Industrie 4.0

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2 Historischer Kontext

3 Zentrale Paradigmen von Industrie 4.0
3.1 Paradigma 1: Vertikale und horizontale Integration
3.2 Paradigma 2: Dezentrale Intelligenz
3.3 Paradigma 3: Dezentrale Steuerung
3.4 Paradigma 4: Durchgängiges digitales Engineering
3.5 Paradigma 5: Cyber-physisches Produktionssystem (CPPS)

4 Technologien im Detail erklärt
4.1 Datenerhebung und -verarbeitung in der industriellen Fertigung
4.1.1 Die Automatisierungspyramide der industriellen Fertigung
4.1.1.1 Level 0: Prozessebene
4.1.1.2 Level 1: Feldebene
4.1.1.3 Level 2: Steuerungsebene
4.1.1.4 Level 2: (Prozess-) Leitebene
4.1.1.5 Level 4: Betriebsebene
4.1.1.6 Level 6: Unternehmensebene/ Topfloor
4.1.2 Radio Frequency Identification-Chip (RFID-Chip)
4.1.3 Cloud Computing
4.1.4 Big Data-Dienste
4.1.5 Analytics-Dienste
4.2 Maschine-Maschine-Kommunikation (M2M)
4.3 Mensch-Maschine-Interaktion (MMI)
4.3.1 Mensch-Maschine-Interaktion in der Industrie 4.0
4.3.2 Virtual Reality (VR)
4.3.2.1 Technologische Grundlagen
4.3.2.2 Anwendungsbereiche
4.3.3 Augmented Reality (AR)
4.3.3.1 Technologische Grundlagen
4.3.3.2 Mögliche Anwendungsbereiche
4.4 Fazit: Mensch-Maschine Kommunikation

5 Fazit

6 Quellenverzeichnis

6.1 Literaturverzeichnis

6.2 Internetquellen

1. Einleitung

Einer Studie der deutschen Akademie der Technikwissenschaften zufolge hat die Bundesrepublik Deutschland die Rolle des weltweit führenden ‘Fabrikausrüsters’ inne.^[1] Dieser essentielle Wettbewerbsvorteil resultiert aus dem sehr großen Know-How in den Bereichen Informationstechnologie (IT), Automatisierungstechnik und eingebetteten Systemen. Das von der Bundesregierung erklärte Ziel ist es nun, diese Führungsposition auszubauen und durch die Ausschöpfung von Potenzialen, die der Einzug der IT in die Herstellung industrieller Güter mit sich brachte, auch zukünftig eine Vorreiterrolle inne zu haben. Dabei entstand der durch die Bundesregierung geprägte Begriff „Industrie 4.0“.^[2] Studien des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) zufolge hatte die Industriebranche mit ihren 5,2 Millionen Beschäftigten im Jahr 2013 ein Umsatzvolumen von 1,6 Billionen Euro.^[3] Die Branche hat durchaus hohe Erwartungen an die vierte Industrielle Revolution, so erwarten deutsche Unternehmen einer Umfrage der PwC (Pricewaterhouse Coopers Firmen) zufolge einen Anstieg der Umsätze um 30 Milliarden Euro. Außerdem gehen die befragten Unternehmen im Schnitt von einer Effizienzsteigerung von 3,3 % pro Jahr aus, das wäre dann bis 2020 eine Steigerung um circa 10%. Um diese doch sehr hoch gesteckten Erwartungen und Zielsetzungen der Unternehmen zu erfüllen, will die deutsche Bundesregierung Industrie 4.0 mit 40 Milliarden Euro jährlich subventionieren.^[4]

Die zentralen Anliegen von Industrie 4.0 liegen mit dem „Internet der Dinge“ in der völligen Vernetzung von Personen, Dingen und Maschinen. Durch diese Vernetzung sollen eine Vielzahl neuer Produkte und Dienste hervorgebracht werden. Produkte, Transportmittel oder Werkzeuge sollen untereinander selbst aushandeln, welche Produktionsmittel den nächsten Produktionsschritt am besten übernehmen könnten. Somit würde die virtuelle Welt also mit realen Objekten nahtlos verschmelzen.

Dieses ,,Zukunftsprojekt” der deutschen Bundesregierung stellt große Herausforderungen an die Industrie. Der stetig wachsende Bedarf an Informations- und Anwendungsbereitstellung ohne Zeitverzug („Real-Time-Economy“), der wachsende Anspruch an ressourceneffizientes, nachhaltiges Wirtschaften in Folge wachsenden Wettbewerbsdrucks^[5] und eine unablässige Verschiebung der globalen Nachfrage in Richtung des asiatischen Raums sind nur wenige davon.^[6]

Es sind ferner Markttrends zu beobachten, welche die Industrie in den kommenden zehn Jahren vor große Herausforderungen stellen werden. Im Rahmen dieser Arbeit sollen wesentliche, innovative Konzepte der Industrie 4.0 beleuchtet werden, die im Laufe des neuen industriellen Zeitalters sowohl essentielle Chancen, als auch signifikante Risiken für die Industrie mit sich bringen werden.

2 Historischer Kontext

Wie man unschwer am Namen Industrie 4.0 erkennen kann, gab es vor der nun ablaufenden vierten industriellen Revolution schon drei andere. Deshalb werde ich eine grobe historische Einordnung liefern.

Um 1750 begann die erste Industrielle Revolution durch die Entwicklung der Dampfmaschine. Mit Dampf angetriebene Maschinen ermöglichten die Verbesserung des Wohlstands in den Industrienationen und verringerten die Gefahr von Hungerkatastrophen. Dadurch, dass die Versorgungssituation besser war als in anderen Ländern, nahm die Bevölkerung im Vergleich mit anderen Ländern stark zu, und durch die neuen Möglichkeiten zur Lieferung der Güter durch ein besseres Transportsystem mit der Eisenbahn oder auch den Dampfschiffen wurde die Versorgung der Bevölkerung im Landesinnern immer besser. Gleichzeitig stieg die Produktivität in vielen Industriezweigen, da immer effizienter gewirtschaftet werden konnte.

Bedingt durch diese Revolution, reduzierte sich der Anteil der in der Landwirtschaft und dem Handwerk Beschäftigten und neue Bevölkerungsschichten, die der Fabrikbesitzer und der Fabrikarbeiterschaft, entstanden.

Man muss hier aber auch die andere Seite betrachten, zwar nahm der allgemeine Wohlstand zu, Fabrikarbeiter wurden jedoch in dieser Zeit massiv ausgebeutet, und auch die Kinderarbeit war ein großes Problem.^[7]

Auch durch diese Missstände gab es beim Übergang von der ersten zur zweiten industriellen Revolution große Bürgeraufstände. Henry Ford war ein Vorreiter der zweiten industriellen Revolution. Er erfand das Fließband und die daraus resultierende arbeitsteilige Massenproduktion. Doch sie war nur mit den in der gleichen Zeitspanne aufkommenden Elektromotoren möglich. Endlich war ein wesentlich dezentraler Fabrikaufbau möglich, da nun jede Maschine ihren eigenen Motor besaß, anstelle einer zentralen Kraftmaschine.

Durch diese Erfindung ist die industrielle Massenproduktion vor allem in Sparten wie dem Automobilbau oder der Elektroindustrie schnell vorangeschritten. Damit einhergehend entwickelte sich die Erkenntnis darüber, dass man die Fabrikarbeiter nicht ausnutzen darf, und es eine gerechte Verteilung der Güter geben muss. Infolgedessen wuchs die Bevölkerung immer weiter an. Aus dieser Zeit stammen die Grundzüge der Sozialdemokratie und kommunistische Ideen kamen auf.^[8]

Das Wirtschaftswunder Anfang der 60er Jahre gab der dritten industriellen Revolution nach einer Unterbrechung durch zwei Weltkriege einen enormen Antrieb. In dieser Zeit wurden neue Technologien wie die Elektrotechnik, sowie später auch Informations- und Kommunikationstechnologien entwickelt und vorangetrieben. Durch diese Innovationen wurde eine immer weiter fortschreitende Automatisierung der Produktion möglich, die schließlich zu immer individuelleren Produkten führte.

In den 80er Jahren waren die Grundbedürfnisse der Menschen in Deutschland größtenteils gedeckt, sodass Kundenwünsche immer individueller wurden, und der Qualitätsanspruch an die Produkte wuchs. Außerdem wurde durch die voranschreitenden Informations- und Kommunikationstechnologien und dann später auch durch das Internet Wissen weltweit verfügbar, und der Weg für die Globalisierung wurde geebnet.^[9]

Anders als von Volkswirten angenommen, entwickelte sich die Volkswirtschaft Deutschland nicht vollständig zu einer Dienstleistungsgesellschaft, sondern konnte den Anteil der Industrie am BIP im Gegensatz zu England oder den USA relativ hoch (bei circa 25%) halten. Viele Länder hielten dies für einen großen Fehler, und belächelten Deutschland für den nicht geschafften ,,Aufstieg” zur Dienstleistungsgesellschaft. Nach der Finanzmarktkrise 2007/08 jedoch änderten viele ihre Meinungen und erkannten Vorteile einer starken innerdeutschen Industrie.^[10]

3 Zentrale Paradigmen von Industrie 4.0

Industrie 4.0 wird häufig völlig falsch verstanden, und häufig nur auf den Einsatz von neu entwickelten Technologien bezogen. Das ist jedoch eine unzulängliche Reduzierung, vielmehr bedeutet eine vernetzte Industrie die Zusammenführung bestehender Technologien. Die Herausforderung liegt hierbei vor allem auch in der optimalen Kombination dieser Technologien, um dann als einheitliche Gesamtlösung bestmöglichst zu funktionieren.^[11]

3.1 Paradigma 1: Vertikale und horizontale Integration

Vertikale Integration bedeutet, dass alle Systeme innerhalb eines Unternehmens in eine Hierarchie eingeordnet werden und Schnittstellen zum Austausch der Daten entstehen. Daten können hierbei auch zwischen den Hierarchieebenen ausgetauscht werden und nicht nur innerhalb einer Ebene. Um diese vertikale Integration möglichst effizient zu gestalten, ist eine möglichst einfache und einheitliche Mensch-Maschine-Kommunikation erforderlich. Um dies zu ermöglichen, muss gewährleistet werden, dass herstellerunabhängig alle Sensoren, Aktoren und eingebettete Systeme usw. miteinander verbunden werden können. Wenn dies gegeben ist, können alle Komponenten innerhalb der Produktion automatisiert Daten sammeln und dann durch die Cloud Computing Dienste auswerten. So kann die gesamte Produktion optimiert werden.^[12]

Horizontale Integration bedeutet dagegen die Einbindung der verschiedenen Systeme der Kunden, Lieferanten oder anderen Standorten der Unternehmen. Sie können, wenn die horizontale Integration gelungen ist, Daten und Materialien übergreifend eingebunden werden. So können auch neue Komponenten leicht in das bestehende System eingebunden werden, solche Komponenten können zum Beispiel neue Rechenzentren (Cloud Computing) sein. Die Daten der horizontalen Integration ermöglichen es, die Steuerung und Planung der Produktion, im Bestfall in Echtzeit und angepasst auf individuelle Bedürfnisse der Firma, zu planen.^[13]

Kommen die horizontale und vertikale Integration innerhalb eines Unternehmens zusammen, hat dieses Unternehmen einen großen Vorteil, da so die Produktionsprozesse von individuellen Wünsche der Kunden schneller und genauer an die Produktionsverhältnisse angepasst werden können. Die Produktion wäre dann in der Lage, sich in Echtzeit an die gegebenen Herausforderungen anzupassen.^[14]

3.2 Paradigma 2: Dezentrale Intelligenz

Ohne dezentrale Intelligenz gibt es auch keine dezentrale Steuerung. Sie stellt eine Grundvoraussetzung für Industrie 4.0 dar, Produktionsmittel und -anlagen können ortsunabhängig angelegt werden.

Um dezentrale Intelligenz zu ermöglichen, braucht man zunächst Sensoren, Computersysteme beziehungsweise Cloud-Computing Dienste, sowie einen Internetzugang. Als wichtigster Faktor der smarten Fabrik werden die völlig autarken Sensoren oder auch die RFID-Chips gesehen, da sämtliche Informationen über die weiteren Produktionsschritte auf ihnen gespeichert werden.^[15]

3.3 Paradigma 3: Dezentrale Steuerung

Eine dezentrale Produktion beinhaltet auch direkt eine dezentrale Steuerung, statt wie in der aktuellen Industrie noch aus starren ortsfesten Schaltschränken. Die in diesen starren Schaltschränken enthaltenen programmierbaren Steuerungen bekommen Daten von den Sensoren innerhalb der Produktion, die sie verarbeiten, um dann den Daten angemessene Aktionen folgen zu lassen. Dadurch, dass Schaltschrank und Maschine jedoch fest durch Kabel miteinander verbunden sind, ist ein flexibler Einsatz unmöglich. Kabel werden in der Industrie der Zukunft meist vermieden, und es wird auf zum Beispiel per WLAN vernetzte Anlagen gesetzt. Die Verlagerung der Rechenleistung ins Internet (siehe auch Cloud Computing Dienste) ermöglicht hierbei den flexiblen Einsatz der vorhandenen Rechenleistung.^[16]

3.4 Paradigma 4: Durchgängiges digitales Engineering

Die digitale Abbildung des gesamten Produktionsprozesses nennt man durchgängiges digitales Engineering. Die reale und virtuelle Welt greifen nahtlos ineinander und die gesamte Planung der Produktion kann digital visualisiert werden.

Zum einen wird die gesamte Fabrik mit sämtlichen Ressourcen dargestellt. Durch Computerprogramme wird ein genaues Abbild erstellt, anhand dessen die Produktion geplant und animiert werden kann. Dieses Abbild nennt man virtuelle Fabrik. Durch Cloud Dienste reicht es aus, die Daten einmal einzupflegen, dann kann man sämtliche Faktoren simulieren, und Störfaktoren von vornherein aus eliminieren. Visualisiert wird diese virtuelle Fabrik zum Beispiel über Virtual oder Augmented Reality (siehe Kapitel Mensch-Maschine-Interaktion).^[17]

3.5 Paradigma 5: Cyber-physisches Produktionssystem (CPPS)

Der Begriff cyber-physisches Produktionssystem beschreibt eine komplette Produktionsanlage nach dem Ansatz der Industrie 4.0, quasi eine Musteranlage. Ein CPPS besteht unter anderem aus Produktionssystemen, die über Sensoren und Aktoren Daten an Steuerungssysteme schicken, welche die Daten auswerten und dann zur Produktion zurückschicken. Außerdem werden die Daten direkt von der Maschine verwendet, um ihren eigenen Produktionsschritt zu optimieren.^[18]

Des weiteren umfasst das CPPS die Gesamtheit der Produktion nach dem Ansatz der Industrie 4.0. Systeme der unterschiedlichsten Hersteller werden hier so miteinander verknüpft, dass die Mitarbeiter über Mensch-Maschine Interaktion die Daten verwenden können, und die Produktion im Zusammenhang optimiert und getestet werden kann.^[19]

[...]

^[1] vgl. Art. Abschlussbericht Industrie 4.0 (2013), in: acatech.de

^[2] vgl. Art. BMWi Industrie 4.0, in bmwi.de

^[3] vgl. Art. BMWi Industrie 4.0, in bmwi.de

^[4] vgl. Art. Umfrage zum Thema Nutzenpotential von Industrie 4.0, in: PwC.de

^[5] vgl. Art. "Die wichtigsten Fakten zur Real Time Economy”, in MyBusinessFuture.de

^[6] vgl. Art. "Weltwirtschaftliche Schwerpunktverschiebung nach Asien?”, in giga-hamburg.de

^[7] vgl. Bauernhansl, Industrie 4.0, S. 5

^[8] vgl. Bauernhansl, Industrie 4.0, S.6

^[9] vgl. Bauernhansl, Industrie 4.0, S. 6f

^[10] vgl. Bauernhansl, Industrie 4.0 Seite 7f

^[11] vgl. Roth, Industrie 4.0, S.37

^[12] vgl. Roth, Industrie 4.0, S.37f

^[13] vgl. Roth, Industrie 4.0, S.38

^[14] vgl. Roth, Industrie 4.0, S.38

^[15] vgl. Roth, Industrie 4.0, S.39

^[16] vgl. Roth, Industrie 4.0, S.40

^[17] vgl. Roth, Industrie 4.0, S.41f

^[18] vgl. Roth, Industrie 4.0 S.42

^[19] vgl. Roth, Industrie 4.0 S.42