Diese Masterarbeit behandelt die Vision der vierten industriellen – informationstechnologischen – Revolution, für die es keine einheitliche, branchenübergreifende Definition gibt. Industrie 4.0 ist das Zukunftsthema auf Messen, Kongressen, in Zeitungsartikeln und in der deutschen Wirtschaft. Als Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung steht das Thema stellvertretend für die Chance, die Wettbewerbsfähigkeit und die Produktivität des produktionsintensiven Standorts
Deutschlands, dem „führenden Fabrikausrüster weltweit“, zu erhöhen. Liegt das Projekt Industrie 4.0 in einer noch entfernten Zukunft oder befinden wir uns bereits mitten im Wandel? Dieser Frage nachzugehen soll u.a. das Ziel dieser Masterarbeit sein.
Im Mittelpunkt steht die intelligente, vernetzte und wandelbare Fabrik, die Smart Factory. Sie ist modular, in
Fraktalen aufgebaut. Steuerung und Organisation erfolgen durch die intelligenten Produkte, die nun einen digitalen Lebenslauf mitführen, dezentral wie in einem „Ameisenstaat“. Diese kommunizieren miteinander, mit den Maschinen und Ressourcen und entscheiden über ihren Produktionsablauf. Der Arbeiter wird durch Assistenzsysteme geleitet, wie zum Beispiel Pick-by-Vision, Gestensteuerung und industrielle Tablets. Damit Maschinen, Rohlinge, Ladungsträger, etc. als CPS hierarchielos in Verbindung treten können, bekommen diese eine IP-Fähigkeit im Internet der Dinge und benutzen zum Datenaustausch zwischen ERP-Ebene und MES-Ebene den herstellerunabhängigen OPC-UA-Standard. Der Anschluss neuer Produktionsmodule erfolgt über eine Plug-and-
Produce-Schnittstelle. Maschinen sollen sich somit selbst konfigurieren und optimieren.
Durch die IT-Anbindung steigen die Anforderungen an Safety (Betriebssicherheit) und Security (Angriffssicherheit). Gerade die Datensicherheit wird zur „Gretchenfrage“ stilisiert. Die zahlreichen Daten der Produktionsressourcen werden zukünftig in Echtzeit analysiert, um Maschinenausfälle vorzeitig zu verhindern (Condition Monitoring) und Trends und Prognosen zu erstellen (Big Data).
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Zielsetzung
2 Die industriellen Revolutionen im Überblick
2.1 Die erste und zweite industrielle Revolution
2.2 Organisationsformen der Produktion im 20. Jahrhundert
2.3 Die dritte und vierte industrielle Revolution
2.4 Kondratieff-Zyklen der Weltkonjunktur
3 Theoretische und administrative Grundlagen
3.1 Definitionen des Begriffs und Ziele von Industrie 4.0
3.1.1 Definitionen des Begriffs Industrie 4.0
3.1.2 Ziele und Handlungsfelder von Industrie 4.0
3.2 Die Plattform Industrie 4.0
3.2.1 Interessensvertretungen in Deutschland
3.2.2 Interessensvertretungen in den USA
3.3 Ausgangslage und Potenzial des Standorts Deutschland für die Industrie 4.0
4 Komponenten und Konzepte für die Industrie 4.0
4.1 Computer Integrated Manufacturing (CIM)
4.2 Lean Production
4.3 Die fraktale Fabrik
4.4 Cyber-Physische Systeme
4.5 Das Internet der Dinge und Dienste – Chancen und Risiken
4.5.1 Zusammenspiel von Technologien im Internet der Dinge
4.5.2 RFID-Technik in der Industrie
4.6 Smart Factory
4.6.1 Multimodale intelligente Assistenzsysteme
4.6.2 Maschinen-Kommunikation und Standards
4.6.3 Automatisierungsarchitektur
4.7 Datenschutz für Bürger und Unternehmen
4.7.1 Rechtliche Grundlagen des Datenschutzes
4.7.2 Zukunft des Datenschutzes in der Gesellschaft
4.7.3 Gefahren für die Datensicherheit in der Wirtschaft
4.7.4 Sicherheit in der Industrie 4.0
4.7.5 Sicherheitsrisiken in der Cloud und Implikationen für Big Data
4.8 Auswirkungen des digitalen Umbruchs auf die Arbeitswelt
4.8.1 Globalisierung und Wettbewerb auf dem Arbeitsmarkt
4.8.2 Arbeitswelt in der Industrie 4.0
4.8.3 Austauschbarkeit menschlicher Arbeitskraft durch Innovationen
5 Praxisbeispiele für den technologischer Stand
5.1 Die Smart Factory in der Praxis
5.2 Assistenzhilfen, -systeme und Roboter im Einsatz
5.3 Kommissionierung und Montage
5.4 Neue Arbeitswelt in der urbanen Fabrik
6 Zusammenfassung, Schlussfolgerung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Masterarbeit verfolgt das Ziel, die Vision der vierten industriellen Revolution ("Industrie 4.0") kritisch zu analysieren, ihren aktuellen Stand zu bewerten und zukünftige Perspektiven für den deutschen Industriestandort aufzuzeigen.
- Historische Einordnung der industriellen Revolutionen und ihrer Auswirkungen auf die Arbeitswelt.
- Analyse des Begriffs "Industrie 4.0" und Vergleich der Initiativen in Deutschland und den USA.
- Untersuchung technologischer Enabler wie Cyber-Physische Systeme, das Internet der Dinge und die Smart Factory.
- Diskussion der zentralen Herausforderungen in den Bereichen Datenschutz, IT-Sicherheit und Arbeitsmarktveränderungen.
- Bewertung des technologischen Stands anhand konkreter Praxisbeispiele aus der Industrie.
Auszug aus dem Buch
4.4 Cyber-Physische Systeme
Um zu bestimmen, was Cyber-Physische Systeme sind, können anfangs wieder verschiedene Definitionen herangezogen werden:
„CPS umfassen eingebettete Systeme, Produktions-, Logistik-, Engineering-, Koordinations- und Managementprozesse sowie Internetdienste, die mittels Sensoren unmittelbar physikalische Daten erfassen und mittels Aktoren auf physikalische Vorgänge einwirken, mittels digitaler Netze untereinander verbunden sind, weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen und über multimodale Mensch-Maschine-Schnittstellen verfügen. Cyber-Physical Systems sind offene soziotechnische Systeme und ermöglichen eine Reihe von neuartigen Funktionen, Diensten und Eigenschaften.“ (Kagermann et al. 2013, S. 84)
Cyber-Physische Systeme sind „Objekte, Geräte, Gebäude, Verkehrsmittel, aber auch Produktionsanlagen, Logistikkomponenten, etc., die eingebettete Systeme enthalten“, die über das Internet kommunizieren und Internetdienste nutzen, die „ihre Umwelt unmittelbar mit ihrer entsprechenden Sensorik erfassen, sie mit Hilfe weltweit verfügbarer Daten und Dienste auswerten, speichern und sie können mit Hilfe von Aktoren auf die physikalische Welt einwirken“. (Bauernhansl et al. 2014, S. 15 f.)
Helen Gill von der amerikanischen Forschungsgesellschaft National Science Foundation benutzte bereits 2006 den Begriff der Cyber-Physical Systems. Sie trennte in ihrer Beschreibung die Begriffe „cyber“ („diskrete Verarbeitung und Kommunikation von Informationen“) und „physical“ („natürliche und vom Menschen geschaffene, zeitkontinuierlich arbeitende technische Systeme“). Demnach sind CPS sowohl in der Cyber- als auch in der realen Welt eng miteinander verbunden (Jasperneite 2012). Während es bereits in den 1970er Jahren physische Objekte mit IT-Komponenten gab, zeichnen sich CPS heute durch die Vernetzung über globale, offene Informationsnetze aus, also die Vernetzung über das Internet. Folgende Gleichung beschreibt die benötigten Komponenten von CPS: Physikalische Geräte + Sensorik/ Aktuatorik + Internetvernetzung + Vernetzung M2M = CPS (Kagermann 2013, S. 4). In der Smart Factory erfüllen CPS folgende drei Prinzipien. Sie können die Fragen: „Wer bin ich?“, „Was kann ich?“ und „Mit wem kann ich zusammen arbeiten?“ beantworten, können sich also selbst identifizieren, kennen ihre Möglichkeiten („Dienstexploration“) und ihre Partner.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Zielsetzung: Einführung in die Vision der vierten industriellen Revolution und Zielsetzung der Arbeit.
2 Die industriellen Revolutionen im Überblick: Historische Betrachtung der industriellen Entwicklungen und der damit verbundenen Arbeitsorganisationsformen.
3 Theoretische und administrative Grundlagen: Analyse des Begriffs "Industrie 4.0", Vorstellung von Plattformen und Interessensvertretungen im Vergleich Deutschland-USA.
4 Komponenten und Konzepte für die Industrie 4.0: Detaillierte Betrachtung technologischer Befähiger (CIM, Lean, CPS, Internet der Dinge, Smart Factory) sowie sicherheitsrelevanter und arbeitsweltlicher Aspekte.
5 Praxisbeispiele für den technologischer Stand: Anwendung der Konzepte in der betrieblichen Praxis und Ausblick auf technologische Lösungen.
6 Zusammenfassung, Schlussfolgerung und Ausblick: Kritische Würdigung der Vision Industrie 4.0 und Synthese der Ergebnisse.
Schlüsselwörter
Industrie 4.0, Smart Factory, Cyber-Physische Systeme, Internet der Dinge, IT-Sicherheit, Datenschutz, Produktionsautomatisierung, Lean Production, Digitale Transformation, Augmented Reality, Arbeitswelt, Vernetzung, Effizienzsteigerung, OPC-UA, Big Data
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit behandelt die Vision von Industrie 4.0, die als vierte industrielle Revolution verstanden wird, und analysiert deren Potenzial, Herausforderungen und technologische Umsetzbarkeit in der modernen industriellen Produktion.
Welche sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen umfassen die technologischen Grundlagen (CPS, Internet der Dinge), organisatorische Konzepte (Smart Factory), die Rolle des Menschen in der digitalisierten Arbeitswelt sowie sicherheitskritische Fragen des Datenschutzes und der Wirtschaftsspionage.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Hauptziel ist es, ein umfassendes Verständnis der Industrie 4.0 zu vermitteln, den aktuellen technologischen Stand zu bewerten und kritisch zu hinterfragen, wie die Vision in realen Produktionsumgebungen zur Steigerung von Wettbewerbsfähigkeit und Flexibilität beitragen kann.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Arbeit basiert auf einer tiefgreifenden Literatur- und Konzeptanalyse, dem Vergleich internationaler Industrieinitiativen sowie der Auswertung von Praxisbeispielen und Demonstrationsprojekten, um ein theoretisch fundiertes Gesamtbild der Thematik zu zeichnen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine Analyse der administrativen Grundlagen, eine detaillierte Erläuterung der technologischen "Enabler" und Konzepte, eine kritische Diskussion der IT-Sicherheit sowie eine Untersuchung der Auswirkungen des digitalen Umbruchs auf die globale und lokale Arbeitswelt.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Schlüsselwörter sind Industrie 4.0, Smart Factory, Cyber-Physische Systeme (CPS), Internet der Dinge, Digitale Transformation und IT-Sicherheit.
Wie wird das Verhältnis zwischen Mensch und Maschine in der Industrie 4.0 bewertet?
Die Arbeit betont den Wandel vom ausführenden zum entscheidenden Mitarbeiter ("Augmented Operator"), der durch Assistenzsysteme unterstützt wird. Ziel ist nicht die menschenleere Fabrik, sondern eine kollaborative Arbeitsumgebung, in der Technik den Menschen befähigt, jedoch ethische Fragen und Handlungsspielräume gewahrt bleiben.
Welche spezifische Rolle spielt der Datenschutz für die Umsetzung?
Datenschutz wird als "Gretchenfrage" identifiziert. Die Arbeit beleuchtet die Risiken durch Wirtschaftsspionage und die Abhängigkeit von internationalen IT-Infrastrukturen sowie die Herausforderung, "Security by Design" als zentralen Bestandteil der Systementwicklung zu etablieren.
- Arbeit zitieren
- Benno Baltes (Autor:in), 2014, Digitaler Umbruch durch die Industrie 4.0. Grundlagen, Konzepte und deren Auswirkungen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/296280
