Smart Factory im Kontext der Industrie 4.0. Leitfaden zur Orientierung in der Digitalen Welt

Inhaltsverzeichnis

I Inhaltsverzeichnis

II Abbildungsverzeichnis

III Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Zielstellung und Methoden

3. Industrie 4.0
3.1 Historische Entwicklung
3.1.1 Erste industrielle Revolution
3.1.2 Zweite industrielle Revolution
3.1.3 Dritte industrielle Revolution
3.2 Industrie 4.0 - Die vierte industrielle Revolution
3.2.1 Integration von Informationstechnik, Maschinenbau und Elektronik
3.2.2 Kommunikation
3.2.3 Internet der Dinge
3.2.4 Forschung und Entwicklung
3.2.5 Politische Agenda

4. Smart Factory
4.1 Grundlagen
4.1.1 Intelligente Vernetzung
4.1.2 Individualisierte Produktion
4.1.3 Automation
4.2 Elemente
4.2.1 Cyper-physische Systeme
4.2.2 Nutzen intelligenter Produkte
4.2.3 Intelligente Maschinen
4.3 Möglichkeiten
4.4 Herausforderungen

5. Simulation
5.1 Vorüberlegungen
5.2 Realisierung
5.2.1 Der Transportroboter im Detail
5.2.2 Programmierung
5.3 Auswertung

6. Ausblick und Fazit

7. Wesentliche Arbeitsschritte

Literatur- und Quellenverzeichnis

Anhang

Begriffserklärungen

Quellcode

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: stufen der industriellen Revolutionen (DHBW, Mannheim)

Abbildung 2: Die ,Smart Factory‘ organisiert sich selbst. (Deutsche Bank)

Abbildung 3: Henry Ford Model T Fließbandproduktion (rackandopinion)

Abbildung 4: Definition Cyper-physisches System (CPS) (TRUMPF GmbH)

Abbildung 5: Definition CPTS (links) und CPPS (rechts) (TRUMPF GmbH)

Abbildung 6: Definition CPPS-Fabrik (TRUMPF GmbH)

Abbildung 7: Anwendung der Komposition der Smart Factory auf eine TRUMPF­Maschine (TRUMPF GmbH)

Abbildung 8: Arbeitssicherheit mit LBR iiwa (Konradin Mediengruppe 2017)

Abbildung 9: Augmented Reality Brille im Einsatz (Gawker Media)

Abbildung 10: historische Fischertechnik Baukästen (Fischertechnik GmbH)

Abbildung 11: Tischplatte mit Code

Abbildung 12: fertiger Tisch

Abbildung 13: Führungslinie (Screenshot)

Abbildung 14: Transportroboter vorn

Abbildung 15: Transportroboter unten

Abbildung 16: Transportroboter seitlich

Abbildung 17: Bedienterminal Smart Factory (Screenshot)

Abbildung 18: Bevölkerungsexplosion (Lehmann 2015)

Abbildung 19: BionicANTs (FESTO AG und Co. KG)

Abbildung 20: Durchlaufzeit (microtech)

Abbildung 21 : Robo TX Explorer Set (Conrad Electronic)

Abbildung 22: TXT Controller (Conrad Electronic)

Abbildung 23: TXT Discovery Set (Conrad Electronic)

Abbildung 24: USB-Kamera (D-Edition)

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Die Welt ist im stetigen Wandel. Möchte man sich als Unternehmen am Markt behaupten, so sind neben Durchhaltevermögen und Innovationskraft effiziente und effektive Wertschöpfungsketten existentiell. Während der Kunde oft nur das Produkt wahrnimmt, liegen die Herausforderungen von Unternehmen im Aufbau und der Aufrechterhaltung dieser Abläufe.

In diesem Kontext hört man in Fachkreisen immer öfter die Begriffe ?Industrie 4.0“, ?vierte industrielle Revolution“ und ?Smart Factories“. Sie sollen den Kundennutzen durch automatisierte Fertigung und Digitalisierung in den Dimensionen Zeit, Kosten und Qualität signifikant erhöhen.

Doch neben der Vorstellung, dass die unmittelbar bevorstehende vierte industrielle Revolution tiefgreifende Veränderungen, sowohl im wirtschaftlichen als auch sozialen Umfeld mit sich bringen wird, ist zum jetzigen Zeitpunkt weder der Begriff konkret noch verständlich formuliert. Selbst Experten wagen nicht zu prognostizieren, in wie vielen Jahren die sich derzeit auftuenden Visionen und Erwartungen wirtschaftlich erfüllt werden können.

Aus diesen Gründen ist es unabdingbar, sich bereits heute mit dieser Thematik zu beschäftigen. In Zeiten der globalen Vernetzung, damit auch Konkurrenz, ist sie relevanter denn je.

2. Zielstellung und Methoden

Ziel dieser Besonderen Lernleistung ist es, die Begrifflichkeiten um Smart Factories im Kontext von Industrie 4.0 zu manifestieren. Dazu werden die wesentlichen Elemente und Merkmale herausgearbeitet, welche durch Anwendungsbeispiele veranschaulicht werden.

Der historische Hintergrund der Industrie 4.0 soll reflektiert werden und deren Grundlagen betrachtet. Diese werden aus verschiedenen Perspektiven betrachtet um auch konträre Ansichten darzustellen. Es wird fortwährend der Praxisbezug zu den gewonnenen Einsichten hergestellt und diese damit verständlich aufbereitet.

Schließlich werden die Grundlagen der Smart Factory geschildert und deren Elemente, sowie die Möglichkeiten und Herausforderungen, welche sich bei der Realisierung ergeben, aufgezeigt.

Zusammen mit der TRUMPF Sachsen GmbH wurde sich das Ziel gesetzt, mit dieser hochaktuellen und interessanten Thematik wissenschaftlich auseinanderzusetzen und sie leicht verständlich aufzubereiten.

Diese unterstützt den Autor in Fragen der Prozessoptimierung sowie der Thematik der Industrie 4.0 im Allgemeinen. Zu diesem Zweck werden Interviews mit Experten ihres Fachgebiets geführt, deren Inhalt indirekt in die Arbeit einfließt. Außerdem wird sich bei der Definition einer Smart Factory an eine von TRUMPF formulierte Erklärung gehalten.

Doch, wie bereits Konfuzius (553-473 V. Chr.) sagte: ?Erzähle es mir und ich vergesse. Zeige es mir und ich erinnere mich. Lass es mich tun und ich verstehe.“, ist Geschriebenes in den Köpfen der Menschen von kurzer Dauer.

Aus diesem Grund wurde sich dafür entschieden eine Simulation in Form eines Modells einer intelligenten, ?smarten Fabrik“ zu verwirklichen. Bei dieser soll sich der Lernende in die Person des Werkarbeiters hineinversetzt. Auf diese Weise erlebt er die Kommunikation mit einer Maschine optimal und kann mit Hilfe dieser Dokumentation die Elemente derselben verstehen.

An dieser stelle wird zuerst abgewogen, welche Elemente der Smart Factory in welchem Umfang modellhaft realisiert werden können. Anschließend wird das Projekt umgesetzt und ausgewertet.

Während der Recherche wurde festgestellt, dass es bereits ähnliche Modelle gibt: So hat Fischertechnik - das verwendete Modellbaukastensystem - unter anderem Komponenten zum Bau eines Smart Factory Modells im Produktprogramm.¹ Ziel der Arbeit ist es dieses Modell von Grund auf neu zu erdenken und sich auf die Kerneigenschaften zu fokussieren.

Abschließend wird ein Ausblick in die Zukunft getätigt und ein Fazit über die Arbeit gezogen.

Begriffe und Formulierungen, die durch eine extra Definition erläutert werden (Vgl. 9.1 Begriffserklärungen), sind kursiv geschrieben. Der Ausdruck (Vgl. Kapitel) stellt den Bezug zu dem genannten Kapitel her. In diesem finden Sie weitere Ausführungen zu angesprochenem Thema.

3. Industrie 4.0

Die Bezeichnung Industrie 4.0 wurde unter anderem durch Prof. Dr. Henning Kagermann² bewusst gewählt, um einerseits auf den nächsten großen Schritt der Industrialisierung hinzuweisen (Vgl. 3.1 Historische Entwicklung). Damit wird impliziert, dass die bevorstehenden Veränderungen eine ebenso große Bedeutung haben. Andererseits wird durch die Verwendung des modernen Ausdrucks 4.0?“ Bezug auf die Versionsbezeichnungen von Software genommen. Somit wird die existentielle Vernetzung sowie fortlaufende Digitalisierung, überhaupt erst durch die entsprechende Software möglich, verdeutlicht.³

3.1 Historische Entwicklung

Wie bereits erwähnt, soll der Name Industrie 4.0 an die vorangegangenen industriellen Revolutionen anknüpfen (Vgl. Abb. 1), die jede massive Auswirkungen auf die industrielle Produktion hatten. Diese Entwicklung begann bereits vor circa 250 Jahren, wobei im Folgenden hauptsächlich die wirtschaftlichen Aspekte berücksichtigt werden.

3.1.1 Erste industrielle Revolution

Der Beginn der 1. Industrielle Revolution wird um 1750 festgesetzt, vorangetrieben durch die Entwicklung und Nutzbarmachung der Dampfmaschine für die Industrie. Durch die Entstehung großer Fabriken erhöhte sich das Produktionsvolumen um ein Vielfaches.

Der rasante Ausbau des Eisenbahnnetzes sowie der Dampfschifffahrt ermöglichte den Waren- und Rohstofftransport in bisher ungeahnter Geschwindigkeit und Menge. Durch den Einsatz von Erntemaschinen erhöhten sich die Ernteerträge. Das wiederum führte zu einer Bevölkerungsexplosion in den Industrieländern.

3.1.2 Zweite industrielle Revolution

?Die 2. Industrielle Revolution (erfolgte um 1870, Anm. d. Verf.) war geprägt durch arbeitsteilige Massenproduktion mit Hilfe elektrischer Energie. [...] Gleichzeitig wurden (...) elektrische Antriebe und Verbrennungsmotoren entwickelt.“ (Bauernhansl, ten Hompel und Vogel-Heuser (Hrsg.) 2014, s. 6)

Elektromotoren ermöglichten es, Maschinen unkompliziert und dezentral zu betreiben. Die Bedeutung des Erdöls als Grundlage vieler industrieller Produkte, vor allem der Treibstoffe für Automobile, wuchs stetig.

Die Erfindung des Fließbandes begünstigte die großindustrielle Massenproduktion. Unvergessen ist die Einführung der Fließbandarbeit in den Ford-Werken 1913. Diese ermöglichten es Henry Ford, das legendäre Automobil Modell T zu erschwinglichen Preisen millionenfach in Amerika und weiteren Kontinenten zu verkaufen.⁴

3.1.3 Dritte industrielle Revolution

Die 3. Industrielle Revolution, Anfang 1960, wurde durch den Einzug der Elektronik und ab 1970 durch die IT vorangetrieben. Ein Großteil der Produktionsprozesse wurde automatisiert und rationalisiert.

Durch zunehmend individuellere Kundenwünsche entwickelte sich der Markt von einem Verkäufermarktzu einem Käufermarkt. Aus der vormaligen Massenproduktion entwickelte sich somit eine individuelle Serienproduktion.

Die klassischen Industriegesellschaften wichen Dienstleistungsgesellschaften; während im Jahr 1970 beide Sektoren 48 % zur deutschen Bruttowertschöpfung beisteuerten, wurden vom produzierenden Gewerbe 2007 nur noch etwa 30 % erwirtschaftet und vom Dienstleistungssektor knapp 69 %.⁵

3.2 Industrie 4.0 - Die vierte industrielle Revolution

Der Begriff Industrie 4.0 wurde zur Hannover-Messe 2011 erstmals öffentlich genannt, um damit die tiefgreifenden Veränderungen, ähnlich der vorangegangen industriellen Revolutionen, auszudrücken.⁶

Neu ist in dieser Hinsicht, dass Jenen erst im Nachhinein die Bedeutung einer Revolution zu Teil wurde, während Industrie 4.0 bis jetzt eher Vision und Fiktion ist. Diese Tatsache gibt Anlass für weitreichende Diskussion des Themas und dessen Bedeutung, welche ihm nicht zuletzt durch die Medien, beigemessen wird.

Fakt ist jedoch, dass durch die fortschreitende Digitalisierung ein grundlegender Wandel in Industrie und Arbeitswelt unmittelbar bevorsteht bzw. bereits beginnt. Aus diesem Grund erklärte die Bundesregierung Industrie 4.0 ?zu einem Kernelement der deutschen Hightech­Strategie um den Produktionsstandort Deutschland zu sichern.“ (induux international gmbh 2017)

Das Konzept der Industrie 4.0, hat durch so genannte Smart Factories das Potential die Wirtschaftlichkeit des Produktionsprozesses ebenso wie dessen Flexibilität zu steigern. Auf diese Weise wird die Wettbewerbsfähigkeit im Gesamten enorm verbessert und expandiert bereits jetzt erfolgreich nach Amerika und Asien. Dies hebt die internationale Relevanz des Themas in einer globalisierten Welt mit erstarkender Konkurrenz hervor.

Eine Definition für Industrie 4.0 zu finden ist anspruchsvoll. Folgende ist aus dem Springer Gabler Wirtschaftslexikon: ?Industrie 4.0 ist ein Marketin g beg riff, der auch in der Wissenschaftskommunikation verwendet wird, und steht für ein Zukunftsprojekt der deutschen Bundesregierung.

Die sog. vierte industrielle Revolution zeichnet sich durch Individualisierung bzw. Hybridisierung der Produkte und die Integration von Kunden und Geschäftspartnern in die Geschäftsprozesse aus.“ (Gabler Wirtschaftslexikon)

Offensichtlich ist, dass der Begriff weder klar Umrissen, noch leicht verständlich formuliert ist. Selbst Experten wagen nicht zu prognostizieren in wie vielen Jahren die sich derzeit auftuenden Visionen und Erwartungen wirtschaftlich erfüllt werden können. Die folgenden Kapitel werden einen Überblick zur Industrie 4.0 vermitteln.

3.2.1 Integration von Informationstechnik, Maschinenbau und Elektronik

Der Maschinen- und Anlagenbau, sowie die Elektronik-Branche, gehören zu den stärksten Industriezweigen in Deutschland. Auf Basis so genannter CPS (Vgl. 4.2.1Cyper-physische Systeme) wird künftig an stelle einer zentralen Steuerung das Werkstück selbst seinen Produktionsprozess dezentral steuern.

Bisher wurden Industrieroboter einmalig für einen Prozess programmiert und verfolgten ihre Handlungsanweisungen stupide. Somit war ein schnelles Reagieren auf veränderte Umwelteinflüsse, zum Beispiel Materialstau, oder eine flexible Anpassung auf ein neues Produkt schwer möglich und konnte nur über eine von Grund auf neue Programmierung ermöglicht werden.

Die neuen Generationen von Maschinen und Werkstücken werden über vielfältigste Sensorik Umwelteinflüsse wahrnehmen und durch Kommunikation untereinander auf neue Situationen reagieren können. Diese Sensoren messen kontinuierlich Daten über Zustand, Standort, Prozessfortschritt und Nutzungsverhalten der Maschinen. Miteinander verknüpft und analysiert führen sie zu einer deutlich effizienteren Betriebsführung.⁷

Außerdem wird durch entsprechende Sensor//( die Mensch-Roboter-Kollaboration vereinfacht und Gefahren minimiert, wodurch eine räumliche Trennung nicht mehr benötigt wird. Dadurch ist bedeutend effizienteres Arbeiten möglich.

Die KUKA AG, ?einer der weltweit führenden Anbieter von intelligenten Automatisierungslösungen“ (KUKA AG 2017, 1), stellte mit dem LBR iiwa (?LBR“ - Leichtbauroboter; ?iiwa“ - intelligent industrial work assistant) 2014 den ersten in Serie gefertigten, industrietauglichen, sensitiven Roboter weltweit vor, der richtungsweisend für den Industrie 4.0-Einsatz ist.⁸

Dadurch, dass über genannte Sensorik eine Kontrolle der Maschinen über den gesamten Lebenszyklus möglich ist, können Unternehmen wesentlich effizientere Wartungs- und Servicemaßnahmen durchführen. Auf diese Weise bieten sie dem Kunden entsprechenden Mehrwert, was zu einem weiteren Wettbewerbsvorteil führt.

Verständlicherweise kommt der IT eine beachtliche Bedeutung in der Industrie 4.0 zu. Viele Softwarelösungen müssen von Grund auf neu erarbeitet werden, um bestmögliche Vernetzung, proaktive Anpassung der Prozesse durch in Echtzeit ausgewertete Daten und eine hohe Autonomie der Systeme zu ermöglichen.

3.2.2 Kommunikation

Die drahtlose Kommunikation zwischen Mensch, Maschine und Produkt ist entscheidend für ein in Echtzeit autonom oder teilautonom agierendes System. Um den in Smart Factories Verwendung findenden selbstorganisierten Produktionsprozess zu gewährleisten, muss jedes Objekt Zugang zum Internet haben (Vgl. 3.2.3lnternet der Dinge), was günstige und möglichst platzsparende Kommunikationsmodule voraussetzt.

Mit Hilfe dieser so genannten CPS wird ermöglicht, dass das Produkt selbstständig mit Robotern oder auch indirekt mit möglichen Zulieferern kommuniziert. Es übermittelt, wie und wo es hergestellt werden muss, fordert die entsprechenden Bauteile an und kann den eigenen Bearbeitungsstand dem System zum jederzeitigen Abruf durch den Mitarbeiter mitteilen.

Auf der anderen Seite melden Industrieroboter ihrerseits Informationen bezüglich ihres Zustandes und ermöglichen eine effektivere und zielgerichtetere Wartung. Insgesamt kann so der gesamte Produktionsprozess vom Zulieferer bis zum Endkunden optimiert und individualisiert werden.

Es wird deutlich, dass die Kommunikation und das Abrufen von Daten zwingend in Echtzeit erfolgen müssen, da bereits kleine Verzögerungen das Ausbleiben von Bearbeitungsaufträgen zur Folge haben. Heutige Fließbandroboter arbeiten ununterbrochen nach einem festen Muster, hingegen Zukünftige bei fehlenden Aufträgen Stillstehen.

Hierin liegt eine der Herausforderungen der IT, trotz der Komplexität solcher Systeme und der Vielzahl der miteinander vernetzten Objekte, die entsprechende Transparenz, Entscheidungshoheit und Netzwerk-Sicherheit zu ermöglichen.

Es gibt derzeit wenige Projekte, bei denen sich Maschinen vollständig dezentral und weitestgehend autonom selbst organisieren, mit dem Ziel einen vorgegebenen Auftrag abzuschließen. Genau solche werden allerdings benötigt, um die Abläufe in smarten Fabriken zu simulieren, verstehen und damit verwirklichen zu können.

Pionierarbeit leistet auf diesem Gebiet die in Esslingen am Neckar ansässige FESTO AG und Co. KG. Im Zuge des Bionik Learning Network, mit dem Ziel der Übertragung natürlicher Phänomene auf Automatisierungstechnik, wurden die so genannten BionicANTs entwickelt. Diese hochintegrierten Einzelsysteme sind der Anatomie und dem kooperativen Verhalten von Ameisen nachempfunden. Sie kommunizieren miteinander und stimmen Handlungen zur Lösung einer komplexen Aufgabe untereinander ab.⁹

Diese nach dem Vorbild der Natur als Schwarmintelligenz bezeichenbare Zusammenarbeit von Einzelsystemen auf ein gemeinsames Ziel hin ermöglicht, angewandt auf die smarte Fabrik, eine schnellere und produktivere Problemlösung.

3.2.3 Internet der Dinge

Das Internet der Dinge bezeichnet nach dem Gabler Wirtschaftslexikon ?die Vernetzung von Gegenständen mit dem Internet, damit diese Gegenstände selbstständig über das Internet kommunizieren und so verschiedene Aufgaben für den Besitzer erledigen können. Der Anwendungsbereich erstreckt sich dabei von einer alig. Informationsversorgung über automatische Bestellungen bis hin zu Warn- und Notfallfunktionen“ (Gabler Wirtschaftslexikon).

Es handelt sich demnach um ehemals passive Objekte. Dazu zählen Produkte, Maschinen und andere Gegenstände, die ausgestattet mit intelligenten Sensoren über das Internet bzw. cloudbasiert miteinander vernetzt sind. Somit liefern sie dem Gesamtsystem wertvolle Informationen über sich und ihre Umwelt. Dabei kommunizieren sie untereinander und können ihr Verhalten aufeinander abstimmen.

Veranschaulichen lässt sich dieser Sachverhalt d.h. das entstehende Netzwerk anhand eines Beispiels aus der Natur: dem Spinnennetz. Es besitzt eine einmalige und immer neue Struktur, deren Basis die Vernetzung jedes einzelnen Punktes miteinander ist.

Dadurch wird es der Spinne möglich, jede Bewegung egal auf welchem Punkt des Netzes unmittelbar vermittelt zu bekommen. Die Information wird über das Netzwerk an sie weitergeleitet, da sie über den so genannten Signalfaden ebenfalls mit dem Netz verbunden ist.

Zukünftig ergeben sich unzählige interessante Anwendungen. Eine Möglichkeit besteht im sogenannten direkten Produzieren. Hierbei konfiguriert der Kunde zum Beispiel auf der Unternehmenswebsite sein individuelles Produkt. Dieses wird unmittelbar nach Bestellabschluss von einem mit dem Internet verbundenem 3D-Drucker ausgedruckt. Anschließend kann es sogleich versandt werden. Dadurch ist es möglich die Durchlaufzeit des Produkts maximal zu minimieren und die Vorbereitungsphase quasi zu eliminieren.

Außerdem könnte das individuelle Produkt innerhalb desselben Tages geliefert werden, wenn der Drucker in derselben Stadt oder gar im selben Stadtteil steht und durch neue Technologien der Druckvorgang entsprechend beschleunigt wird. Darum werden sich zukünftige Copyshops sehr wahrscheinlich auf 3D-Druck spezialisieren.

3.2.4 Forschung und Entwicklung

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¹ Smart Factory Produktvideo: https://www.youtube.com/watch?v=BApxuYlsT_w

² Präsident der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech)

³ (Bauernhansl, ten Hompel und Vogel-Heuser (Hrsg.) 2014, s. 5-8)

⁴ (Nickel 2013)

⁵ (StBA, Wiesbaden 2009, s. 8)

⁶ (induux international gmbh 2017)

⁷ (GTAI 2016)

⁸ (KUKA AG 2017, 2)

⁹ (FESTO AG und Co. KG 2017)