Darstellung des Synergiepotenzials von Industrie 4.0-Technologien für den Produkt- und Know-How-Schutz

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung / Abstract

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung und Gang der Untersuchung

2 Produktionslandschaft Industrie 4.0
2.1 Industrielle Entwicklungsstufen
2.1.1 Die industriellen Revolutionen
2.1.2 Die vierte industrielle Revolution Basiskomponenten
2.2.1 Cyber-Physical Systems
2.2.2 Internet der Dinge, Daten und Dienste
2.2.3 Human-Machine-Interface Kerncharakteristika
2.3.1 Horizontale Integration
2.3.2 Vertikale Integration
2.3.3 Durchgängige Digitalisierung

3 Industrie 4.0: Synergiepotenziale für den Produkt- und Know-how-Schutz im Maschinen- und Anlagenbau
3.1Produkt- und Know-how-Schutz
3.1.1 Begriffsbestimmung
3.1.2 Bedrohungspotenziale
3.1.3 Schutzmaßnahmen
3.1.4 Verbundprojekte
3.2 Synergiepotenziale
3.2.1 Optimiertes Wissensmanagement
3.2.2 Optimierte Innovationsprozesse
3.2.3 Erhöhte Kundenintegration
3.2.4 Hybride Leistungsbündel
3.2.5 Verbesserte Track & Traceability
3.2.6 Aufbau von Stückkostenbarrieren
3.2.7 Erhöhung der Mitarbeiterbindung
3.2.8 Höhere Variantenvielfalt und kundenspezifische De- Standardisierung
3.2.9 Verbesserter Schutz der Embedded-Software
3.2.10 Optimiertes Erweiterungsmanagement
3.2.11 Alternative Vertriebskonzepte
3.2.12 Verbesserte Möglichkeiten der Produktauthentifizierung
3.3 Maßnahmenbaukasten für den Produktschutz 4.0

4 Synergiepotenziale im Lebenszyklus einer Werkzeugmaschine
4.1 Know-how-Schutz im Werkzeugmaschinenbau
4.2 Lebenszyklusmodell einer Werkzeugmaschine
4.3 Anwendungspotenzial Industrie 4.0-getriebener Produktschutzmaßnahmen entlang des Werkzeugmaschinenlebenszyklus
4.3.1 Untersuchungsmethodik
4.3.2 Anwendung der Methodik
4.3.3 Untersuchungsergebnis

5 Zusammenfassung und Ausblick

6 Anhang
Anhang A
Anhang B

7 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1:Industrielle Entwicklungsstufen

Abbildung 2: Cyber-Physische Systeme

Abbildung 3: Von Embedded Systems zur Smart Factory

Abbildung 4: Das Internet der Dinge

Abbildung 5: Interaktion zwischen Mensch und CPS in der Industrie 4.0

Abbildung 6: Horizontale Integration

Abbildung 7: Ziele der horizontalen Integration aus Industriesicht

Abbildung 8: Automatisierungspyramide

Abbildung 9: Durchgängige Digitalisierung über den Lebenszyklus

Abbildung 10: Anteil von Produkt- und Markenpiraterie betroffener Unternehmen

Abbildung 11: Bedrohungspotenziale

Abbildung 12: Wirkungsweise von Know-how-Schutzmaßnahmen

Abbildung 13: Verbundprojekte der Forschungsoffensive gegen Produktpiraterie

Abbildung 14: Cloudbasierte Produktschutzdatenbank

Abbildung 15: Beschleunigte Produktentwicklung 4.0

Abbildung 16: Aufhebung der Informationsasymmetrie zwischen Hersteller und Nutzer

Abbildung 17: Zusammenrücken von Kunde, Produkt und Hersteller im Rahmen produktbegleitender Dienstleistungen

Abbildung 18: Zusammenhang zwischen Kunde, OEM und Leistungserstellung in der Industrie 4.0

Abbildung 19: Tracking von Lizenznehmern aus der Cloud

Abbildung 20: Kostenvorteil von Imitatoren

Abbildung 21: Auslagerung sicherheitskritischer Rechenoperationen in die Cloud

Abbildung 22: Maßnahmenbaukasten für den Produktschutz 4.0

Abbildung 23: Lebenszyklen der Produktion

Abbildung 24: Einfache Produktlebenszyklusmodelle

Abbildung 25: Erweitertes Produktlebenszyklusmodell

Abbildung 26: Lebenszyklen einer Werkzeugmaschine

Abbildung 27: Untersuchungsmethodik

Abbildung 28: Anwendungspotenzial Industrie 4.0-getriebener Produktschutzmaßnahmen im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Maßnahmen im Produkt- und Know-how-Schutz

Tabelle 2: Anwendungspotenzial eines Produktschutz-Assistenz-Services im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 3: Anwendungspotenzial cloudbasierter Produktschutzdatenbanken im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 4: Anwendungspotenzial semantischer Suchmaschinen im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 5: Anwendungspotenzial optimierter Innovationsprozesse im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 6: Anwendungspotenzial der verbesserten Möglichkeiten der Kundenintegration im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 7: Anwendungspotenzial produktbegleitender Dienstleistungen im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 8: Anwendungspotenzial des Trackings von Lizenznehmern auf Basis von CPPS im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 9: Anwendungspotenzial des Tracings auf Basis digitaler Produktgedächtnisse im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 10: Anwendungspotenzial von Stückkostenbarrieren im Werkzeugmaschinenlebenszyklus .

Tabelle 11: Anwendungspotenzial der erhöhten Mitarbeiterbindung im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 12: Anwendungspotenzial der hochvariablen Fertigung im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 13: Anwendungspotenzial des Pay-On-Production im Werkzeugmaschinenlebenszyklus .

Tabelle 14: Anwendungspotenzial des Vertriebs zu Lebenszykluskosten im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 15: Anwendungspotenzial der cloudbasierten Maschinensteuerung im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 16: Anwendungspotenzial des optimierten Erweiterungsmanagements im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 17: Anwendungsmöglichkeit der Authentifizierung auf Basis eines CSC im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 18: Anwendungsmöglichkeit des cloudbasierten Kennzeichnungsabgleichs im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 19: Know-how-Schutzmaßnahmen im Werkzeugmaschinenlebenszyklus

Tabelle 20: Know-how-Schutzmaßnahmen nach dem Stand der Technik

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kurzfassung / Abstract

Mit einem geschätzten Schaden von 7,9 Milliarden Euro im Jahr 2014 ist Produktpiraterie eine der größten Bedrohungen für die Innovationskraft des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus. Im Zuge der umfassenden Digitalisierung sowie der horizontalen und vertikalen Integration der Produktion, der Industrie 4.0, ergeben sich neue Chancen für aktuelle Herausforderungen im Produkt- und Know-how-Schutz. Das Ziel der vorliegenden Studienarbeit ist es deshalb, darzustellen, in welchen Bereichen Synergien zwischen aktuell zum Einsatz kommenden Produkt- und Know-how-Schutzmaßnahmen und den zur Umsetzung der Vision Industrie 4.0 notwendigen (r)evolutionären Technologieentwicklungen bestehen, um im Anschluss daran sowohl das Anwendungspotenzial neuartiger als auch optimierter Schutzinstrumente anhand eines für den gesamten Maschinen- und Anlagebau repräsentativen Beispiels, einer Werkzeugmaschine, aufzuzeigen. Hierzu werden zunächst Ideen für neuartige sowie verbesserte Produktschutzmaßnahmen generiert und in einem Maßnahmenbaukasten für den Produktschutz 4.0 zusammengefasst. Anschließend werden die Maßnahmen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in den einzelnen Phasen eines idealtypisch modellierten Werkzeugmaschinenlebenszyklus, welcher zwischen den Phasen Entstehung und Fertigung, Nutzung sowie Nachnutzung differenziert, untersucht. Letztlich erfolgt aus dieser Untersuchung die Generierung einer Übersicht, die das Anwendungspotential Industrie 4.0-getriebener Know-how-Schutzmaßnahmen im Lebenszyklus einer Werkzeugmaschine aufzeigt.

Schlagwörter:

Produktionsmanagement, Produktpiraterie, Security.

1 Einleitung und Gang der Untersuchung

„Die digitale Vernetzung der Industrieproduktion und darauf aufbauende Smart Services scheinen … unendlich neue Möglichkeiten zu bieten. Wir in Deutschland knüpfen besonders an das an, was wir „Industrie 4.0“ nennen - an die Erwartung, dass unsere hohe Industriekompetenz auch im digitalen Zeitalter fortentwickelt werden kann.“ (Angela Merkel, anlässlich der Eröffnungsrede zur CeBIT, am 15.3.2015 in Hannover¹ )

Der Maschinen- und Anlagenbau ist mit rund einer Millionen Beschäftigten im Jahr 2014 einer der bedeutendsten Wirtschaftszweige Deutschlands.² Nicht zuletzt aufgrund des starken industriellen Sektors konnten die Auswirkungen der Subprime-Krise in Deutschland verhältnismäßig schnell überwunden werden.³ Auf Basis innovativer Technologien und eines guten Images der Erzeugnisse gilt Deutschland nach wie vor als einer der führenden ÅFabrikausrüster der Welt“.⁴ Die Rolle des Innovationsführers birgt jedoch auch Risiken⁵: Im Jahr 2014 waren nahezu drei Viertel aller Unternehmen des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus Opfer von Produkt- und Markenpiraterie.⁶

Wurden in der Vergangenheit vornehmlich ältere Produktmodelle Opfer von Plagiaten, so können Nachahmer heute immer schneller auf Innovationen reagieren.⁷ Baugruppen werden zerlegt, vermessen und mit Hilfe von 3-D-Druckern nachgebaut, um anschließend weltweit über das Internet vermarktet zu werden.⁸ Online-Handelsplattformen wie Alibaba.com erleichtern Produktpiraten den schnellen und anonymen Vertrieb. Nicht zuletzt deshalb betrug der aus Produkt- und Markenpiraterie resultierende Schaden für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau im Jahr 2014 rund 7,9 Milliarden Euro, was aus volkswirtschaftlicher Perspektive einem Verlust von 37.000 Arbeitsplätzen gleichkommt.⁹ Vor dem Hintergrund dieses enormen Schadenspotenzials gewinnt der Produkt- und Know-how- Schutz zunehmend an Relevanz. Neue und innovative Schutzansätze sind erforderlich, um die Innovationen der deutschen Industrie auch in Zukunft gegen ein stetig wachsendes Bedrohungsszenario abzusichern.¹⁰

Nach der Mechanisierung, Elektrifizierung sowie Informatisierung - Schlagwörtern, welche die drei vorangegangenen industriellen Revolutionen charakterisieren - zeichnet sich mit der Digitalisierung der Produktion eine vierte industrielle Revolution ab: Industrie 4.0.¹¹ Auf Basis einer umfassenden horizontalen und vertikalen Integration sowie durchgängig digitalisierter Produkte und Produktionssysteme soll eine neue Stufe der überbetrieblichen Organisation erreicht werden, in der Produktionsprozesse in Echtzeit auf sich ändernde oder geänderte Rahmenbedingungen reagieren.¹² Gerade im Hinblick auf die sich anbahnende vierte industrielle Revolution ergeben sich neue, bislang unerforschte, Chancen für aktuelle Herausforderungen im Produkt- und Know-how-Schutz.

Das Ziel der vorliegenden Studienarbeit ist es deshalb, aufzuzeigen, in welchen Bereichen Synergien zwischen aktuell zum Einsatz kommenden Produkt- und Know-how-Schutzmaßnahmen und den zur Umsetzung der Vision Industrie 4.0 notwendigen (r)evolutionären Technologieentwicklungen bestehen, um im Anschluss daran das Anwendungspotenzial der neuartigen sowie optimierten Schutzinstrumente anhand eines für den gesamten Maschinen- und Anlagenbau repräsentativen Beispiels, einer Werkzeugmaschine ¹³, zu validieren.

Zu diesem Zweck erfolgt im zweiten Kapitel zunächst die literaturbasierte Aufarbeitung des aktuellen Standes der Industrie 4.0-Diskussion. Ausgehend von der chronologischen Einordnung der Industrie 4.0 in die bisherigen industriellen Entwicklungsstufen in Abschnitt 2.1 werden in Abschnitt 2.2. mit den Cyber-Physical Systems (CPS), dem Internet der Dinge, Daten und Dienste sowie den Human-Machine-Interfaces (HMI) drei Basiskomponenten der zukünftigen Produktionslandschaft dargestellt. Den Abschluss des Kapitels bildet eine Erläuterung der drei zentralen Charakteristika der Industrie 4.0: Der horizontalen Integration über Wertschöpfungsnetzwerke (Abschnitt 2.3.1), der vertikalen Integration der Automatisierung (Abschnitt 2.3.2) sowie der durchgängigen Digitalisierung über den Lebenszyklus (Abschnitt 2.3.3).

Im Rahmen des dritten Kapitels wird zunächst der aktuelle Stand im Produkt- und Know-how- Schutz aufgearbeitet. Hierzu erfolgt in Abschnitt 3.1.1. eine Abgrenzung der im Kontext des Produkt- und Know-how-Schutzes verwendeten Begrifflichkeiten, um im Anschluss relevante Bedrohungspotentiale (Abschnitt 3.1.2) aufzuzeigen, vor dessen Hintergrund der Einsatz von Know-how-Schutzmaßnahmen (Abschnitt 3.1.3) notwendig wird. Abschnitt 3.1.4 fasst schließlich die Projektergebnisse der im Jahr 2011 abgeschlossenen Forschungsoffensive ÅInnovationen gegen Produktpiraterie“ zusammen. Ausgehend von den im zweiten Kapitel dargestellten (r)evolutionären technologischen Entwicklungen der Industrie 4.0 werden in Abschnitt 3.2 Ideen für neuartige und verbesserte Produktschutzmaßnahmen für den Maschinen- und Anlagenbau generiert und in einem Maßnahmenbaukasten für den Produktschutz 4.0 zusammengeführt. (Abschnitt 3.3).

Im vierten Kapitel erfolgt die Übertragung der im dritten Kapitel generierten Ideen bezüglich neuer und verbesserter Produktschutzmaßnahmen auf das lebenszyklusorientierte Anwendungsbeispiel einer Werkzeugmaschine. Dazu werden zunächst Spezifika des Produkt- und Know-how-Schutzes bei Werkzeugmaschinen beschrieben (Abschnitt 4.1), um in Anschluss daran einen idealtypischen Werkzeugmaschinenlebenszyklus zu modellieren (Abschnitt 4.2). In Abschnitt 4.3 erfolgt schließlich die Validierung des Anwendungspotenzials des in Abschnitt 3.3 dargestellten Maßnahmenbaukastens im Lebenszyklus einer Werkzeugmaschine.

Das Fazit fasst die zentralen Ergebnisse der Arbeit zusammen und zeigt Forschungsdesiderate im Bereich des Produkt- und Know-how-Schutzes im Zeitalter der digitalisierten Produktion auf.

2 Produktionslandschaft Industrie 4.0

Das zweite Kapitel gibt einen Überblick über den aktuellen Standes der Industrie 4.o-Diskussion. Da Industrie 4.0 die Bezeichnung für die vierte industrielle Revolution darstellt, werden zunächst die drei vorangegangenen industriellen Entwicklungsstufen beschrieben, bevor ein Ausblick auf die sich anbahnende vierte industrielle Revolution erfolgt. Im Anschluss daran werden mit CPS, dem Internet der Dinge, Daten und Dienste sowie den HMI drei für die Umsetzung des Industrie 4.0- Gedankens wesentliche Komponenten beschrieben. Abschließend erfolgt mit der Darstellung der horizontalen und vertikalen Integration der Informationstechnologie sowie der durchgängigen Digitalisierung über den Lebenszyklus eine Schilderung der drei zentralen Charakteristika der Produktionslandschaft Industrie 4.0.

Industrielle Entwicklungsstufen

2.1.1 Die industriellen Revolutionen

Der Begriff der industriellen Revolution bezeichnet den fundamentalen Wandel in wirtschaftlicher und sozialer Hinsicht, der durch die Einführung und den verstärkten Einsatz mechanischer Anlagen in der Industrie hervorgerufen wurde. Ausgangspunkt für die erste industrielle Revolution bildete die Erfindung der Dampfmaschine im Jahre 1765 durch James Watt in England.¹⁴ Während andere Energiequellen wie Wind- oder Wasserkraft zunehmend abgelöst wurden, gewann Kohle als Energieträger an Bedeutung. Mechanische Anlagen konnten fortan flexibler eingesetzt werden. Die Dampfmaschine bildete somit die Basis für eine standortunabhängigere, großflächigere Mechanisierung der Landwirtschaft, Rohstoffgewinnung sowie der Produktion.¹⁵ Im Jahre 1771 entwarf Richard Arkwright für die Baumwollindustrie die erste Fabrik, in der mehrere Produktionsvorgänge arbeitsteilig zwischen Menschen und Maschinen ausgeführt werden konnten.¹⁶ Diese neue Form der Produktion löste, bedingt durch die mit ihrer Einführung verbundene Produktivitätssteigerung, die vorher übliche Manufaktur ab. Im Transportwesen ermöglichte der Einsatz der Dampfmaschine, in Form von Dampfschiff und Eisenbahn, eine Vernetzung von Städten und Industrieanlagen.¹⁷

In Deutschland hielten die neuen technologischen Entwicklungen Anfang des 19. Jahrhunderts Einzug. Im späten 19. Jahrhundert konnte die erste Revolution und damit der Übergang von der Agrar- zur Industriegesellschaft als abgeschlossen betrachtet werden.¹⁸

Die zweite industrielle Revolution zeichnete sich in der Produktionstechnik durch die Einführung der arbeitsteiligen Massenproduktion aus. Getragen wurde diese Revolution durch den Einsatz elektrischer Energie sowie der Erfindung von Glühbirnen, Generatoren und Explosionsmotoren. Erdöl gewann als Energieträger an Bedeutung. Auch die Kommunikation entwickelte sich.¹⁹ Die Telegraphie (1840) wurde um den Einsatz von Telefonen (1880) ergänzt.²⁰ Im Jahr 1913 erfand Henry Ford die Fließbandfertigung für Automobile, auf der das Modell-T produziert wurde. Ford nahm sich bei der Ausgestaltung der Produktionsprozesse die Arbeitsabläufe in Schlachthöfen im Großraum Cincinnati zum Vorbild.²¹ Nicht der Mensch sollte sich fortan zu seinem Werkstück bewegen, sondern das Werkstück - mittels Fließband - zum Menschen. Die Menschen hingegen blieben stationär und führten einfache, sich permanent wiederholende Aufgaben aus. Durch die mit dieser Form der Arbeitsorganisation verbundenen Lerneffekte aufseiten der Menschen sowie der Optimierung der fabrikinternen Logistik durch das Fließband konnte die Arbeitsproduktivität weiter gesteigert werden. Theoretische Fundierung erhielt diese neue Form der Produktionsorganisation durch Frederick Taylors Werk ÅThe Principles of Scientific Management“²², weshalb sich in der Folgezeit die Bezeichnungen Fordismus und Taylorismus etablierten. Massenmärkte konnten, auch als Folge umfassender Standardisierungsbestrebungen, erstmals mit komplexen Erzeugnissen bedient werden.²³

In Deutschland entwickelten sich die Chemie- und Elektroindustrie sowie der Maschinenbau zu den führenden Branchen und ÅLeitsektoren“.²⁴ Während Deutschland in der ersten industriellen Revolution vornehmlich Innovationen aus anderen Ländern übernahm, wurde es während der zweiten industriellen Revolution selbst zum Innovationstreiber. Zahlreiche Patente, wie beispielsweise der ÅBenz Motorwagen Nr. 1“ (1886) oder der Viertaktmotor (1877) hatten ihren Ursprung in Deutschland.²⁵

Mit der Erfindung des Computers sowie der schnellen Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) setzte in der Mitte des 20. Jahrhunderts die dritte industrielle Revolution ein, die bis heute andauert.²⁶ Kerncharakteristika der neuen Innovationswelle stellen die Automatisierung, die computergestützte Massenproduktion sowie die fortschreitende Individualisierung der Fertigung dar.²⁷ Eine flexiblere Produktion wurde ermöglicht. Das Produktionskonzept des Mass-Customization, der ÅIndividualität von der Stange“, entstand. Massenmärkte konnten fortan in vielen Bereichen mit kundenindividuellen Produkten versorgt werden. Die Grundlage hierfür bildete unter anderem die Einführung modularer Konzepte, in denen der Kunde einzelne Module eines Produktes konfiguriert, welche dann nach einem ÅLego- Prinzip“ auf einer Plattform zusammenführbar sind.²⁸ Dieses Konzept ermöglichte die Realisation einer hohen Variantenvielfalt bei gleichzeitig beherrschbaren Produktionskosten.²⁹

Charakteristisch für die dritte industrielle Revolution war zudem die verstärkte Zusammenarbeit von Informationstechnik, Elektrotechnik und Maschinenbau. Dies führte zur starken Verbreitung mechatronischer Systeme, worunter beispielsweise auch moderne Werkzeugmaschinen fallen. Mit dem Internet steht seit Ende des 20. Jahrhunderts außerdem ein System zur Verfügung, dass die globale Kommunikation und Koordination innerhalb von Unternehmen und zwischen Wertschöpfungsnetzwerken ermöglicht.³⁰

In den 1980er Jahren kam mit dem Computer Integrated Manufacturing-Ansatz (CIM) erstmals die Idee auf, die Produktion umfassend IT-technisch zu vernetzen. Kern der Vision CIM war eine ganzheitliche Betrachtung der Leistungserstellung eines Unternehmens mittels integrierter IT- Systeme. Der Faktor ÅMensch“ geriet dabei jedoch teilweise in Vergessenheit.³¹ Der CIM-Ansatz konnte sich letztlich nicht durchsetzen, was vor allem mit den zum damaligen Zeitpunkt unzureichenden Datensystemen, der mangelhaften Datenübertragungstechnik sowie nicht ausgereifter Sensorik zu begründen war. Darüber hinaus stellte sich die zur Umsetzung der Vision CIM benötigte Technik als nicht wirtschaftlich einsetzbar heraus. Es wurde eine Åüberzüchtete“, schwer beherrschbare Produktion erschaffen.³²

War Deutschland zu Beginn der dritten industriellen Revolution noch stark von den Folgen zweier Weltkriege geprägt, so ist es heute einer der weltweit führenden Fabrikausrüster mit einem stark ausgeprägten industriellen Sektor. Mit dem Zukunftsprojekt Industrie 4.0 haben sich Bundesregierung und Industrie zum Ziel gesetzt, Deutschland zum Kristallisationspunkt einer neuen industriellen Revolution zu machen. Neuartige Formen der Produktion und Organisation sollen gewährleisten, dass Deutschland der weltweit führende Anbieter für innovative Produktionstechnologien und damit ÅFabrikausrüster der Welt“ bleibt.³³ Ziel ist es, eine konsequente Weiterentwicklung der dargestellten Entwicklungen in der Produktionstechnik voranzutreiben: Von der Entstehung der Fabrik, über die Massenfertigung und das Konzept des Mass-Customization hin zur vollständig kundenindividuellen Produktion der Zukunft, in der die “Losgröße 1“ zur Realität wird. Diese von Politik und Wirtschaft postulierte ÅVision Industrie 4.0“ wird im nächsten Abschnitt dargestellt. Die nachfolgende Abbildung fasst die bisherigen Entwicklungen zusammen und gibt einen Ausblick auf das Produktionsparadigma der Industrie 4.0.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1:Industrielle Entwicklungsstufen (Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Kagermann et. al (2013), S.17).

2.1.2 Die vierte industrielle Revolution

Wie die Ausführungen im vorherigen Abschnitt zeigen, erfolgten alle bisherigen industriellen Umbrüche nach dem gleichen Muster: Evolutionäre technische Entwicklungen führten in der Summe zu revolutionären Veränderungen.³⁴ Der revolutionäre Charakter wird dabei vor allem in der Nachbetrachtung ersichtlich. Es ist deshalb davon auszugehen, dass auch die vierte industrielle Revolution nach einem ähnlichen Schema ablaufen wird und Entwicklungen wie schnelle Long Term Evolution-Netze (LTE), leistungsfähige Smartphones, das Vordringen des Cloud- Computings oder auch die Augmented Reality-Funktionalität der Google Glass bereits die ersten Evolutionsstufen der sich anbahnenden vierten industriellen Revolution darstellen.

Der Begriff ÅIndustrie 4.0“ tauchte für die breite Öffentlichkeit erstmals bei der Eröffnung der Hannover Messe 2011³⁵, als Marketing-Begriff für eine angestrebte, neue Form der Produktionsorganisation auf. Bereits die Begriffssyntax deutet darauf hin, dass im Rahmen des Zukunftsprojektes Industrie 4.0 eine weitestgehende Integration von Industrie und Informationstechnologie verfolgt wird.

Ursprünglich bezeichnet Industrie 4.0 ein Projekt der seit dem Jahr 2006 verfolgten Hightech Strategie der Bundesregierung, in welchem Forschungs- und Entwicklungsaktivtäten ressortübergreifend gebündelt und verknüpft werden sollten.³⁶ Maßgeblich getragen wurde die Hightech-Strategie vor allem von der ÅForschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft“, aus der sich der Arbeitskreis Industrie 4.0 entwickelte. 2012 wurde Industrie 4.0 als eines von zehn Zukunftsprojekten im Rahmen des Aktionsplanes ÅHightech Strategie 2020“ weiter konkretisiert.³⁷ Im April 2013 übergab der Arbeitskreis Industrie 4.0 auf der Hannover Messe ihren finalen Bericht ÅUmsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0“ an die Bundeskanzlerin Angela Merkel.³⁸ Die drei Wirtschaftsverbände Verein des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus (VDMA), Zentralverband der Elektrotechnik- und Elektroindustrie (ZVEI) und Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien (BITKOM) führen das Projekt des Arbeitskreises Industrie 4.0 seit 2013 als maßgeblich involvierte Parteien ,auf dem Online- Informationsportal ÅPlattform Industrie 4.0“ weiter fort.³⁹ Die drei Verbände haben sich auf ihrem gemeinsamen Informationsportal auf die folgende Vision hinsichtlich Begriffsbestimmung und Kerncharakteristika der Industrie 4.0 geeinigt:

ÅDer Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, eine neue Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend individualisierten Kundenwünschen und erstreckt sich von der Idee, dem Auftrag über die Entwicklung und Fertigung, die Auslieferung eines Produktes an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen.

Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit, aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten. Durch die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen entstehen

dynamische, Echtzeit-optimierte und selbstorganisierende, unternehmensübergreifende

Wertschöpfungsnetzwerke, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie beispielsweise Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.“ ⁴⁰

Um ein ganzheitlich integriertes Wertschöpfungsnetzwerk im Sinne der Definition zu realisieren, sind die folgenden Aspekte von besonderer Relevanz. Dazu zählen die horizontale Integration, die digitale Durchgängigkeit des Engineerings über die gesamte Wertschöpfungskette sowie die vertikale Integration mittels vernetzter Produktionssysteme.⁴¹ Durch die Umsetzung des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 sollen im Wesentlichen vier Ziele erreicht werden:

- Die Erfindung einer neuartigen Form der intelligenten Produktionstechnik, mit dem Ziel innovative Produkte für den Weltmarkt erzeugen zu können und heimische Fabriken ressourceneffizienter und flexibler zu machen;
- die Optimierung der Automatisierungstechnik, um Deutschland in seiner Automatisierungskompetenz einen Wettbewerbsvorteil zu sichern;
- die Beschäftigungssicherung durch neue Formen der Arbeitsplatzgestaltung in Zeiten des demographischen Wandels mittels intelligenter Lösungen in Produktion, Engineering und Produktionsumfeld;
- sowie die Schaffung neuer kollaborativer Formen der Arbeitsorganisation in der intelligenten Fabrik, die auf eine qualitative Anreicherung menschlicher Arbeit, interessante Arbeitszusammenhänge, zunehmende Selbstverantwortung und Selbstentfaltung ausgerichtet ist. ⁴²

Insbesondere das letztgenannte Ziel verdeutlicht, dass, im Gegensatz zu den Ideen des CIM- Ansatzes, im Rahmen der Industrie 4.0 keine vollautomatisierten, menschenleeren Fabriken entstehen sollen. Die menschliche Arbeit soll vielmehr von teilausführenden hin zu komplexeren, gestalterischen Tätigkeiten als Planer und Entscheider in einer vernetzten Arbeitsumgebung verändert werden.⁴³ Diese Tätigkeitsverlagerung soll letztlich auch vor der Abwanderung der industriellen Fertigung in Billiglohnländer schützen.⁴⁴

Zur schrittweisen, evolutionären Umsetzung der Industrie 4.0 bedarf es hohen Investitionen sowohl in die bestehende Infrastruktur als auch in notwendige Technologieentwicklungen. Es ist zu erwarten, dass die Investitionen in Industrie 4.0-Lösungen im Maschinen- und Anlagenbau bis zum Jahr 2020 etwa 3,5 % des Jahresumsatzes ausmachen werden. Dies entspricht einem Investitionsvolumen von 8,5 Mrd. Euro jährlich. Über alle Schlüsselindustrien hinweg wird sich das prognostizierte Investitionsvolumen sogar auf 40 Mrd. Euro jährlich aufsummieren.⁴⁵ Diese Ausgaben sollen jedoch keinen Selbstzweck darstellen, sondern sich letztlich für die involvierten Unternehmen auszahlen. Es wird derzeit davon ausgegangen, dass die Ausgestaltung der Produktion im Sinne der Industrie 4.0 alleine durch die Digitalisierung von Produkten und Services sowie der damit verbundenen Dienstleistungsmöglichkeiten ein zusätzliches Wertschöpfungspotenzial von 30 Mrd. Euro jährlich generiert. Der eigene Umsatz könnte durch die Umsetzung des Industrie 4.0-Konzepts nach Einschätzung der beteiligten Unternehmen um durchschnittlich 12,5% pro Jahr steigen. Die Bedeutung von Software und digitalen Elementen an der Gesamtwertschöpfung eines Produktes nimmt dabei in Zukunft stark zu.⁴⁶

2.2Basiskomponenten

2.2.1 Cyber-Physical Systems

Der Begriff CPS deutet bereits an, dass es sich dabei um technische Systeme handelt, die sowohl physische als auch virtuelle Bestandteile enthalten. CPS bilden neben dem Internet der Dinge, Daten und Dienste sowie den HMI eines der Hauptkomponenten des Produktionsparadigmas Industrie 4.0 und basieren im Wesentlichen auf zwei konvergierenden Technologieentwicklungen: Embedded Systems sowie globalen Datennetzen.⁴⁷

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Cyber-Physische Systeme (Quelle: Eigene Darstellung).

Embedded Systems stellen eine Kombination aus Hard- und Software dar, die in einen bestimmten technischen Kontext eingebettet sind. Dabei verrichten sie vordefinierte Aufgaben.⁴⁸ Ein einfaches Beispiel für ein Embedded System ist etwa eine Bedienkonsole. In komplexen technischen Erzeugnissen erfolgt eine Vernetzung von mehreren autonomen Embedded Systems zu einem Gesamtsystem. So sind etwa in einem durchschnittlichen Mittelklassewagen bis zu 80 verschiedene Embedded Systems integriert.⁴⁹ Auch eine moderne Computer Numerical Control-Maschine (CNC) besteht aus mehreren, vernetzten Embedded Systems wie unter anderem der Bedienkonsole und der speicherprogrammierbaren Steuerung.

Globale Datennetze stellen im Wesentlichen die Kommunikationsinfrastruktur zur Verfügung, auf deren Basis technische Systeme miteinander interagieren und Daten austauschen können. Hiermit ist insbesondere das Internet gemeint. Die Datennetze in der Produktionslandschaft 4.0 müssen dazu in der Lage sein, auch große Datenmengen schnell, sicher und zuverlässig übertragen zu können. Aus der Zusammenführung beider Entwicklungen entstehen schließlich Cyber- Physische Systeme welche:

- Åmittels Sensoren unmittelbar physikalische Daten erfassen und mittels Aktoren auf physikalische Vorgänge einwirken,
- Daten auswerten und speichern sowie auf dieser Grundlage aktiv oder reaktiv mit der physikalischen und der digitalen Welt interagieren,
- mittels digitaler Netze untereinander verbunden sind, und zwar sowohl drahtlos als auch drahtgebunden, sowohl lokal als auch global,
- weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen,
- über eine Reihe multimodaler Mensch-Maschine-Schnittstellen verfügen, also sowohl für Kommunikation und Steuerung differenzierte und dedizierte Möglichkeiten bereitstellen, zum Beispiel Sprache und Gesten.“ ⁵⁰

Dabei umfassen CPS sowohl Objekte und Managementprozesse als auch Internetdienste.⁵¹ Es kommt zu einer Entstehung von digitalen Netzwerken aus physischen Objekten. Werden diese mit IP-Adressen versehen, lassen sie sich im Internet repräsentieren, ansteuern und über Software- Applikationen bearbeiten.⁵² CPS können im Wesentlichen durch fünf evolutionäre und revolutionäre Eigenschaften charakterisiert werden: Dazu zählen die ÅVerschmelzung von physikalischer und virtueller Welt“, das ÅSystem of Systems mit dynamisch wechselnden Systemgrenzen“, Åkontextadaptive und teils oder ganz autonom handelnde Systeme mit aktiver Echtzeitsteuerung“, Åkooperative Systeme mit verteilter, wechselnder Kontrolle“ sowie die Åumfassende Mensch-System-Kooperation“. ⁵³

Erste Entwicklungsstufen für Cyber-Physische Systeme bestehen bereits heute. Neben den durch die Industrie betriebenen Demonstratoren und Pionier-Fabriken, wie beispielsweise der Smart Factory Kaiserslautern⁵⁴, finden sich diese Ansätze vornehmlich im Consumer-Bereich: Navigationssysteme leiten aus aktuellen Verkehrsinformationen Ausweichrouten ab.⁵⁵ Ein anderes Beispiel ist die Spracherkennung des I-Phones, das Speech Interpretation and Recognition Interface (Siri). Siri nimmt Tonsignale auf, gleicht diese online mit einer Datenbank ab und gibt im Anschluss eine entsprechende Antwort aus.⁵⁶ Kommen CPS im Rahmen der produzierenden Industrie zum Einsatz, wird im Kontext der Industrie 4.0 auch von Cyber-Physical Production Systems (CPPS) gesprochen. CPPS bilden den Oberbegriff für adaptive, sich selbst konfigurierende und teilweise selbstorganisierende, flexible Produktionsanlagen.⁵⁷ In der Produktionslandschaft der Zukunft können sowohl Werkstücke, Werkstückträger, Maschinen als auch Prozesse als CPPS miteinander interagieren. Mit ihrer Hilfe soll es möglich werden, Produkt, Produktionsmittel und Produktionssystem unter Berücksichtigung sich ändernder und geänderter Prozesse zu betrachten.⁵⁸ CPPS bilden somit das Rückgrat der intelligenten Fabrik, der sogenannten ÅSmart Factory“, in der Menschen, Maschinen und Ressourcen in einem neuartigen sozio-technischen System miteinander interagieren.⁵⁹ Die Entwicklungsstufen von einzelnen Embedded Systems bis hin zu einer Smart Factory im Sinne der Industrie 4.0 sind in der folgenden Abbildung beispielhaft veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Von Embedded Systems zur Smart Factory (Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Broy (2012) S.21).

2.2.2 Internet der Dinge, Daten und Dienste

Der Begriff ÅInternet of things“ wurde erstmals 1999 von Kevin Ashton im Rahmen einer Vorstandssitzung bei Procter & Gamble im Kontext der Supply Chain Optimierung mittels der Radio Frequency Identification (RFID)-Technologie verwendet.⁶⁰ Im Wesentlichen steht der deutsche Begriff ÅInternet der Dinge“ für die Vernetzung von Objekten wie beispielsweise Handys, Haushaltsgeräten oder auch Werkzeugmaschinen mit dem Internet. Aus Objekten werden smart objects.⁶¹ Das aktuell existierende Web 2.0, in dem ÅJeder mit Jedem“ in Verbindung treten kann und Daten bzw. Information jederzeit abrufbar sind, wird um Dinge erweitert. Neben dem Menschen treten auch Gegenstände als Akteure im Internet hinzu. Das Web 3.0 entsteht in dem ÅAlles mit Allem“ in Verbindung steht. Reale und virtuelle Welt verschmelzen.⁶²

In Analogie zu den CPS basiert auch das Internet der Dinge nicht nur auf einer Technologie oder einer Funktion, sondern es tragen mehrere Technikentwicklungen, die teilweise konvergieren und sich ergänzen, zu einem Funktionsbündel bei. Darunter fallen nach Mattern und Flörkemeier folgende Funktionen:

- Adressierbarkeit: Gegenstände können beispielsweise über einen Namensdienst angesprochen, gefunden und aus der Distanz kontrolliert werden.
- Kommunikation und Kooperation: Dinge können sich untereinander vernetzen, kommunizieren und zielgerichtet zusammenarbeiten.
- Identifikation: Für die Realisierung des Internet der Dinge müssen Objekte eindeutig identifizierbar sein. Hierfür einsetzbare Technologien sind beispielsweise Near Field Communication (NFC), RFID oder Strichcodes. Eine eindeutige Identifizierung ermöglicht die Verknüpfung mit zugehörigen Informationen zu den Objekten im Internet der Dinge.
- Benutzungsschnittstellen: Direkte oder indirekte Kommunikation mit Menschen.
- Lokalisierung: Gegenstände sind lokalisierbar und kennen ihren physikalischen Standort.
- Eingebettete Informationsverarbeitung: Intelligente Objekte sind mit einem Mikro- prozessor oder Mikrokontroller sowie Speicherkapazität ausgestattet. Sensorische Information kann damit verarbeitet und interpretiert werden. Die Dinge bekommen hinsichtlich ihrer Nutzung ein Gedächtnis. ⁶³

Die Dinge werden in Analogie zu Computern mit einer IP-Adresse versehen und sind damit eindeutig identifizierbar. Voraussetzung für die eindeutige Identifizierbarkeit ist ein ausreichend großer Adressraum. Das Internetprotokoll der 6. Generation (IPv6) ist die Basis zur Entwicklung und Implementierung von Industrie 4.0-Technologien. Es stellt gegenüber seinen Vorgängern einen genügend großen Adressraum zur Verfügung, um alle intelligenten Objekte eindeutig adressieren zu können.⁶⁴ Objekte in diesem Sinne können sowohl ganze Maschinen als auch einzelne Maschinenkomponenten oder -teile sein. Die folgende Abbildung stellt die Verbindung von Objekten mit dem Internet zu einem ÅInternet der Dinge“ und dessen Beziehung zum Menschen zusammenfassend dar. Wie aus der Abbildung ersichtlich wird, kommt bei der Interaktion zwischen Menschen und Dingen der Mensch-Maschine-Schnittstelle (vgl. Abschnitt 2.2.3), etwa in Form von Tablets oder Smartphones, eine zentrale Rolle zu.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Das Internet der Dinge (Quelle: Mattern/Flörkmeier (2010), S.109).

Das Internet der Dinge kann unter Berücksichtigung der genannten Funktionen zusammenfassend als zentrales Kommunikationsmedium der Industrie 4.0 angesehen werden, mit dessen Hilfe eine umfassende Vernetzung realisierbar ist.

Eine weitere wesentliche Komponente der Industrie 4.0 ist das Internet der Dienste:

ÅAls Internet der Dienste kann der Teil des Internets verstanden werden, der Dienste und Funktionalitäten als granulare, webbasierte Softwarekomponenten abbildet. Provider stellen die Software im Internet zur Verfügung und bieten die Nutzung auf Anforderung an.“ ⁶⁵

Ein gängiges Beispiel für eine seit langer Zeit gebräuchliche Internet-basierte Anwendung im Consumer-Bereich sind etwa E-Mail-Dienste. In Zukunft sollen einzelne Softwarebausteine und die darin enthaltenen Dienstleistungen über Internetdiensttechnologien stärker als bislang miteinander kombinierbar sein. Unternehmen werden mit Hilfe des Internet der Dienste in die Lage versetzt Softwarekomponenten zu komplexen und dennoch flexiblen, angepassten Lösungen orchestrieren zu können. Es entsteht eine Ådienstorientierte Architektur“ (DoA). Über Cloud- basierte Entwicklungsplattformen⁶⁶ kann eine Vielzahl an Marktakteuren auf einfache Weise internetfähige Dienstleistungen entwickeln und anbieten. Es entstehen Dienstplattformen, auf denen Kunden ein bedarfs- beziehungsweise prozessorientiertes Komplettangebot finden. Das aufwendige Suchen, Vergleichen und Zusammenstellen von Einzelangeboten soll dadurch der Vergangenheit angehören. ⁶⁷ Das Internet der Dienste und dessen Auswirkungen lassen sich im Wesentlichen durch folgende Punkte konkretisieren:

- Der Umfang der im Unternehmen vorgehaltenen Hard- und Software kann reduziert werden, da benötigte IKT-Ressourcen flexibel als Dienstleistung über das Internet beziehbar sind.
- Die webbasierte Bereitstellung der Anwendungen ermöglicht die plattform- und endgeräteunabhängige Nutzung, z.B. auf mobilen Devices wie Smartphones oder Tablets mit geringer Rechenleistung (Thin clients).
- Unternehmen werden in die Lage versetzt, eine am individuellen Bedarf und den jeweiligen Geschäftsprozessen orientierte IKT-Architektur modular zusammenstellen zu können.
- Über standardisierte Schnittstellen sind die einzelnen Softwarebausteine entfernt aufrufbar und miteinander integrierbar. Webservices ermöglichen dabei die technische Umsetzung von Funktionalitäten und ein hohes Maß an Interoperabilität zwischen verschiedenen Technologieplattformen. Sie erlauben Unternehmen, Aufgaben oder Prozessteile auslagern zu können. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, Webservices mit semantischen Inhalten anzureichern, um ihr Auffinden, Auswählen, Ausführen sowie ihre Orchestrierung mit anderen Services zu erleichtern und zu automatisieren.

- Klassische Industrieunternehmen treten am Markt vermehrt selbst als Anbieter von webbasierten Diensten auf, wodurch es zur verstärkten Bildung von hybriden Leistungsbündeln aus Produkt und Dienstleistung kommt.
- Durch die Abbildung von Geschäftsprozessen in E-Services können nicht nur die eigenen, sondern auch die Geschäftsprozesse der Geschäftspartner im Sinne der horizontalen Integration über das Web miteinander verbunden werden. ⁶⁸

Für die Umsetzung der Ideen des Internet der Dienste werden Technologien benötigt, die bisher noch nicht oder nicht im benötigten Leistungsumfang verfügbar sind. Dies betrifft insbesondere den Bereich der ÅSemantischen Technologien“, mit deren Hilfe Anwendungen die für einen spezifischen Nutzungskontext wichtigen von unwichtigen Informationen unterscheiden können. Die benötigten Entwicklungen im Bereich der semantischen Technologien umfassen im Wesentlichen drei Komponenten. Darunter fallen die Erzeugung von strukturierten Informationen aus einer großen Datenmenge (ÅData Mining“), die Organisation und Bewertung der Informationen hinsichtlich ihrer Relevanz (ÅOntologien“) sowie die Ermittlung des Informationsbedarfs des Nutzers (Digitalisierung von Prozessen für die Bereitstellung von relevanten Informationen an spezifischen Prozessschritten). ⁶⁹

Sind diese Entwicklungen abgeschlossen, wird etwa ein CPPS in die Lage versetzt, die Bedeutung von Daten und Interaktion zu erkennen und kann somit angemessen, d.h. für den Nutzer zielführend, auf eine Nutzeranfrage reagieren.⁷⁰ Diese Entwicklungen könnten, wie Abschnitt 3.2.1 am Beispiel eines ÅProduktschutz-Assistenten“ aufzeigt, auch für den Know-how-Schutz nutzbare Vorteile bieten.

2.2.3 Human-Machine-Interface

Mit der schrittweisen Umsetzung der Vision Industrie 4.0 kommt es zur verstärkten Bildung sogenannter sozio-technischer Systeme, in denen Menschen und Maschinen in kooperativer Zusammenarbeit versuchen, eine spezifische Leistung zu erbringen.⁷¹ Im Rahmen dieser kooperativen Zusammenarbeit entsteht ein gesteigerter Interaktionsbedarf zwischen Menschen und Maschinen. Bei der Interaktion zwischen intelligenten Objekten, Produkten und Maschinen mit dem Menschen in der Smart Factory kommt deshalb der Gestaltung der Mensch-Maschine- Schnittstelle eine tragende Rolle zu.⁷² Die Beziehung zwischen Menschen, HMI und CPS ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Interaktion zwischen Mensch und CPS in der Industrie 4.0 (Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Gorecky et. al. (2014), S.525).

Nach der Vision der Industrie 4.0 wird die in der Vergangenheit dominierende, herkömmliche Bedienkonsole durch mobile Lösungen wie Tablets oder Smartphones abgelöst. Diese sind strukturell nicht mehr an die zu steuernde Anlage gebunden, sondern - etwa über das Internet - mit dieser verbunden bzw. vernetzt, was die räumliche Flexibilität des Bedienpersonals erhöht. Das Bedienpersonal muss sich nicht mehr in unmittelbarer Nähe einer Maschine aufhalten. Steuerungs- und Überwachungsprozesse können im Zuge einer universellen Vernetzung auch aus großer Entfernung erfolgen.⁷³

Das HMI wird sich zukünftig durch Multimodalität auszeichnen.⁷⁴ Dieser Trend zeigte sich bereits in der Vergangenheit im Consumer Bereich, etwa bei Spielekonsolen. Erfolgte die Steuerung früher mittels eines Controllers in manueller Form, so ist es in aktuellen Spielekonsolen wie der Nintendo- Wii auch möglich, eine Steuerung mittels Gesten vorzunehmen.⁷⁵ In Industrieanlagen erfolgt die Befehlseingabe heute zumeist noch manuell mittels Tastatur oder Touch-Eingabe, während sich die Rückmeldung des Systems in visueller Form beispielsweise anhand eines Bildschirms vollzieht.⁷⁶ In der Fabrik der Zukunft ist es hingegen vorstellbar, dass diese Basis-Interaktionsform um Sprach- oder Gestensteuerungen ergänzt wird. Der Nutzer ist infolgedessen in der Lage zwischen mehreren Bedienkonzepten zu wählen. Entscheidungskriterien bei der Auswahl der Interaktionsform könnten zukünftig persönliche Vorlieben, körperliche Einschränkungen, Umwelteinflüsse oder die Anforderungen der zu erledigenden Arbeitsaufgabe darstellen. Die Mensch-Maschine-Interaktion wird individualisiert und den jeweiligen Erfordernissen angepasst. Diese Entwicklung fördert vor dem Hintergrund des demographischen Wandels auch eine altersgerechte Arbeitsplatzgestaltung.⁷⁷

Web 2.0-Anwendungen wie Facebook oder Twitter bilden weitere Ansatzpunkte für die Mensch- Maschine-Interaktion der Zukunft. So ist es vorstellbar, dass Maschinen und Objekte ihren Zustand mittels spezieller Dienste auf Plattformen Åposten“, welche vom Betreiber oder dem Kundenservice administriert werden.⁷⁸ Dies könnte zudem ermöglichen, dass Objekte eine Meldung an bestimmte Adressaten absetzen, wenn sie widerrechtlich manipuliert werden.

Einen weiteren wesentlichen Trend im Rahmen der HMI bildet die Augmented Reality, die erweiterte Realität.⁷⁹ Dieses Konzept findet heute bereits in der Google Glass Anwendung. Mit Hilfe der Augmented Reality-Technologie kann der Umgang mit komplexen Systemen oder Abläufen wesentlich vereinfacht werden, indem die vom Bediener durch dessen Sinnesorgane erfassbare Realität um virtuell generierte Informationen angereichert wird. Zu diesem Zweck könnten etwa Statusinformationen aus dem virtuellen Abbild einer Maschine⁸⁰ mittels einer Datenbrille über das reale Objekt projiziert werden.⁸¹ Die Maschine könnte dem Bediener im Rahmen dessen beispielsweise Auskunft über den derzeitigen Bearbeitungszustand eines Werkstücks geben, den eigenen Wartungs- bzw. Verschleißzustand melden oder im Falle eines Maschinendefektes einen Bauplan inklusive der Lage der defekten Komponente visualisieren. Statt globaler Information würde lediglich anwendungsspezifische, kontextrelevante Information übermittelt.⁸² In fortgeschrittenen Entwicklungsstufen von CPPS wäre es denkbar, dass Maschinen im Störungsfall eine erste Selbstdiagnose erstellen, um auf Grundlage dessen die zur Reparatur notwendigen Informationen an das Wartungspersonal zu übermitteln.

Letztlich soll über die Weiterentwicklung der HMI und die Einführung intuitiver Bedienkonzepte die Usability⁸³ der Maschinen ansteigen. Intelligente Assistenzsysteme sollen in der Smart Factory der Zukunft dafür sorgen, dass Basis-Aufgaben mit einem erhöhten Automatisierungsgrad bearbeitet werden, um Freiraum auf Seiten des Bedienpersonals für qualitativ höherwertige, kreative und gestalterische Aufgaben zu schaffen.⁸⁴ Die Akzeptanz von Industrie 4.0-Technologien und auch die Motivation der Mitarbeiter könnten auf diesem Weg ansteigen.⁸⁵

Kerncharakteristika

2.3.1 Horizontale Integration

Während heute etwa 50% der Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau die Bedeutung einer vertieften horizontalen Kooperation als sehr hoch einschätzen, wird sich dieser Anteil binnen fünf Jahre auf 80% erhöhen.⁸⁶ Der Stellenwert unternehmensübergreifender Zusammenarbeit steigt. Diese Einschätzung deckt sich mit einem angestrebten Kerncharakteristikum des Produktionsparadigmas Industrie 4.0, der horizontalen Integration. Der Arbeitskreis Industrie 4.0 definiert horizontale Integration wie folgt:

ÅUnter horizontaler Integration versteht man in der Produktions- und Automatisierungstechnik sowie IT die Integration der verschiedenen IT-Systeme für die unterschiedlichen Prozessschritte der Produktion und Unternehmensplanung, zwischen denen ein Material-, Energie- und Informationsfluss verläuft, sowohl innerhalb eines Unternehmens (beispielsweise Eingangslogistik, Fertigung, Ausgangslogistik, Vermarktung) aber auch über mehrere Unternehmen (Wertschöpfungsnetzwerke) hinweg zu einer durchgängigen Lösung.“ ⁸⁷

Ausgangspunkt der horizontalen Integration bildet somit die IT-Kompatibilität innerhalb und zwischen mehreren Unternehmen sowie über ganze Wertschöpfungsnetzwerke hinweg. Die Grundlage für eine derartig umfassende Integration ist, dass Informationssysteme in der Lage sind, die gleiche ÅSprache“ zu sprechen, um über geeignete Kanäle und Schnittstellen miteinander in Verbindung treten zu können. Notwendige Bedingung der horizontalen Integration der IT ist somit ein umfassender Standardisierungsprozess über die Entwicklung einer Referenzarchitektur, welche sowohl Austauschmechanismen (Protokolle) als auch auszutauschende Information festlegt.⁸⁸ Des Weiteren stellen Fragen des Know-how-Schutzes und des Vertrauens bisher wesentliche Entwicklungshemmnisse einer vertieften horizontalen Integration dar.⁸⁹ Sind diese Umsetzungshürden überwunden, ergeben sich aus der horizontalen Integration von Unternehmen insbesondere folgende Nutzenpotenziale:

- Produktionsrelevante Prozesse sind über Unternehmensgrenzen hinweg vernetzt und können flexibel aufeinander abgestimmt werden.
- Aus den Prozessen heraus erfolgt eine permanente Datenerhebung, welche eine flexible Prozessfeinsteuerung auf der Grundlage aktueller Betriebsinformationen erlaubt. - Die erhöhte Flexibilität ermöglicht eine schnelle Anpassung an unerwartete bzw. kurzfristig veränderte Produktions- und Marktentwicklungen.
- Produktionsanlagen können besser ausgelastet werden, ein effizienteres
Ressourcenmanagement wird ermöglicht. Das Risiko von Konventionalstrafen und die Logistikkosten sinken. ⁹⁰

Die im Zuge der horizontalen Integration angestrebte unternehmensübergreifende Prozessintegration wird in der folgenden Abbildung veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durchgängiger Prozess

Abbildung 6: Horizontale Integration (Quelle: Eigene Darstellung).

Im Rahmen der Studie ÅIndustrie 4.0- Chancen und Herausforderungen der vierten industriellen Revolution“ wurden in einer Umfrage die aus Industriesicht wesentlichen Ziele der horizontalen Integration ermittelt. Diese sind in der nächsten Abbildung dargestellt und werden im Folgenden in ihrem Zusammenhang näher erläutert. ⁹¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Ziele der horizontalen Integration aus Industriesicht (Quelle: Eigene Darstellung nach PwC(2014), S.34).

Durch den in der Definition dargestellten, umfassenden Integrationsprozess wird eine neue Stufe der Flexibilität bei Aufbau, Betrieb und der Neuanordnung von Wertschöpfungsnetzwerken ermöglicht. Dies kann als Ergebnis der aus dem Standardisierungsprozess resultierenden stärkeren Kompatibilität zwischen Unternehmen gesehen werden. Es findet ein Wandel von etablierten Wertschöpfungsketten zu dynamischen Unternehmensverbünden statt. Im Zeitalter der Industrie 4.0 wird es so zu Produktionsmarktplätzen kommen, in denen sich die Unternehmen ad hoc formieren, um eine nachgefragte Marktleistung erbringen zu können. Letztlich besteht die Möglichkeit der Bildung von echtzeitoptimierten Wertschöpfungsnetzwerken, in denen der komplette Produktions- und Serviceprozess von der Bestellung über die Auslieferung bis hin zur Entsorgung zwischen den Partnern dynamisch ausgehandelt wird.⁹²

Eine effiziente Arbeitsteilung gemäß den unternehmensspezifischen Kernkompetenzen wird ermöglicht. Da Branchengrenzen verschwimmen, sind unterschiedliche Unternehmen in der Lage, ihre Kapazitäten einfacher zu verändern oder zu komplett neuartigen Gesamtprodukten anzuordnen. Es besteht zudem die Möglichkeit einer variantenreicheren Produktion. Kundenanforderungen können dadurch stärker als bisher berücksichtigt werden. Dies kann als perfekte Endstufe des Mass-Customization-Gedankens verstanden werden. Ein Zukunftsszenario, welches sich infolgedessen ergibt, ist die wirtschaftliche, vollständig individualisierte Produktion mit Losgröße 1.⁹³

Kommt es an einem Punkt der Wertschöpfungskette zu einer Störung, kann der Materialstrom flexibel auf andere Maschinen oder Wertschöpfungspartner übertragen werden. Dies gilt sowohl innerhalb einer Smart Factory, beim Ausfall einer einzelnen Maschine, als auch standortübergreifend, beispielsweise beim Ausfall eines ganzen Zulieferwerks. Das Risiko kostenintensiver Produktionsausfälle in nachgelagerten Wertschöpfungsstufen ist minimiert und die Resilienz der Produktion steigt.

Unternehmen sind durch eine umfassende horizontale Integration im Sinne der Industrie 4.0 schneller in der Lage, komplementäres Know-how zu bündeln. Dies erhöht die Innovationsrate, da in einer immer komplexer werdenden Welt, neue Ideen zunehmend erst durch die Kapazitätsbündelung mehrerer Unternehmen umgesetzt werden können.⁹⁴ Entwicklungszeiten und die damit zusammenhängende Time-to-Market können über die aus der unternehmensübergreifenden Zusammenarbeit resultierenden Synergieeffekte gesenkt werden.

2.3.2 Vertikale Integration

Die Produktionslandschaft im Sinne der Industrie 4.0 ist durch eine umfassende vertikale Integration geprägt:

ÅUnter vertikaler Integration versteht man in der Produktions- und Automatisierungstechnik sowie IT die Integration der verschiedenen IT-Systeme auf den unterschiedlichen Hierarchieebenen (beispielsweise die Faktor- und Sensorebene, Steuerungsebene, Produktionsleitebene, Manufacturing and Execution Ebene, Unternehmensplanungsebene) zu einer durchgängigen Lösung.“ ⁹⁵

Die in heutigen Produktionssystemen vorherrschende Automatisierungspyramide mit ihren hierarchischen Ebenen ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Auf der jeweiligen Steuerungsbene werden aus dem Vergleich der im Rahmen des Planungsprozesses generierten Zielwerte und der fesgestellten Ist-Werte neue Soll-Wert-Vorgaben für nachgelagerte Ebenen ermittelt. Über eine Vielzahl von Schnittstellen können zwischen den einzelnen Ebenen statisch konfigurierte Informationen ausgetauscht werden. Es entsteht eine strikte Top-down Steuerung oder auch ÅSteuerungseinbahnstraße“ von der Unternehmensplanungsebene hin zum Produktionsprozess.⁹⁶

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Automatisierungspyramide (2014), S. 541).

(Quelle: Eigene Darstellung nach Schöning

In der heutigen Produktionslandschaft kommen auf der Unternehmensplanungsebene Enterprise Resource Planning (ERP)-Systeme zum Einsatz. Diese dienen vornehmlich dazu, alle relevanten Geschäftsprozesse abzubilden. In einem produzierenden Unternehmen wird etwa die Materialbedarfsplanung mit Hilfe des ERP-Systems abgebildet. Die Materialbedarfsplanung stellt sicher, dass alle für die Produktion eines Erzeugnisses notwendigen Materialien bedarfsgerecht am Produktionsstandort zur Verfügung stehen. Die Daten auf der ERP-Ebene sind nicht echtzeitfähig, relativ grob und werden zumeist in Tagesintervallen aktualisiert. ⁹⁷

Die Manufacturing and Execution-Ebene (MES) zeichnet sich aufgrund ihrer Echtzeitfähigkeit durch eine wesentlich größere Prozessnähe aus. In automatisierten Produktionsprozessen erhalten die Maschinen in der Regel ihre Anweisungen aus der MES-Ebene. Dazu wird der aus dem ERP erzeugte, grobe Produktionsplan, der etwa Stückzahlen enthält, unter Berücksichtigung von Rüstzeiten, Durchlaufzeiten und Prioritäten in einen optimalen Produktionsfeinplan umgewandelt.⁹⁸ Das MES dient außerdem dazu, Daten aus dem Produktionsvorgang zu erfassen, um diese in aufbereiteter Form, beispielsweise als Key Performance Indicators, an das ERP zu übergeben. ⁹⁹

Auf der Produktionsleitebene laufen die Daten der Steuerungs- und Feldebene zusammen und können in Echtzeit - beispielsweise durch ein Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) System - überwacht, gesteuert und archiviert werden. Auf der Produktionsleitebene wird ein vollumfassendes Monitoring sichergestellt. Bei Bedarf kann in den Produktionsprozess eingegriffen werden. ¹⁰⁰

Auf der Steuerungsebene erfolgt die Steuerung einzelner Maschinen.¹⁰¹ Auf dieser Stufe der Automatisierungspyramide kommen vorallem speicherprogrammierbare Steuerungssysteme (SPS) zum Einsatz. Im einfachsten Fall bestehen SPS aus einem Eingang, an dem Sensorsignale ankommen, einem Ausgang, an dem Signale an Aktoren ausgegeben werden, der Firmware sowie einer Schnittstelle, über die eine entsprechende Programmierung erfolgt. ¹⁰²

Die Aktor- und Sensorebene bildet schließlich die Schnittstelle zum Produktionsprozess.

Prozessinformationen werden durch Sensoren (etwa Beschleunigungssensoren) aufgenommen, über ein Feldbussystem an die SPS weitergeleitet, durch die Steuerungsalgorithmen der SPS in ein an die Aktoren adressiertes Ausgangssignal umgerechnet, wodurch, etwa mittels Elektromotoren, auf den Prozess eingewirkt werden kann. ¹⁰³

Nach der vorgestellten Definition bedeutet die vertikale Integration das Aufbrechen des Top-down Ansatzes der Steuerung zu einer durchgängigen, echtzeitfähigen Lösung, in der Planungs- und Steuerungsaufgaben auf das Produktionssystem oder das Produkt selbst übertragen werden können. Letztlich hat die vertikale Integration zum Ziel, Daten aus fertigungsnahen Ebenen für die übergeordneten Ebenen jederzeit verfügbar und damit nutzbar zu machen. Zur Umsetzung dieser Idee muss eine digitale Durchgängigkeit von Aktor- und Sensorsignal bis hin zur Unternehmensressourcenplanung gewährleistet werden.¹⁰⁴ Die Funktionen der einzelnen Ebenen der Automatisierungspyramide bleiben im Rahmen der vertikalen Integration grundsätzlich erhalten, werden aber anderen Aufgabenträgern zugeteilt und nahtlos miteinander verbunden, um auf dieser Grundlage Fabrik- und Logistikprozesse optimieren zu können.¹⁰⁵

Den zentralen Ansatz zur Auflösung der strikt-hierarchischen Automatisierungspyramide stellen cloudbasierte Konzepte dar. Durch das Cloud-Computing soll es zukünftig möglich werden, die Funktionalitäten der in der Automatisierungspyramide zur Anwendung kommenden IT-Systeme in Diensten zu kapseln und im Rahmen einer DoA zur Verfügung zu stellen.¹⁰⁶ In fernerer Zukunft soll dies zudem für echtzeitkritische Ebenen möglich sein. Das Forschungsprojekt ÅIndustrielle cloudbasierte Steuerungsplattfom für eine Produktion mit Cyber-Physischen Systemen“ (piCASSO) arbeitet derzeit an der Umsetzung cloudbasierter Steuerungslösungen mit deren Hilfe etwa die Werkzeugmaschinensteuerung in die Cloud verlagert und damit eine Entkopplung von Soft- und Hardware realisiert werden könnte.¹⁰⁷ Durch die Auslagerung der Funktionalitäten in einen Cloud-Service wäre es aufgrund der besseren Skalierbarkeit der Rechenleistung möglich, eine unternehmensübergreifende Vernetzung von Fabriken, Produktionsanlagen und einzelnen Maschinen auf Basis von CPPS zu realisieren.¹⁰⁸ Dabei ergeben sich durch die Externalisierung der Planungs- und Steuerungsfunktionen viele neuartige Anwendungsmöglichkeiten.

- Simulationen der realen Maschine oder ganzer Ferigungsanlagen als virtuelles System in der Cloud und Bereitstellung der Ergebnisse für alle Komponenten,
- darüber hinaus die Möglichkeit der virtuellen Optimierung von Maschinen, Komponenten und Fertigungsanlagen,
- Vereinfachung der Fehlerdiagnose und Aktualisierung (Fernwartung), beispielsweise
durch den Hersteller, da Daten in der Cloud-Umgebung permanent verfügbar und direkt zugänglich sind,
- leichtere Umsetzbarkeit innovativer Bedien- und App-Konzepte sowie die Ermöglichung umfassenderer kryptographischer Verfahren zur Softwaresicherung aufgrund einer besseren Skalierbarkeit der Rechenleistung und zentralisierter Datenverfügbarkeit in einer Cloud-Umgebung. ¹⁰⁹

Die vertikale Integration führt zu folgendem Produktionsszenario: In der Fabrik der Zukunft teilt das Smart-Product dem ERP-System auf Grundlage seines derzeitigen Verarbeitungszustandes mit, welches Material zu seiner Weiterverarbeitung vorgehalten werden muss und erstellt, falls nowendig, selbstständig eine Materialanforderung. Innerhalb der Fabrik werden die Prioritäten der Produktionsreihenfolge bzw. der Produktiobnsabläufe nicht starr durch die Produktionsfeinplanung auf der MES-Ebene determiniert, sondern dynamisch durch die Smart Products in einem Machine-to-Machine Prozess ausgehandelt. Die vormals zentral erstellten und starr fixierten Produktions- und Logistikpläne werden flexibel angepasst, Planungsprozesse dezentralisiert.¹¹⁰ Gleichzeitig teilen die Produkte den Fertigungsanlagen mit, wie sie zu bearbeiten sind, und melden nach ihrer Fertigstellung der Logitik, an welchen Kunden ihre Auslieferung erfolgen soll. Der aktuelle Status der Bearbeitung einzelner Produkte steht dabei jederzeit - vom Shop-Floor bis zur Managementebene, Kunden sowie Partnern der Wertschöpfungskette - zur Verfügung. Mit der Flexibilität in Planungs- und Steuerungsvorgängen bzw. deren Dezentralisierung steigt auch die Resilienz der Produktion auf unvorhersehbare Ereignisse. Es kann schneller auf diese reagiert werden, da Entscheidungswege verkürzt sind und die Informationsweitergabe schneller als bislang erfolgt.¹¹¹

2.3.3 Durchgängige Digitalisierung

Im Rahmen der Industrie 4.0-Diskussion wird unter dem Schlagwort der Ådigitalen Durchgängigkeit“ das Vorhandensein einer virtuellen Abbildung von Produkt und Produktionsanlage über den gesamten Lebenszyklus zusammengefasst. Die digitale Abbildung steht - insofern erwünscht - abteilungs- und unternehmensübergreifend zur Verfügung und wird in Echtzeit aktualisiert.¹¹² Die damit verbundene Möglichkeit der integrierten Nutzung und Analyse von Daten kann als eine der Kernfähigkeiten der vierten industriellen Revolution angesehen werden.¹¹³ Ein ununterbrochener Informationsfluss wird sichergestellt. Kommunikationsvorgänge, beispielsweise innerhalb von Simultaneous Engineering Teams, können stets anhand einer gemeinsamen Datengrundlage erfolgen, werden dadurch erheblich vereinfacht und gewinnen an Effizienz.

[...]

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¹ Merkel (2015), zuletzt geprüft am 19.03.2015.

² Vgl. VDMA (2014a), S. 3.

³ Vgl. Bauernhansl (2014), S. 8.

⁴ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 5.

⁵ Vgl. Abele et al. (2011), S. 3.

⁶ Vgl. VDMA (2014b), S. 8.

⁷ Vgl. Abele et al. (2011), S. 4.

⁸ Vgl. Industrie Magazin (2011), zuletzt geprüft am 25.03.2015.

⁹ Vgl. VDMA (2014b), S. 6.

¹⁰ Vgl. BMBF (2011), zuletzt geprüft am 15.03.2015.

¹¹ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 17.

¹² Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 89.

¹³ Vgl. Kuske (2013), S. 38.

¹⁴ Vgl. Hahn (2011), S. 3.

¹⁵ Vgl. Bauer et al., S. 9.

¹⁶ Vgl. Gürtler (2012), S. 28.

¹⁷ Vgl. Bauernhansl (2014), S. 5.

¹⁸ Vgl. Hahn (2011), S. 39.

¹⁹ Vgl. Bauernhansl (2014), S. 5.

²⁰ Vgl. Lorenz (1995), S. 2.

²¹ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 17.

²² Vgl. Taylor (1998).

²³ Vgl. Bauernhansl (2014), S. 5.

²⁴ Vgl. Bauernhansl (2014), S. 6.

²⁵ Vgl. EURO (2014), S. 46.

²⁶ Vgl. BMBF (2012a), S. 52.

²⁷ Vgl. Bauer et al., S. 9.

²⁸ Vgl. Reiss (2014), S. 439.

²⁹ Vgl. Piller (2007), S. 941.

³⁰ Vgl. Bauer et al., S. 9.

³¹ Vgl. Soder (2014), S. 86.

³² Vgl. Soder (2014), S. 86.

³³ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 18.

³⁴ Vgl. Schmitt; Große Böckmann (2014), S. 368.

³⁵ Vgl. VDI nachrichten (2011), S. 2.

³⁶ Vgl. BMBF (2012a), S. 4.

³⁷ Vgl. BMBF (2012a), S. 3.

³⁸ Vgl. Kagermann et al. (2013)

³⁹ Vgl. Plattform Industrie 4.0 (2015b), zuletzt geprüft am 25.03.2015.

⁴⁰ Vgl. Plattform Industrie 4.0 (2015a), zuletzt geprüft am 25.03.2015.

⁴¹ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 6.

⁴² Vgl. Helbig et al. (2012), S. 9.

⁴³ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 57; Wegener (2014), S. 347.

⁴⁴ Vgl. Helbig et al. (2012), S. 52.

⁴⁵ Vgl. PwC (2014), S. 18.

⁴⁶ Vgl. PwC (2014), S. 29.

⁴⁷ Vgl. Broy (2010), S. 17.

⁴⁸ Vgl. Ziegler; Müller (2010), S. 4. An dieser Stelle wird insbesondere der Unterschied zu Computern deutlich. Computer sind dazu ausgelegt, je nach verwendeter Software unterschiedliche Aufgaben zu erledigen, während Embedded Systems nur für spezielle Anwendungen und einen spezifischen Nutzungskontext optimiert sind.

⁴⁹ Vgl. Ziegler; Müller (2010), S. 18.

⁵⁰ Geisenberger; Broy (2012), S. 22.

⁵¹ Vgl. Geisenberger; Broy (2012), S. 22.

⁵² Vgl. BMBF (2012b), S. 6.

⁵³ Geisenberger; Broy (2012), S. 26.

⁵⁴ Vgl. SmartFactoryKl (2015), zuletzt geprüft am 25.01.2015.

⁵⁵ Vgl. Broy; Geisenberger (2011), S. 5.

⁵⁶ Vgl. Verl; Lechler (2014), S. 238.

⁵⁷ Vgl. Heinke; Overmeyer (2014), S. 9.

⁵⁸ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 84.

⁵⁹ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 24.

⁶⁰ Vgl. Ashton (2009), S. 59.

⁶¹ Smart Objects zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch die Einbettung von Informationstechnologie über Funktionen verfügen, welche über ihre ursprüngliche Bestimmung hinausgehen. So können etwa Smartphones, die ursprünglich als mobiles Telefon konzipiert wurden, auch als Navigationssystem verwendet werden. Durch die Integration von neuen Apps kann der Funktionsumfang flexibel erweitert werden.

⁶² Vgl. Dais (2014), S. 626.

⁶³ Vgl. Mattern; Flörkemeier (2010), S. 109.

⁶⁴ Vgl. Bauer et al., S. 21.

⁶⁵ Geisenberger; Broy (2012), S. 247.

⁶⁶ Cloud Computing fasst dabei die ganze Bandbreite von dienstbasierten IT-Ressourcen sowie die Methoden zu deren koordinierter Nutzung in einem Begriff zusammen. Im Einzelnen werden dabei üblicherweise folgende Schichten unterschieden: Nutzung von Rechenleistung und von Speicherplatz in der Cloud (Infrastructure as a Service), Nutzung von Anwendungsumgebungen in der Cloud (Platform as a Service), Nutzung von Softwareanwendungen in der Cloud (Software as a Service). Zusammenfassend werden die einzelnen Schichten auch als Everything-as-a-Service (XaaS) bezeichnet. Vgl. BMWi (2010b), S.16-17).

⁶⁷ Vgl. BMWi (2010b), S. 15.

⁶⁸ Vgl. BMWi (2010b), S. 15.

⁶⁹ Vgl. BMWi (2010a), S. 17.

⁷⁰ Vgl. BMWi (2010a), S. 17.

⁷¹ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 87.

⁷² Vgl. Bauer et al., S. 20.

⁷³ Vgl. Gorecky et al. (2014), S. 526.

⁷⁴ Vgl. Bauernhansl (2014), S. 24.

⁷⁵ Vgl. Naumann et al. (2014), S. 16-17.

⁷⁶ Vgl. Gorecky et al. (2014), S. 530.

⁷⁷ Vgl. Helbig et al. (2012), S. 9.

⁷⁸ Vgl. Mayer; Pantförder (2014), S. 483 ff.

⁷⁹ Vgl. Gorecky et al. (2014), S. 528.

⁸⁰ Das virtuelle Abbild steht dabei aufgrund der im Rahmen der Industrie 4.0 angestrebten, durchgängigen Digitalisierung permanent und im aktuellen Zustand zur Verfügung.

⁸¹ Vgl. Bauer et al., S. 20.

⁸² Vgl. Mayer; Pantförder (2014), S. 486-487.

⁸³ DIN EN ISO 9241-11: Das Ausmaß, in dem ein Produkt, System oder ein Dienst durch bestimmte Benutzer in einem bestimmten Anwendungskontext genutzt werden kann, um bestimmte Ziele effektiv, effizient und zufriedenstellend zu erreichen. Vgl. Gorecky et al. (2014), S. 537.

⁸⁴ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 20.

⁸⁵ Vgl. BMBF (2014), S. 34.

⁸⁶ Vgl. PwC (2014), S. 10.

⁸⁷ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 24.

⁸⁸ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 43.

⁸⁹ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 35.

⁹⁰ Vgl. BMBF (2012b), S. 18.

⁹¹ Vgl. PwC (2014), S. 33. Hierbei wurden 235 Unternehmen befragt. Anzugeben waren die zwei Hauptbeweggründe für eine vertiefte horizontale Integration.

⁹² Vgl. Kagermann et al. (2012), S.16.

⁹³ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 19.

⁹⁴ Vgl. PwC (2014), S. 34.

⁹⁵ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 24.

⁹⁶ Vgl. Verl; Lechler (2014), S. 236.

⁹⁷ Vgl. Fallenbeck; Eckert (2014), S. 405. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass nicht immer alle Ebenen des hier dargestellten Automatisierungs-Schemas vorhanden sein müssen. Des Weiteren sind in der Literatur auch abweichende Bezeichnungen für die einzelnen Automatisierungsebenen vorzufinden. Die Darstellung in Pyramidenform wird aufgrund der Anzahl der in jeder Ebene verwendeten Komponenten verwendet. Es gibt unternehmensweit zumeist nur ein ERP-System, mehrere Produktionsleitsysteme, viele Steuerungssysteme, welche an sehr viele Sensoren und Aktoren angeschlossen sind.

⁹⁸ Vgl. Louis, Phillip (2008), S. 8.

⁹⁹ Vgl. ZVEI (2010), S. 8; Fallenbeck; Eckert (2014), S. 405.

¹⁰⁰ Vgl. Fallenbeck; Eckert (2014), S. 405.

¹⁰¹ Vgl. Fallenbeck; Eckert (2014), S. 405.

¹⁰² Vgl. Gausemeier et al. (2014), S. 385.

¹⁰³ Vgl. Fallenbeck; Eckert (2014), S. 405.

¹⁰⁴ Vgl. Kagermann et al. (2013), S. 36.

¹⁰⁵ Vgl. Schlick et al. (2014), S. 82. Kleinemeier (2014), S.574.

¹⁰⁶ Vgl. Bauernhansl (2014), S.26.

¹⁰⁷ Vgl. BMBF (2014), S. 28.

¹⁰⁸ Vgl. BMBF (2014), S. 28. Der Grund hierfür ist die für die Realisierung einer umfassenden Vernetzung notwendige hohe Rechenleistung.

¹⁰⁹ Vgl. Verl; Lechler (2014), S.241-242.

¹¹⁰ Vgl. Kleinemaier (2014), S. 576.

¹¹¹ Vgl. Kleinemaier (2014), S. 576.

¹¹² Vgl. Wegener (2014), S. 350ff.

¹¹³ Vgl. PwC (2014), S. 11.