrund fehlender Kommunikationsstandards, leistungsfähiger Datenbanksysteme und dem Internet als Kommunikationsbasis zum damaligen Zeitpunkt nicht umgesetzt werden konnte.³⁷ Aufgrund der technologischen Entwicklung in den genannten Gebieten scheint eine Umsetzung der Idee von CIM nun möglich zu sein. Dazu Spur: „Die rechnerintegrierte Produktionsfabrik ist im Sinne der bekannten „CIM-Visionen“ nunmehr ein tatsächlich erreichbares technisches Ziel geworden.“³⁸ Auch August-Wilhelm Scheer teilt eine ähnliche Ansicht: „Das Gute an Industrie 4.0. ist, dass dieser Ansatz heute eher aus der grundsätzlich verfügbaren Technologie getrieben wird und nicht auf einer rein organisatorischen Idee, die ohne Rücksicht auf die verfügbaren Technologien entwickelt wurde, fußt.“³⁹

Industrie 4.0 muss aber nicht auf diesen technologischen Ansatz reduziert werden. Laut der Definition der Verbändeplattform Industrie 4.0, bedeutet Industrie 4.0 die Schaffung einer neuen Ebene der Organisation und Steuerung, sowie der gesamten Wertschöpfungskette, ausgehend von einer Orientierung an den immer individuelleren Bedürfnissen von Kunden. Als Basis des Projektes führt auch die Plattform die Vernetzung aller Wertschöpfungsteilnehmer an, allerdings mit dem Hintergrund durch eine Kollaboration von Menschen, Objekten und Systemen „dynamische, echtzeitoptimierte und selbst organisierende, unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke“ zu erzeugen.⁴⁰ Das Projekt Industrie 4.0 kann also dahingehend unterschiedlich betrachtet werden, dass die Technologie entweder Treiber und Initiator des Konzeptes oder nur Mittel zur Umsetzung und Befähiger ist. Eine genaue Vorhersage, welche der beiden Möglichkeiten richtiger ist oder in welcher Ausprägung die vierte industrielle Revolution realisiert wird, kann zum heutigen Zeitpunkt noch nicht getroffen werden.

3.2 Die Bestandteile

Die Bestandteile der Industrie 4.0 können in drei verschiedene Ebenen eingeteilt werden. Jede dieser Ebenen enthält wiederum mehrere Bausteine. Abbildung 5 stellt diesen Sachverhalt anschaulich dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Die Komponenten von Industrie 4.0 ⁴¹

Stufe 1:

Die Basis bilden sogenannte cyber-physische Systeme (CPS). Diese bestehen aus einem physischen Objekt, welches um Software und Hardwarekomponenten ergänzt wird und dadurch zur Sammlung von Daten und Interaktion innerhalb eines Netzwerks befähigt wird. Jedes CPS kann durch eine eigene Identität eindeutig identifiziert werden.⁴² Cyber-physische Systeme werden aufgrund der Fähigkeiten, die über die ursprünglichen Fähigkeiten des Objektes hinausgehen, auch als intelligent bezeichnet.⁴³ Konkret besteht ein CPS aus den technologischen Inhalten der drei Bereiche: 1. Rechnerallgegenwart, 2. Internet der Dinge und Dienste und 3. Cloud Computing.

Mit Rechnerallgegenwart wird das Vorhandensein von Informationstechnik in sämtlichen Gegenständen umschrieben. Dadurch sind alle Objekte eines Systems zur Verarbeitung und Weitergabe von Informationen und Daten durch integrierte Mikroelektronik, Sensorik, Kommunikationsmodule und Rechenleistung in der Lage.

Das Internet der Dinge und Dienste dient als Kommunikationsplattform für die intelligenten Objekte der Produktion. Als Internet der Dinge oder Internet of Things (IoT) wird ein Netzwerk von mehreren verknüpften, intelligenten Objekten bezeichnet. Im IoT ist jedes intelligente Element dazu in der Lage zu kommunizieren, das heißt auf Abfragen von Sensoren oder Steuerungsaufforderungen an Aktoren zu reagieren. Ermöglicht wird diese Kommunikation durch eine eindeutige Identität der Objekte im Netzwerk. Seit dem Internet Protocol Version 6 (IPv6) stehen dafür ca. 340 Sextillionen statt bisher mit IPv4 etwa 4,3 Milliarden Adressen zur Verfügung, womit gewährleistet wird, dass jedes Objekt eine eindeutige Identität erhalten kann. Die gezielte Adressierbarkeit der Produktionsmittel ermöglicht es, jedes gewünschte Objekt über das Netzwerk anzusprechen, über Sensoren benötigte Daten zu erheben, zu verarbeiten oder Steuerungsdaten an das Objekt zu senden, welche über Aktoren wiederum in eine Bewegung umgewandelt werden. Die Bestandteile in einem Internet der Dinge im industriellen Kontext können sowohl ganze Fabriken, als auch Maschinen, Produktionseinrichtungen oder die eingebundenen Sensoren sein.^{44 45}

Die für die Informatisierung der Produktion notwendige IT-Infrastruktur ist in Form des Cloud Computing gegeben. Darunter versteht man die Bereitstellung von Diensten und Anwendungen über ein Netzwerk. Grundsätzlich kann jeder Teilnehmer des Netzwerks dann auf diese Anwendungen zugreifen, unabhängig von seinem Standort. Im Zusammenhang der Produktion können über das Cloud Computing die, für die Echtzeit-Steuerung, -Wartung und -Kontrolle der CPS, notwendigen Dienste zur Verfügung gestellt werden. Durch die Bereitstellung von Diensten und Anwendungen über die Cloud entsteht der Vorteil einer dynamischen Zuteilung der Rechenleistung für die einzelnen Programme.⁴⁶

Die cyber-physischen Systeme bilden damit die Schnittstelle zwischen der realen und der virtuellen Welt durch die Einbindung eingebetteter Systeme in physische Objekte. Diese ermöglicht ihnen die Kommunikation mit einem Netzwerk, das Speichern von Daten, ermittelt durch integrierte Sensoren und das Ausführen einer Handlung durch Aktoren. Alle Aktionen basieren dabei immer auf der Verwendung von im Netzwerk enthaltenen Informationen oder der Interpretation von selbst gesammelten Daten.⁴⁷

Stufe 2:

Die zweite Stufe der Industrie 4.0 wird durch den Verbund aller cyber-physischen Systeme zu einem cyber-physischen Produktionssystem (CPPS) erreicht. Dieser Zusammenschluss der CPS ermöglicht die dezentrale und sich anpassende Steuerung der Produktion, auch über die Unternehmensgrenzen hinweg (vgl. Kapitel 3.3 zur horizontalen Integration). Um jedoch die vollständige Funktion einer Vernetzung und Kommunikation der Bestandteile eines CPPS, sowie des Menschen darin, zu gewährleisten, ist die Schaffung von Standards im Bereich Machine-to-Machine- (M2M) und Man-to-Machine-Kommunikation (MMI) essenziell. M2M meint dabei die Kommunikation der Maschinen und Anlagen untereinander, wohingegen MMI die Interaktionsmöglichkeiten des Bedieners mit den intelligenten Produktionsressourcen beschreibt.⁴⁸

Stufe 3:

Der Gedanke hinter Industrie 4.0 geht aber über die beschriebenen technologischen Komponenten hinaus. Durch die Verfügbarkeit zahlreicher neuer Informationen aus der Produktion, die durch die intelligenten Objekte gewonnen werden, erhofft man sich neue Ideen zur Nutzung der Produkte. Diese können dann wiederum als Dienstleistung bereits bestehenden Kunden angeboten oder auf deren Grundlage neue Kunden gewonnen werden. Daraus ergeben sich völlig neue Geschäftszweige für Unternehmen und Anpassungen der Strategie und Visionen der Unternehmung werden notwendig.

3.3 Das Konzept

Die Kerneigenschaft einer Revolution ist die grundlegende Veränderung eines bestehenden Zustandes. Siepmann spricht im Zusammenhang der aktuellen industriellen Revolution von fünf Themen, die sich von der traditionellen Vorgehensweise in der Produktion elementar unterscheiden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Die fünf Paradigmen der Industrie 4.0 ⁴⁹

1. Vertikale und horizontale Integration

Mit vertikaler Integration ist die Einbindung aller, für die einzelnen Stufen relevanten, Systeme in die vertikale Unternehmenshierarchie gemeint. Gleichzeitig bedarf es geeigneter Schnittstellen zwischen den Hierarchieebenen zur fehlerfreien und unmittelbaren Weitergabe von Daten, entlang der Hierarchieordnung. So können die, über eingebettete Systeme, gesammelten Daten automatisiert und drahtlos in Echtzeit an entsprechende Dienste weitergegeben werden. Dort werden sie entsprechend gebündelt und interpretiert. Daraus können neue Handlungen abgeleitet und an die cyber-physischen Systeme zurückgegeben werden.^{50 51}

Die horizontale Integration kann als Erweiterung der vertikalen Integration gesehen werden. Dieses Prinzip beinhaltet die Integration von Systemen externer Wertschöpfungspartner oder anderer Unternehmensstandorte. Dadurch wird eine fortlaufende Verknüpfung des Unternehmens auch zu vor- oder nachgelagerten Unternehmen oder Standorten ermöglicht. Der Austausch von Informationen bleibt somit nicht auf die vertikale Hierarchie eines Unternehmens oder eines Standortes beschränkt, sondern kann sich auf sämtliche in das Netzwerk integrierte Teilnehmer der Wertschöpfung erstrecken. Auf diese Weise können Kunden oder Lieferanten ebenfalls in Echtzeit relevante Informationen erhalten oder senden.

Auf Basis der so gewonnenen Informationen und der hohen Transparenz, die im System entsteht, können neue Optimierungsmaßnahmen abgeleitet werden. In Kombination miteinander bieten vertikale und horizontale Integration den Unternehmen der Zukunft ein hohes Potenzial für eine gestärkte Position am Markt.⁵²

[...]

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¹ Kletti und Schumacher 2014

² Brunner 2011

³ Bauernhansl et al. 2014

⁴ Dieter Spath (Hrsg.) et al.

⁵ Staufen AG

⁶ Felser

⁷ Frankfurt Business Media

⁸ vgl. Statistisches Bundesamt 2015

⁹ vgl. Statistisches Bundesamt, S. 11

¹⁰ vgl. Statistisches Bundesamt 2014

¹¹ Horvath

¹² vgl. Dieter Spath (Hrsg.) et al.

¹³ nach Bundesministerium für Wirtschaft und Energie 2012

¹⁴ vgl. Friedrich

¹⁵ vgl. Heymann et al.

¹⁶ vgl. Trentmann 2016

¹⁷ vgl. Schmiedeberg und Füllemann, S. 4

¹⁸ vgl. Kletti und Schumacher 2014

¹⁹ nach Dieter Spath (Hrsg.) et al., S. 17

²⁰ vgl. Friedrich

²¹ vgl. Röhrig

²² vgl. Kletti und Schumacher 2014

²³ vgl. Statista

²⁴ vgl. Kletti und Schumacher 2014

²⁵ vgl. Windolph

²⁶ vgl. Kletti und Schumacher 2014

²⁷ nach Windolph

²⁸ in Anlehnung an Wahlster 2015, S. 8

²⁹ vgl. Bayerischer Rundfunk

³⁰ vgl. Feld et al. 2012

³¹ vgl. Schäfer und Pinnow 2015

³² vgl. Feld et al. 2012

³³ Kagermann et al. 2013

³⁴ Dorst

³⁵ vgl. Mattern und Flörkemeier

³⁶ vgl. Wirtschaftslexikon24 2015

³⁷ vgl. Scheer

³⁸ Spur 2013

³⁹ Scheer

⁴⁰ Plattform Industrie 4.0

⁴¹ nach Roth 2016, S. 22

⁴² vgl. Roth 2016

⁴³ vgl. Mattern und Flörkemeier

⁴⁴ vgl. ITWissen

⁴⁵ vgl. Feld et al. 2012

⁴⁶ vgl. Roth 2016

⁴⁷ vgl. Bauernhansl et al. 2014

⁴⁸ vgl. Roth 2016

⁴⁹ nach Roth 2016, S. 37

⁵⁰ vgl. Kempermann und Lichtblau 2014

⁵¹ vgl. Roth 2016

⁵² vgl. Kempermann und Lichtblau 2014, S. 10