Digitalisierung der Industrie

Industrie 4.0 ist die Bezeichnung für die wachsende Kombination von traditionellen Herangehensweisen in der Fertigung und auf Industrieplattformen mit den neuesten, smarten Technologien. Industrie 4.0 wird teilweise als Marketing-Slogan aufgefasst. Doch dies bedeutet, einen Wandel auszublenden, der in der Fertigung bereits stattfindet und der unsere Aufmerksamkeit verdient.

So kann beispielsweise durch eine erhöhte Automatisierung, eine verbesserte Kommunikation und Überwachung ermöglicht werden. Diese smarten Maschinen sollen künftig Probleme ohne menschliches Eingreifen analysieren und diagnostizieren können.

Schon heute werden bei dem Neu- und Umbau von Industrieanlagen Entwicklungen wie

  • Maschine-zu-Maschine-Kommunikation
  • Cyber-physische Systeme (CPS)
  • Internet der Dinge (IoT)
  • Utility Computing
  • Cognitive Computing

integriert und in Produktionsanlagen und Abläufen eingesetzt. Diese Transformation ist so bedeutsam, dass sie als Industrie 4.0 bezeichnet wird und gleichbedeutend für die vierte industrielle Revolution steht.

(Vierte) Industrielle Revolution

Jede Phase der industriellen Revolution war jeweils von einem gesellschaftlich bedeutenden technologischen Entwicklungssprung gekennzeichnet. Das Industriezeitalter wurde von der Entwicklung der Dampfmaschine um 1800 eingeläutet. Etwa 100 Jahre später begann mit der Einführung der elektrischen Fließbandproduktion die zweite industrielle Revolution. Der Computer und die Automatisierung der Informationsverarbeitung machten in den 1960er-Jahren den dritten markanten Entwicklungssprung in der Industrie möglich.

Die vierte industrielle Revolution (auch Industrie 4.0 genannt) bezieht sich nun auf eine neue Phase, die vor ca. 10 Jahren an Fahrt aufgenommen hat. Sie wird durch fortschreitende Verbesserung der Computerhardware und Computerautomatisierung sowie IT-gestützte, intelligente Systeme ermöglicht. Schnelle, leistungsfähige Computer können heute eine unglaublich große Menge an Daten – auch in Echtzeit – auswerten. Ohne sie wären Datenanalysen in großem Umfang (Big Data), maschinelles Lernen oder künstliche Intelligenz undenkbar.

Grundlegende Voraussetzungen

  1. Die Vernetzung ermöglicht die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation – also die Verbindung zwischen den Maschinen.
  2. Ohne Informationen können keine fundierten Entscheidungen getroffen werden. Die Verarbeitung und Auswertung von immensen Mengen an Daten und Informationen schafft Informationstransparenz.
  3. Die technische Unterstützung ist der Treiber beim Thema Industrie 4.0.
  4. Die technische Infrastruktur macht es möglich, dass die vernetzten Geräte weitestgehend selbständig dezentrale Entscheidungen treffen können.

Smart Factory – Die intelligente Fabrik

Industrie 4.0 stellt im Wesentlichen einen Trend zur Automatisierung und zum Datenaustausch in Fertigungstechnologien und -prozessen dar. Diese Entwicklung fördert das, was als Smart Factory bezeichnet wird. Modulare und strukturierte, intelligente Fabriken sind groß angelegte cyberphysische Systeme, welche physische Prozesse überwachen, virtuelle Kopien der physischen Welt erstellen und dezentralisierte Entscheidungen treffen. Doch wie kann man sich das vorstellen?

Cyber-physische Systeme (CPS)

Ein cyber-physisches System verbindet mechanische Komponenten über ein Netzwerk miteinander. Diese Komponenten tauschen über moderne Netzwerke i. d. R. in Echtzeit Daten miteinander aus. Mit einem solchen Aufbau lassen sich auch komplexe Systeme und Infrastrukturen steuern und kontrollieren.

Das verbindende Netzwerk ist häufig das Internet. Weiterentwicklungen wie das Internet Protocol Version 6 (IPv6) oder der Auf- und Ausbau des G5-Netzes zahlen dabei direkt auf die Entwicklungen im Bereich Industrie 4.0 ein.

Mechanische Komponenten in diesem Netzwerk können zum Beispiel kleine Geräte wie Sensoren sein, aber auch sehr große Industriemaschinen wie Roboter. Beispielsweise könnte ein Sensor Informationen aus der Umwelt (der physikalischen Welt) registrieren, verarbeiten und an einen Roboter weiterleiten, der wiederum auf Basis dieser Informationen die nötigen Aktionen ausführt.

Bei cyber-physischen Systemen muss man jedoch nicht nur an große Industrieanlagen denken. In der Medizin vereinfachen sie schwierige Operationen, oder machen die automatische Überwachung von Patienten möglich. Aber auch viele Endnutzer-Geräte, wie Smart Watches, sind ein eigenes kleines Bauteil in dieser vernetzten Welt.

Internet der Dinge (IoT)

Die Abgrenzung zwischen CPS und IoT ist nicht einfach und sehr akademisch. Beispielsweise wird IoT als Unterkategorie innerhalb der cyber-physischen Systeme verstanden und auf den reinen Aufbau der Infrastruktur beschränkt. Für das Verständnis ist die genaue Abgrenzung an dieser Stelle jedoch nicht nötig. Dem interessierten Leser empfehle ich an dieser Stelle das Buch „Konzept eines Cyber-Physischen Logistiksystems in einer schlanken Produktion am Beispiel einer Reihenfertigung mit Kanban„, in welchem sich der Autor  Dennis Kolberg eingehend mit den Definitionen beschäftigt.

Internet der Dinge im industriellen Umfeld – IIOT

Beim Internet der Dinge im industriellen Umfeld, oder auch Industrial Internet of Things handelt es sich um ein cyber-physisches System – also ein intelligentes, autonomes System – welches computergestützte Algorithmen zur Überwachung und Steuerung physischer Dinge wie Maschinen, Roboter und Fahrzeuge verwendet. Im Unternehmen sorgt es für eine intelligente Lieferkette – von intelligenter Fertigung bis hin zu intelligenter Lagerhaltung und Logistik.

IIOT nutzt CPS bzw. IoT-Technologien, um Fertigungs- und Industrieprozesse zu verbessern, indem es maschinelles Lernen und Big-Data-Technologien, Sensordaten, Maschine-zu-Maschine-Kommunikation und Automatisierungstechnologien einbezieht, die bereits seit Jahren im industriellen Umfeld existieren.

Digitale Technologien erzeugen virtuelle Versionen von realen Anlagenprozessen und Anwendungen. Diese virtuellen Systeme können kosteneffiziente, dezentralisierte Entscheidungen treffen. Außerdem verbinden sie sich über CPS/IoT mit der realen Welt und ermöglichen es den Maschinen, miteinander und mit menschlichen Mitarbeitern zu kommunizieren und zu kooperieren. Hierdurch entsteht ein vernetzter Datenaustausch in Echtzeit und eine Prozessautomatisierung in der smarten Fertigung.

Positive Auswirkungen von Industrie 4.0

Zugegeben, das klingt nicht nur ziemlich kompliziert sondern ist es auch. Doch was genau sind denn die nun Vorteile davon?

Die vierte industrielle Revolution vernetzt intelligente Fabriken, schafft neue Möglichkeiten Produkte zu entwerfen und zu produzieren, verändert die Art und Weise, wie Unternehmen arbeiten und revolutioniert die Rolle des Menschen in der Arbeitswirtschaft.

Da der Bedarf an intelligenten Maschinen weiter steigt, müssen Unternehmen Lösungen implementieren, die Datenanalysen zur Unterstützung der Betriebsabläufe beinhalten. Smart Manufacturing ermöglicht es, die Produktionsressourcen (Maschinen, Geräte, Menschen, Fabriken) und die Prozesse, die sie ausführen, besser zu automatisieren, zu integrieren, zu überwachen und zu bewerten. Auf dieser Grundlage können die Menschen, die dort arbeiten, fundierte Entscheidungen treffen und effizientere Abläufe durchführen.

Industrie 4.0 ist kundenzentriert in Bezug auf Kundennutzen, Geschwindigkeit, Kosteneffizienz und Wertschöpfung durch innovative Dienstleistungen. Es ermöglicht ein direktes Modell der personalisierten Produktion und Wartung durch Kunden-Verbraucher-Interaktionen, einschließlich der Erfassung von Echtzeitdaten über die tatsächliche Produktnutzung, wodurch Ineffizienzen, Irrelevanz und Kosten von zwischengeschalteten digitalen Lieferkettenmodellen so weit wie möglich reduziert werden.

Industrie 4.0 ist eine informationsintensive Transformation der Fertigungsindustrie und verwandten Branchen. Eine vernetzte Umgebung macht es möglich, Big Data, Menschen, Prozesse, Dienste und Systeme zusammenzubringen. In diesem Zusammenspiel können industrielle Anlagen  generiert werden. 
Unter dem Strich sorgt all dies für die Realisierung eines intelligenteren Ökosystems, das auf industrielle Innovation und Zusammenarbeit ausgerichtet ist.

Nachteile von Industrie 4.0

Der größte Nachteil, bzw. die größte Herausforderung sind natürlich die Kosten. Der Aufbau und der Betrieb einer echten Smart Factory sind unglaublich teuer. Unter dem Strich lassen sich hierdurch auch Personalkosten stark einsparen, was aus Sicht der Mitarbeiter, die ggfs. überflüssig gemacht werden, natürlich ebenfalls ein großer Nachteil ist.

Die vernetzten Maschinen erzeugen eine große Menge an Daten und teilen diese nicht immer ausschließlich in einer Herstellungseinheit. Wenn die Maschinen über das Internet verbunden werden, können die Informationen auch firmenübergreifend gesendet werden. Dabei/Dafür müssen diese aber auch ausreichend im Rahmen des Datenschutzes geschützt sein.

Zusammenfassung

Wem das jetzt zu viele Fachbegriffe waren: hier nochmal eine Zusammenfassung.

Viele Unternehmen und Organisationen stehen heutzutage vor einer gemeinsamen Herausforderung: dem Bedarf an Konnektivität, Zugang zu Echtzeit-Einblicken, Prozesspartnern, Produkten und Menschen.

Industrie 4.0 bringt IT, Informationstechnologie und Betriebstechnologien zusammen, um virtuell-physikalische Umgebungen zu schaffen. Möglich wird das durch den Einsatz von digitalen Lösungen und fortschrittlichen Technologien. Durch die Integration verschiedener Systeme und Prozesse, vernetzter Computersysteme und Wertschöpfungsketten tragen diese Technologien dazu bei, die digitale Transformation in der Fertigung voranzutreiben.

Es geht also nicht nur darum, in neue Technologien und Tools zu investieren, um die Produktivität zu verbessern – es geht darum, die Art und Weise zu revolutionieren, wie das gesamte Unternehmen arbeitet und wächst.