Herausforderungen und Potenziale der Industrie 4.0 für die Produktion und die innerbetriebliche Logistik

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Formelverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zentrale Fragestellung und Ziel der Arbeit
1.3 Methodische Vorgehensweise
1.4 Aufbau der Arbeit

2. Theoretische Grundlagen
2.1 Industrie
2.1.1 Historischer Hintergrund
2.1.2 Begriffsabgrenzung und Definition Industrie
2.1.3 Schwerpunkttechnologien
2.1.4 Analyse des aktuellen Forschungsstandes
2.2 Produktion
2.2.1 Begriffsabgrenzung und Definition
2.2.2 Produktionsfaktoren
2.2.3 Produktions- und Kostentheorie
2.2.4 Produktionsplanung und -steuerung
2.3 Innerbetriebliche Logistik
2.3.1 Begriffsabgrenzung und Definition
2.3.2 Handlungsfelder
2.4 Kapitelzusammenfassung

3. Methodische Vorgehensweise
3.1 Recherche der Untersuchungsfelder
3.2 Bestimmung des Ausgangsmaterials
3.3 Kategorienbildung
3.4 Durchführung der Dokumentenanalyse

4. Darstellung und Interpretation der Ergebnisse
4.1 Ergebnisse zu den Herausforderungen von Industrie
4.1.1 Allgemeine Herausforderungen
4.1.2 Herausforderungen aus Sicht der Produktion
4.1.3 Herausforderungen aus Sicht der innerbetrieblichen Logistik
4.2 Ergebnisse zu den Potenzialen von Industrie
4.2.1 Allgemeine Potenziale
4.2.2 Potenziale aus Sicht der Produktion
4.2.3 Potenziale aus Sicht der innerbetrieblichen Logistik
4..4 Kapitelzusammenfassung

5. Schlussbetrachtung
5.1 Zusammenfassung
5.2 Fazit

Anhang

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Die vier Stufen der industriellen Revolution im Zeitverlauf

Abbildung 2: Komponenten der Industrie

Abbildung 3: Vernetzung von Menschen, Objekten und Systemen

Abbildung 4: Vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme

Abbildung 5: Horizontales Wertschöpfungsnetzwerk

Abbildung 6: Durchgängiges System Engineering über die gesamte Wertschöpfungskette

Abbildung 7: Fahrerloses Transportsystem

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Abschätzung der Nutzenpotenziale

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Formelverzeichnis

Formel 1: Allgemeine Produktionsfunktion 16

Formel 2: Die Gesamtkostenfunktion oder monetäre Kostenfunktion 16

1. Einleitung

„Es ist nichts beständig als die Unbeständigkeit.“ Immanuel Kant (1724-1804)

Dieses über 200 Jahre alte Zitat des bekannten deutschen Philosophen galt damals als Ausspruch in der Epoche der Aufklärung und kann auch auf die heutige dynamische Produktions- und Logistikwelt übertragen werden.

Deutschland als international agierende Industrienation sieht sich zukünftig mit Her- ausforderungen konfrontiert, die eine Veränderung der Industrie nach sich ziehen. Neben dem globalen Wettbewerb und dem sich vollziehenden demographischen Wandel sind die Verknappung der natürlichen Ressourcen und Rohstoffe gegenwär- tige Entwicklungen, die einer Anpassung bedürfen.¹ Die Bewältigung der zukünftigen Herausforderungen sollen mit der vierten industriellen Revolution realisiert werden. Der Leitgedanke „Industrie 4.0“ (I4.0) elektrifiziert seit geraumer Zeit die deutsche Industrie und ist nicht nur auf der weltgrößten Industriemesse, sondern auch in zahl- reichen Magazinen und Fachzeitschriften das dominierende Thema.

Abseits der Öffentlichkeit zeigt sich die Unschärfe im Umgang mit der Neugestaltung der Industrie. Erkennbar ist, dass durch leistungsfähigere Computertechnik die An- wendungsmöglichkeiten vielfältiger werden und gängige Konzepte infrage stellen. Aber wie detailliert die neuen Konzepte aussehen und was mit vernetzter, intelligen- ter Fertigungs- und Logistiktechnik anzufangen ist, ist alles andere als klar ersicht- lich.

1.1 Problemstellung

Um das Bundesprojekt I4.0 zu realisieren, bedarf es großer Investitionstätigkeiten seitens der Bundesregierung als auch von den Unternehmen selbst um mit dem glo- balen Wettbewerb Schritt zu halten. Doch im Gegensatz dazu, können bis heute keine, auf Fakten basierende, Aussagen in Bezug auf die Wirtschaftlichkeitsrech- nung getroffen werden. Aufgrund des demografischen Wandels sowie fehlender Qualifikationen und IT-Kompetenzen der Mitarbeiter liegt seit geraumer Zeit eine an- wachsende Fachkräfteproblematik vor. Da die Mitarbeiter von Morgen der Schlüssel zur Umsetzung von I4.0 sind, besteht hier dringender Handlungsbedarf. Ebenso stellen die derzeit noch fehlenden Standards, Konzepte und Geschäftsmodelle eine große Hürde zur erfolgreichen Umsetzung von I4.0 dar. Aus der rechtlichen Perspek- tive sind die Aspekte im Bereich des Datenschutzes, des Dateneigentums und der Datensicherheit aktuell nur bedingt klar geregelt. Im Bereich der IT-Sicherheit liegt ebenfalls noch eine unklare Situation vor, wie diese in der Welt der I4.0 gesichert werden soll.

1.2 Zentrale Fragestellung und Ziel der Arbeit

Diese Arbeit widmet sich der zentralen Forschungsfrage:

- Welche Herausforderungen und Potenziale ergeben sich aus I4.0 für die Produktion und innerbetriebliche Logistik?

Aus der zentralen Fragestellung lassen sich im Nachgang folgende zu untersuchende Teilfragen ableiten:

- Was ist I4.0?

- Wie sehen die Herausforderungen aus I4.0 für die Produktion aus und welche Potenziale ergeben sich aus Sicht der Produktion?

In Hinsicht auf die innerbetriebliche Logistik ergibt sich die Fragestellung:

- Was sind die Herausforderungen aus I4.0 für die innerbetriebliche Logistik und welche Potenziale lassen sich für die innerbetriebliche Logistik identifi- zieren?

Die Arbeit untersucht und beschreibt die Herausforderungen der Bundesinitiative I4.0 im Allgemeinen und im Rahmen der Unternehmensbereiche Produktion und in- nerbetrieblicher Logistik. Des Weiteren wird den Potenzialen von I4.0 im Allgemei- nen sowie in der Produktion und innerbetrieblichen Logistik Aufmerksamkeit ge- schenkt. Der Autor grenzt den Bezug der Arbeit, aufgrund des vorgegebenen Rah- mens, auf die Einführung in die theoretischen Grundlagen der Initiative I4.0, der Pro- duktion und auf grundlegende Aspekte der innerbetrieblichen Logistik ein. Anschlie- ßend werden die Herausforderungen und die Erfolgspotenziale die aus der Umset- zung von I4.0 entstehen im Allgemeinen und im Kontext der Produktion und der in- nerbetrieblichen Logistik dargestellt.

Ziel der Arbeit ist es, eine strukturierte, nachvollziehbare und allgemein verständliche Einführung in die Thematik zu geben. Diese Arbeit richtet sich an all jene, die mit der Materie noch nicht vertraut sind und aufgrund des eigenen Interesses mehr zu dem Thema erfahren möchten.

1.3 Methodische Vorgehensweise

Um die Forschungsfrage zu beantworten und das Ziel dieser Arbeit zu realisieren, bedient sich der Autor der Methoden der qualitativen Dokumentenanalyse und der hermeneutischen sowie deduktiven Anwendung auf die Unternehmensbereiche der Produktion und innerbetrieblichen Logistik. Dabei wird auf wissenschaftliche und fachkundige Literaturquellen wie Fachbücher, Magazine und Journals aber auch auf zahlreiche Studien aus elektronischen Quellen und Medien zurückgegriffen. Die Vorgehensweise dient dazu eine literaturgestützte Reflexion und Schlussfolgerungen vornehmen zu können. Die Objektivität der Aussagen wird durch die Angabe aussagekräftiger und überprüfbarer Quellen gewährleistet.

1.4 Aufbau der Arbeit

In Kapitel zwei wird auf die theoretischen Grundlagen der Bundesinitiative I4.0, der Produktion und der innerbetrieblichen Logistik eingegangen und die ersten, für die Beantwortung der Forschungsfragen relevanten, Begriffe erläutert.

In Kapitel drei findet eine detaillierte Darstellung der methodischen Vorgehensweise statt. Zunächst werden die zu analysierenden Untersuchungsbereiche beschrieben. Nachfolgend werden die zu bildenden Kategorien, auf die das Ausgangsmaterial hin untersucht wird, erläutert. Abschließend findet eine kurze Darstellung in Bezug auf die Durchführung der Dokumentenanalyse statt.

Das Kapitel vier fokussiert sich auf die Darstellung der Ergebnisse aus der qualitativen Dokumentenanalyse. Allgemeine Herausforderungen sowie spezifische Herausforderungen der Produktion und der innerbetrieblichen Logistik zur Umsetzung des Bundesprojektes I4.0 werden aufgezeigt. Des Weiteren werden die Potenziale die sich aus der Umsetzung ergeben im Allgemeinen, in der Produktion und innerbetriebliche Logistik erläutert und dargestellt.

In Kapitel 5 wird abschließend die Arbeit reflektiert und die wichtigsten Eckpunkte zusammengefasst sowie das Fazit des Autors präsentiert.

2. Theoretische Grundlagen

Das Kapitel 2 beschäftigt sich zunächst mit den Definitionen der Begriffe I4.0, Produktion und innerbetriebliche Logistik. Zusätzlich wird unter Zuhilfenahme von Abbildungen auf den historischen Hintergrund, die Schwerpunkttechnologien und den aktuellen Forschungsstand der Initiative I4.0 eingegangen. In den Unternehmensbereichen der Produktion und der innerbetrieblichen Logistik werden die einzelnen charakteristischen Handlungsfelder erläutert.

2.1 Industrie 4.0

Die Initiative I4.0 wurde erstmalig als Zukunftsprojekt der Bundesregierung auf der Industriemesse 2011 in Hannover² vorgestellt und hat sich in den letzten Jahren zu einem omnipräsenten Terminus in zahlreichen Fachpublikationen entwickelt. Die Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft - Wissenschaft initiierte den Arbeitskreis 4.0, der im April 2013 einen Abschlussbericht mit Umset- zungsempfehlungen zu dem Zukunftsprojekt I4.0 der Bundeskanzlerin Angela Mer- kel vorlegte. Parallel dazu gründeten die Industrieverbände Verband Deutscher Ma- schinen- und Anlagenbau (VDMA), Bundesverband Informationswirtschaft, Tele- kommunikation und neue Medien (Bitkom) und Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVE)I die Plattform Industrie 4.0 um die Aufforderung zur Fort- führung und Weiterentwicklung des Projektes aufzugreifen.³ Anfang 2015 übernah- men die Bundesministerin für Bildung und Forschung, Johanna Wanka, und der Bun- desminister für Wirtschaft und Energie, Sigmar Gabriel, die Leitung der bisher von den Industrieverbänden geführten Plattform Industrie 4.0.⁴

2.1.1 Historischer Hintergrund

Da es sich bei I4.0 um einen fortschreitenden Entstehungsprozess handelt, der seit über zwei Jahrhunderten anhält, wird im Folgenden der historische Hintergrund der vierten industriellen Revolution analysiert und dargestellt.

1. industrielle Revolution

Die Erfindung der Dampfmaschine Mitte des 18. Jahrhunderts, wie in Abbildung 1 illustriert, war der Auslöser für die erste industrielle Revolution. Aufgrund dieser Erfindung von Thomas Newcomen und der späteren Weiterentwicklung durch James Watts konnten mechanische Produktionsanlagen - wie die Spinnmaschine und der mechanische Webstuhl - mit Wasser- und Dampfkraft betrieben werden.⁵ Es kam zu einer starken Beschäftigungsabnahme im bis dato klassischen Handwerk und der Agrarwirtschaft. Im Gegenzug dazu entstanden zwei neue Volksschichten: die Fabrikbesitzer und die Fabrikarbeiter. Angesichts dieser Entwicklung war es möglich, die Bevölkerung besser mit Nahrung und Kleidung zu versorgen, da sich Transportsysteme (Eisenbahn, Dampfschifffahrt) und die Produktivität in der Herstellung von Grundversorgungsgütern, Textilien und Eisen sowie dem Abbau von Kohle verbessert haben.⁶

Abbildung 1: Die vier Stufen der industriellen Revolution im Zeitverlauf

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Roth, A., Einführung und Umsetzung von Industrie 4.0, 2016, S.19

2. industrielle Revolution

Die zweite Phase der industriellen Revolution wurde gegen Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts durch die arbeitsteilige Massenproduktion, den Einsatz von elektrischer Energie und der Erfindung von Fließ- und Förderbändern geprägt.⁷ Die wissenschaftliche Betriebsführung von Frederic Taylor und das Ford T-Modell des amerikanischen Automobilherstellers Henry Ford stehen repräsentativ für die 2. industrielle Revolution. Der Einsatz des ersten motorisierten Fließbandes im Jahr 1913 war der Startschuss zur industriellen Massenproduktion (siehe Abbildung 2).⁸ Die Folgen daraus waren, aufgrund der von Ford eingeführten Arbeitsteilung, effizientere und kostengünstigere Produktionsprozesse. Henry Ford verbesserte auch die Arbeitsbedingungen, um die Produktivität und Qualität seiner Produkte zu steigern, indem er seinen Mitarbeitern einen Lohn von 5 Dollar pro Tag anstatt der bisherigen 2,34 Dollar zahlte und die Arbeitszeit von 6 auf 5 Tage pro Woche verkürzte.⁹ Parallel dazu wurden elektrische Antriebe zur dezentralen Steuerung von Arbeitsmaschinen entwickelt und Erdöl bekam eine immer größere Bedeutung für die chemische Industrie.¹⁰

3. industrielle Revolution

Anfang der 70er Jahre des 20. Jahrhunderts kam das Informationszeitalter auf und mit der Entwicklung des Computers wurde die dritten industrielle Revolution, auch digitale Revolution genannt, eingeläutet.¹¹ Die Einführung der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) im Jahr 1969 sowie der ansteigende Einsatz der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), waren ausschlaggebend für die die dritte Phase der industriellen Revolution.¹² Produktions- und Logistikprozesse wurden zunehmend dezentral gesteuert, automatisiert und effizienter gestaltet. Rationalisierung und eine vielfältige Serienfertigung waren die Folge. Maschinen und Roboter übernahmen immer mehr Arbeitsschritte, während der Mensch in diesen Bereichen immer mehr als Kontrollfunktion agierte.¹³

Die kommerzielle Einführung des Internets im Jahr 1990 revolutionierte sämtliche Geschäfts-, Produktions- sowie Logistikprozesse. Auf Industrie 3.0 gestützt, ist es möglich, Automatisierungslösungen und die globale Vernetzung von Produktionsnetzwerken zu koordinieren.¹⁴

2.1.2 Begriffsabgrenzung und Definition Industrie 4.0

Die Welt der Industrie- und Produktionstechnologie beschäftigt sich, wie in Kapitel 2.1 bereits erwähnt, seit der ersten Vorstellung auf der Hannover Messe 2011 mit dem Begriff I4.0. Seit dem Aufkommen der rein deutschsprachigen Wortschöpfung kursieren zahlreiche verschieden Auffassungen dazu.¹⁵ Die Industrieverbände Bitkom, VDMA und ZVEI unter Leitung des Bundeswirtschafts- und des Bundesforschungsministerium veröffentlichten im April 2015 über die Plattform Industrie 4.0 den Bericht „Umsetzungsstrategie Industrie 4.0“. Im Rahmen dieses Berichtes wurde für den Terminus folgendes Begriffsverständnis veröffentlicht:

„Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Le- benszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend indivi- dualisierten Kundenwünschen und erstreckt sich von der Idee, dem Auftrag über die Entwicklung und Fertigung, die Auslieferung eines Produkts an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen.“

„Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernet- zung 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, echt- zeitoptimierte und selbst organisierende, unternehmensübergreifende Wertschöp- fungsnetzwerke, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie beispielsweise Kos- ten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.“ ¹⁶

Die detaillierte Definition akzentuiert die Nützlichkeit von I4.0 nicht nur für produzie- rende Unternehmen, sondern auch für die Logistikbranche und die Einflussnahme auf die gesamte Wertschöpfungskette. Des Weiteren wird betont, dass das Funda- ment für eine stetige Verfügbarkeit von Informationen die Vernetzung aller in der Wertschöpfungskette beteiligten Akteure ist. Aufgrund der in Echtzeit verfügbaren Daten aller Instanzen wird eine ständige Optimierung in Hinsicht auf Kosten und Ressourcenverbrauch möglich sein. Betrachtungen der gesellschaftlichen und poli- tischen Aspekte bleiben in der Definition der Plattform Industrie 4.0 zunächst unbe- rücksichtigt. Gleichwohl erfordert es Veränderungen in der Gesellschaft, wie z. B. im Bildungswesen, um eine erfolgreiche und nachhaltige Realisierung von I4.0 zu ge- währleisten.¹⁷

2.1.3 Schwerpunkttechnologien

Gegenwärtig findet sich zu dem Thema I4.0 eine Vielfalt an diversen Schwerpunkttechnologien, deren Begrifflichkeit in Literaturwerken verschiedenartig definiert werden.

Abbildung 2: Komponenten der Industrie 4.0

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Roth, A., Einführung und Umsetzung von Industrie 4.0, 2016, S. 22

Im Folgenden werden die bedeutendsten Technologien dargestellt und erläutert, die maßgeblich zu einer besseren Vernetzung von Menschen, Objekten und Systemen und einer selbstorganisierenden Wertschöpfung beitragen.

Cyber-physische Systeme (CPS)

Cyber-physische Systeme sind die Grundvoraussetzung für die Umsetzung von I4.0. Dabei handelt es sich z. B. um Geräte, Objekte und Produktionsanlagen, die eingebettete Systeme enthalten und via Internet kommunikationsfähig sind und Internetdienste nutzen.¹⁸ Mit adäquater Sensorik sind diese Embedded Systems fähig ihre Umwelt und deren Daten zu erfassen. Diese werden dann mithilfe von bereits weltweit verfügbaren Daten ausgewertet und gespeichert. CPS sind auch mit der Unterstützung von Aktoren in der Lage, auf die physische Welt so Einfluss zu nehmen, dass auf ungeplante Ereignisse wie ein Maschinenausfall reagiert werden kann.¹⁹

Ubiquitous Computing

Der Begriff Ubiquitous ergibt sich aus dem Wort „ubiquitär“ und bedeutet allgegenwärtig. Unter Ubiquitos Computing wird demnach die allgegenwärtige Informationsverarbeitung durch winzige Computer verstanden, die unsichtbar in beliebigen Alltagsgegenständen eingebaut sind. Diese Gegenstände sind unter anderem mit Microsensorik, Kommunikationsmodulen und Informationsverarbeitungsfähigkeiten ausgestattet. Somit sind sie in der Lage Informationen über das Internet zu erfassen, zu verarbeiten und zu versenden.²⁰ Die Datenbrille „Google Glass“ ist ein bekanntes Beispiel aus der Praxis. Neueste Kameratechnologie und modernste Displays ermöglichen dem Benutzer ein peripheres Sichtfeld und eine optimierte Arbeitsweise. Die Brille besitzt ein Betriebssystem, eine Gesichtserkennungssoftware und eine Augensteuerung.²¹

Internet der Dinge und Dienste (IoTS) - die Smart Factory Das Internet der Dinge und Dienste oder IoTS ist die Weiterentwicklung des klassischen Internets und setzt eine vollständige Vernetzung aller Gegenstände aus dem Alltag voraus. Physische Gegenstände sind in der Zukunft nicht mehr von der virtuellen Welt getrennt, sondern mit dem Internet verbunden. Dadurch wird eine dezentrale Steuerung ermöglicht und zudem agieren die Gegenstände als physische Zugriffspunkte auf Dienstleistungen aus dem Internet.²² Der Zusatzpunkt Dienste strebt jene Dienstleistungen an, welche bereits durch Dienstleistungen wie Smart Home, Smart Products oder dem Smart Mobility via Internet ermöglicht werden.²³ Die Entstehung des IoTS liegt im Ursprung des Einsatzes der Radio Frequency Identification (RFID). Die Firma Procter&Gamble hatte den Einfall sogenannte RFID- Chips zu verwenden, um eine logistische Nachverfolgung der Güter innerhalb der Transportkette über das Internet zu ermöglichen.²⁴

Abbildung 3: Vernetzung von Menschen, Objekten und Systemen

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Kagermann, H. et al., Umsetzungsstrategie Industrie 4.0, 2013, S. 23

Einzelne Maschinen erreichen durch CPS eine eigene Intelligenz und bilden in der Aggregation aller vernetzten Maschinen und Anlagen eines Unternehmens die Basis für die Smart Factory.²⁵ Eine schnelle Austauschbarkeit von Maschinen wird durch Plug & Produce erlangt. Die Maschinen sind aufgrund ihrer Intelligenz in der Lage sich selbst zu konfigurieren Informationen mit anderen Maschinen auszutauschen. Das Erreichen des Optimums ist nach wie vor das Ziel in Bezug auf die Qualität, die Durchlaufzeit und die Auslastung der Fertigung.²⁶

Voraussetzung für die Umsetzung der vollkommenen Vernetzung ist, dass aufgrund einer Internet Protocol (IP)-Adresse all jene Gegenstände eindeutig identifizierbar sind. Die Internet Protocol Version (IPv4) mit einem 32-Bit-Format kann lediglich bis zu 4 Milliarden (Mrd.) unterschiedlichen IP-Adressen unterscheiden und bei voran- schreitender Vernetzung war eine Adressknappheit vorhersehbar.²⁷ Die Folgever- sion IPv6 mit einem 128-Bit-Format ist in der Lage bis 340 Sextillionen Netzadressen zur Verfügung zu stellen. Dadurch ist gewährleistet, dass sprichwörtlich jedem Bak- terium auf dem Planeten Erde eine eigene Netzwerkidentität zugeordnet werden könnte.²⁸

Cloud Computing

Das Cloud Computing stellt eine weitere Technologie aus I4.0 dar mit der die Nutzung von IT-Ressourcen beschrieben wird. Unter dem Begriff Cloud Computing ist die Speicherung von Daten, das Angebot von Applikationen und dem Ausführen von Anwendungen im Internet für alle mit der Cloud verbundenen Geräte zu verstehen.²⁹ Die Verwaltung und Pflege der Daten und Anwendungen geschieht zentral und demnach stehen diese Daten und Anwendungen nicht nur intern, sondern auch unternehmensübergreifend zur Verfügung und vereinfachen dadurch die Einbindung externer Beteiligter.³⁰ Mittels Cloud Computing können wesentlich größere Datenmengen verarbeitet werden, als es bei internen Server Lösungen der Fall war. Die gesammelten Datenmengen werden mithilfe von Big Data- Analytic- Diensten und intelligenter Algorithmen analysiert, ausgewertet und die daraus gewonnenen Informationen lassen sich zu neuem Wissen assoziieren.³¹

Cyber-physisches Produktionssystem (CPPS)

Die Grundlage für ein Cyber-physisches Produktionssystem (CPPS) wird durch das bereits genannte CPS geschaffen. Dieses wird als die Weiterentwicklung von der fraktalen Fabrik zur intelligenten Fabrik verstanden. Zunächst muss definiert werden, was eine fraktale Fabrik ist. Der deutsche Wissenschaftler Hans-Jürgen Warnecke führte Anfang der 90er Jahre in seinem Buch den Begriff der fraktalen Fabrik ein, da er der Auffassung war, dass dem sich stetig veränderten Umfeld und den daraus resultierenden Anpassungen und Veränderungen eines Unternehmens nicht allein mit Software beizukommen ist.³² Zudem hält er eine zentrale Weisungsstruktur für viel zu Träge und unflexibel.³³

Fraktale werden als kleine selbstähnliche und selbstorganisatorische Unternehmenseinheiten angesehen, die im Sinne der Unternehmensziele eigenverantwortlich arbeiten und untereinander kommunizieren.³⁴ Die Selbstähnlichkeit der Fraktale bedeutet, dass sie so aufgebaut sind, dass sie bei ihrer Zerlegung wieder denselben Aufbau aufzeigen. Das heißt, ein Fraktal mit anderen Fraktalen zusammen bildet wiederum ein Fraktal. So kann ein CPS als Fraktal angesehen werden und das CPPS als Fraktal selbst besteht aus mehreren CPS. Die Zerlegung in Fraktale ist bis hin zu den Aktoren einer Maschine möglich, die aus definierten Inputs definierbare Outputs produziert. Aufgrund dessen kann die Komplexität in der Kommunikation zwischen einzelnen Fraktalen verringert werden und es herrscht eine vereinfachte Unternehmenshierarchie, die besser beherrschbar ist.

2.1.4 Analyse des aktuellen Forschungsstandes

Im Nachfolgendem wird dem Leser eine Übersicht über die laufenden Aktivitäten und den Status quo zu dem Thema I4.0 gegeben.

Die Entwicklung von I4.0 hat sich in der deutschen Wirtschaft stark weiter entwickelt. Aktuell verwenden mehr als 65 % der Unternehmen spezielle I4.0-Anwendungen. Deutschland kann sich neben den USA und China als führend im Bezug auf die I4.0

Forschung bezeichnen.³⁵ Seitens der Bundesregierung wurde das Thema Digitalisierung früh erkannt und von Beginn an aktiv durch unterschiedliche Fördermaßnahmen unterstützt. Da aktuell ca. 99,5 %³⁶ aller Unternehmen in Deutschland Klein- und mittelständische Unternehmen (KMU) sind, beschäftigen sich die Plattform Industrie 4.0 und deren Akteure seit längerem mit den notwendigen für die KMU spezisfischen Anforderungen. Die KMU hat sich im Vergleich zur Automobilindustrie bis dato aber noch recht verhalten mit der Thematik auseinandergesetzt. Gründe dafür sind mitunter die Rahmenbedingungen wie begrenzte Personalkapazität, mangelndes Fachwissen und beschränkte Investitionsmöglichkeiten.³⁷

Für die erforderliche Standardisierung wurde das Referenzarchitekturmodell RAMI4.0 entwickelt, dass eine serviceorientierte Architektur zur I4.0-Kommunikation darstellt und alle Elemente der IT-relevanten Komponenten zu einem Schichten- und Lebenszyklusmodell zusammenführt.³⁸ RAMI4.0 ist seit 2017 als DIN-Norm „DIN SPEC 91345“ gemäß den Verfahrensregeln einer Public Available Specification (PAS) veröffentlicht und zudem wurde sie als internationale Vornorm „IEC PAS 63088“ anerkannt.³⁹ Mit den Ländern Italien, Frankreich, USA und China und deren Referenzarchitekturen wurde ein Alignment geschaffen, um sich gegenseitig auszutauschen und zu verbessern. Auf Basis von RAMI4.0 wurde das Konzept der sogenannten Verwaltungsschale (VWS) geschaffen, die als Interface zwischen dem physischen Gegenstand (Asset) und der I4.0-Kommunikation fungiert. Jeder notwendige Gegenstand erhält eine eigene VWS, die dem Asset eine eindeutige ID mit allen relevanten Informationen verleiht. Damit ist das Asset Internet- und Kommunikationsfähig und kann in die Produktion 4.0 mit eingebunden werden.⁴⁰

In Bezug auf die IT-Sicherheit wurde von der Arbeitsgruppe „Sicherheit vernetzter Systeme“ unter der Leitung von dem I4.0-Experten Michael Jochem, die Sicherheitsanforderungen an die Verwaltungsschale der I4.0-Komponente analysiert und entworfen. Ein sogenannter Security-Demonstrator wurde auf der Hannover Messe 2017 vorgeführt, der eine firmenübergreifende Kooperation von mehr als 20 Unternehmen und deren Austausch von sicherheitsrelevanten Informationen über Unternehmensgrenzen hinweg veranschaulichte. Des Weiteren wurden die Anforderungen für eine sichere Kommunikation sowie für eine zuverlässige Verwendung der veröffentlichten „Open Platform Communications Unified Architecture“ (OPC UA) als Kommunikationsmittel verfasst. Zudem wurden die Voraussetzungen für die Zuverlässikeit von Systemen, Prozessen und Daten aufgenommen.⁴¹

Im Forschungsbereich „Technologie und Anwendungen“, die Johannes Kalhoff von Phoenix Contact leitet, fand im Jahr 2017 eine Fortschreibung der Forschungsroadmap I4.0 und die Präsentation der Forschungsagenda statt. Ebenso untersuchte die Arbeitspgruppe die 5G-Technologie in einem Anwendungsszenario, in dem die Produktionsressourcen dezentral gesteuert und optimiert werden.⁴² Die Arbeitsgruppe „Arbeit, Aus- und Weiterbildung“ konnte ein gemeinschaftliches Verständnis zu den Ausbildungsthemen und das Verständis der Notwendigkeit der betrieblichen Projekte zur Stärkung der Qualifizierung der Mitarbeiter entwickeln. ⁴³

2.2 Produktion

2.2.1 Begriffsabgrenzung und Definition

Unter dem Begriff Produktion ist im betrieblichen Wertschöpfungsprozess der zielgerichtete kombinierte Einsatz von Produktionsfaktoren zur Erzeugung bzw. Transformation von materiellen und immateriellen Gütern zu verstehen.⁴⁴ Die Wertschöpfung liegt darin, die auf dem Beschaffungsmarkt erworbenen Produktionsfaktoren nach der Transformation höherwertig auf dem Absatzmarkt zu veräußern.⁴⁵ Produktion im volkswirtschaftlichen Sinne ist nicht nur Tranformation von Gütern in andere Güter, sondern auch die Bereitstellung durch Handel und Verkehr am Ort des Bedarfs.

2.2.2 Produktionsfaktoren

Die Produktionsfaktoren lassen sich im Allgemeinen zum einen in Elementarfaktoren und zum anderen in dispositive Produktionsfaktoren trennen. Die Elementarfaktoren wie die menschliche Arbeitsleistung, die Betriebsmittel und die Werkstoffe zeichnen sich durch die Arbeit am Erzeugnis aus und gelten als essenziell für den betrieblichen Leistungsvollzug.⁴⁶

Die menschliche Arbeitsleistung lässt sich in einem Betrieb zwischen objektbezogener und dispositiver Arbeitsleistung unterscheiden.⁴⁷ Die objektbezogene Arbeitsleistung ist gegenstandsbezogen und dient der Erledigung einer Aufgabe wie z. B. Vertragsverhandlungen zur Aufnahme eines Bankkredites oder die Entwicklung eines neuen Fertigungsverfahren.⁴⁸ Die dispositiven Arbeitsleistungen werden nach Gutenberg auch als vierter Produktionsfaktor angesehen und beinhalten die Leitung, Planung und die Organisation innerhalb einer Produktion.⁴⁹

Unter Betriebsmittel werden alle Anlagen und Einrichtungen verstanden, die zur betrieblichen Leistungserstellung erforderlich sind. Dazu gehören unter anderen unbebaute und bebaute Grundstücke, Arbeits- und Kraftmaschinen, Büroeinrichtungen und -inventar.⁵⁰ Der Produktionsfaktor Boden wird nicht wie in der Volkswirtschaftslehre als gesonderter Produktionsfaktor angesehen, sondern lässt sich in der Betriebswirtschaftslehre den Betriebsmitteln zuordnen. Des Weiteren sind all jene Mittel die nicht zu den Werkstoffen zählen produzierte Betriebsmittel wie der Radiergummi im Büro oder das Maschinenöl in der Produktionsanlage.⁵¹

Als Werkstoffe gelten alle Rohstoffe sowie Halb- und Fertigerzeugnisse, die als Ausgangsmaterial zur Produktherstellung verwendet werden.⁵² Rohstoffe sind Werkstoffe, die entweder unbehandelt oder veredelt in der Produktion eingesetzt werden. Halb- und Fertigerzeugnisse oder Abfallstoffe werden als Werkstoffe bezeichnet, wenn sie bei ihrer Verwendung in das neue Produkt mit einfließen und damit Bestandteil des Erzeugnisses werden.⁵³

2.2.3 Produktions- und Kostentheorie

Die Produktionstheorie ist eines der Hauptgebiete der Produktionswirtschaftslehre und beschreibt die Produktion von Gütern, d. h. es werden die eingesetzten Produktionsfaktoren und die sich durch Transformation ergebende Ausbringung in Zusammenhang gebracht.⁵⁴ Um diesen Zusammenhang darzustellen, wird sich der Produktionsfunktion bedient. Unter einer Produktionsfunktion wird im Allgemeinen die Menge aller effizienten Faktorkombinationen zur Erzeugung alternativer Mengen eines bestimmten Gutes oder Güterbündels bei einem gegeben Stand des technischen Wissens verstanden und lautet demnach:⁵⁵

Formel 1: Allgemeine Produktionsfunktion

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Quelle: In Anlehnung an Löffelholz, J., Produktionswirtschaft, 1993, S. 37

Die Kostentheorie ist ein Teilgebiet der Produktionswirtschaftslehre und ist mit der Produktionstheorie verwandt. Sie befasst sich mit Kosteneinflussgrößen, der Höhe und Arten von Kosten.⁵⁶ Aus der bereits genannten allgemeinen Produktionsfunktion lässt sich die Gesamtkostenfunktion ableiten, wenn die einzelnen Faktormengen mit den Marktpreisen bewertet werden. Die Gesamtkostenfunktion lautet dann wie folgt:⁵⁷

Formel 2: Die Gesamtkostenfunktion oder monetäre Kostenfunktion

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Quelle: In Anlehnung an Löffelholz, J., Produktionswirtschaft, 1993, S. 39

Die Aufgaben der Kostentheorie liegen in der Erklärungsfunktion und der Gestaltungsfunktion.⁵⁸ Die Erklärungsfunktion hat die Aufgabe den funktionalen Zusammenhang von Kosten als abhängige Variablen und den Kosteneinflussgrößen als unabhängige Variablen zu erklären.⁵⁹ Die Gestaltungsfunktion ergibt sich aus der Erklärungsfunktion und trifft Aussagen darüber, welche Anpassungsalternativen und welche Kombination der Kosteneinflussgrößen gewählt werden, um das unternehmerische Ziel am besten zu erreichen.⁶⁰

2.2.4 Produktionsplanung und -steuerung

Die Produktionsplanung und -steuerung (PPS) hat als Teilgebiet der Produktions- wirtschaftslehre die Aufgabe, bei gegebenen und sich wenig veränderbaren Kapazi- täten, für einen störungsfreien und wirtschaftlichen Produktionsprozess zu sorgen.⁶¹ Welche Produkte und welche Mengen produziert werden sollen bestimmt die Ab- satzplanung und können als Produktionsprogramm deklariert werden.⁶² Im nächsten Schritt wird der Produktionsvollzugsplan erstellt, der in einem Bereitstellungs- und einem Ablaufplan untergliedert ist. Der Bereitstellungsplan beinhaltet die Planung der notwendigen Bedarfe an Arbeitskräften, Betriebsmittel, Fremdleistungen und Werkstoffe zur Erzeugung der vorgesehenen Produktmengen und ist zugleich die Grundlage für den Beschaffungsplan. Der zeitliche sowie der örtliche Ablauf des Fer- tigungsprozesses und die Auswahl des Fertigungsverfahrens werden im Ablaufplan bestimmt.⁶³ Um den Fertigungsablauf in Hinblick auf die Planeinhaltung zu sichern, werden alle wichtigen Daten unter Zuhilfenahme der Betriebsdatenerfassung (BDE) erfasst. Bei Auftreten von Störungen des Fertigungsablaufs werden geeignete Maß- nahmen wie Änderungen in der Maschinenbelegung oder Kapazitätsveränderungen eingeleitet.⁶⁴

2.3 Innerbetriebliche Logistik

2.3.1 Begriffsabgrenzung und Definition

Der Begriff der innerbetrieblichen Logistik, ehemals als Produktionslogistik betitelt, wurde erstmalig am 30.06.2003 von dem Verband Deutscher Maschinen- und Anla- genbau veröffentlicht. Die Organisation, Steuerung, Durchführung und Optimierung innerbetrieblicher Material- und Informationsflüsse als auch der Warenumschlag in- nerhalb eines Unternehmens ist unter dem Begriff der innerbetrieblichen Logistik zu verstehen.⁶⁵ Die begriffliche Definition entstand, um eine Abgrenzung zum Waren- transport außerhalb des Unternehmens vorzunehmen. Ziel der innerbetrieblichen Logistik ist es, dass z. B. das richtige Werkzeug oder Material in der vorgegebenen Menge und erforderlichen Qualität zur richtigen Zeit am richtigen Ort bereitgestellt wird.⁶⁶

2.3.2 Handlungsfelder

Im Folgenden werden zum besseren Verständnis für den Leser dieser Arbeit die ein- zelnen Handlungsfelder der innerbetrieblichen Logistik erläutert und dargestellt.

Beschaffungslogistik (E-Procurement)

Die Beschaffungslogistik kann als Bindeglied zwischen der Distributionslogistik des Lieferanten und der Produktionslogistik des eigenen Unternehmens angesehen wer- den und dient der Sicherstellung der physischen Verfügbarkeit von Beschaffungsgü- tern zum Zweck der Gewährleistung von Produktions- und Leistungsprozessen.⁶⁷ Die Beschaffungslogistik ist von der Beschaffung und Einkauf abzugrenzen, da die Aufgabenfelder der Beschaffung und des Einkaufs die rechtliche Verfügbarkeit si- cherstellen.

E-Procurement kann als Weiterentwicklung der Beschaffungslogistik angesehen werden und hat die Aufgabe die operative Abwicklung von Beschaffungsvorgängen über elektronische Medien sicherzustellen, um die im Unternehmen nachstehenden Produktions- und Leistungsprozesse zu gewährleisten.⁶⁸

[...]

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¹ Vgl. Kagermann, H., et al., Umsetzungsempfehlungen, 2013, S.18; BMBF, Zukunftsbild, 2013, S. 10.

² Vgl. Kagermann, H. et al., Internet der Dinge, 2011, S. 3; Roth, A., Einführung und Umsetzung, 2016, S. 20.

³ Vgl. BMWI, Hintergrund Industrie 4.0, 2018, o. S.

⁴ Vgl. BMBF, Gründung Plattform Industrie 4.0, 2015, o. S.

⁵ Vgl. Bauerhansl, T. et al., Industrie in Produktion, 2014, S. 5; Sendler, U., Industrie 4.0, 2016, S. 3- 4.

⁶ Vgl. Schäfers, B., Sozialgeschichte, 2016, S. 15.

⁷ Vgl. Obermaier, R., Industrie 4.0, 2016, S.3; Pinnow, C., Schäfer, S., Grundlagen und Anwendungen, 2015, S.3.

⁸ Vgl. Ford Company, Geschichte Henry Ford, 2018, o. S.

⁹ Vgl. Ford Company, Geschichte Henry Ford, 2018, o. S.

¹⁰ Vgl. Bauerhansl, T. et al., Industrie in Produktion, 2014, S. 6; Sendler, U., Industrie 4.0, 2016, S. 5.

¹¹ Vgl. Sendler, U., Industrie 4.0, 2016, S. 5; Becker, W. et al., Industrie 4.0 im Mittelstand, 2017, S.9.

¹² Vgl. Bauerhansl, T. et al., Industrie in Produktion, 2014, S. 7; Sendler, U., Industrie 4.0, 2016, S. 5.

¹³ Vgl. Bauerhansl, T. et al., Industrie in Produktion, 2014, S. 7; Becker, W. et al., Industrie 4.0 im Mittelstand, 2017, S.9; Sendler, U., Industrie 4.0, 2016, S. 5.

¹⁴ Vgl. Becker, W. et al., Industrie 4.0 im Mittelstand, 2017, S.9; Kersten, W. et al., Industrie 4.0 und kognitive Systeme, 2014, S.130.

¹⁵ Vgl. Dierig, C., Deutsche Industrie, 2014, o. S.

¹⁶ Plattform Industrie 4.0, Umsetzungsstrategie, 2015, S. 8.

¹⁷ Vgl. Spath, D. et al., Produktionsarbeit, 2013, S. 123ff.

¹⁸ Vgl. Bauerhansl, T. et al., Industrie in Produktion, 2014, S. 15f.

¹⁹ Vgl. Bauerhansl, T. et al., Industrie in Produktion, 2014, S. 16; Kagermann, H. et al., Umsetzungsempfehlungen, 2013, S. 108.

²⁰ Vgl. Roth, A., Einführung und Umsetzung, 2016, S. 20; Beck, A., Denkel., J., Ubiquitous Computing, 2007, S.4.

²¹ Vgl. o.V., Google Glass, o. J., o. S.

²² Vgl. Bauerhansl, T. et al., Industrie in Produktion, 2014, S. 544.

²³ Vgl. Roth, A., Einführung und Umsetzung, 2016, S. 26.

²⁴ Vgl. Engemann, C., Sprenger, F., Internet der Dinge, 2015, S.123; Roth, A., Einführung und Umsetzung, 2016, S. 26.

²⁵ Vgl. Bauer, W. et al., Smart Factory, 2014, S. 20.

²⁶ Vgl. Bauer, W. et al., Smart Factory, 2014, S. 20.

²⁷ Vgl. Roth, A., Einführung und Umsetzung, 2016, S. 26.

²⁸ Vgl. Artischewski, F., Industrie 4.0, o. J., S. 3-4; Roth, A., Einführung und Umsetzung, 2016, S. 27.

²⁹ Vgl. Bauer, W. et al., Cloud Computing, 2014, S. 21.

³⁰ Vgl. Bauer, W. et al., Cloud Computing, 2014, S. 21.

³¹ Vgl. Bauerhansl, T. et al., Industrie in Produktion, 2014, S. 605; Vgl. Roth, A., Einführung und Umsetzung, 2016, S. 31.

³² Vgl. Warnecke, H., Die fraktale Fabrik, 1992, S. 163f.

³³ Vgl. Warnecke, H., Die fraktale Fabrik, 1992, S. 114, 166ff.

³⁴ Vgl. Warnecke, H., Die fraktale Fabrik, 1992, S. 142ff; Roth, A., Einführung und Umsetzung, 2016, S. 29.

³⁵ Vgl. Plattform Industrie 4.0, Fortschrittsbericht, 2017, S. 6.

³⁶ Vgl. Ifm-Bonn, Unternehmensbestand, 2018, o. S.

³⁷ Vgl. Bracht, U. et al., Digitale Fabrik, 2018, S. 24.

³⁸ Vgl. BMWI, Fortschrittsbericht, 2017, S. 6.

³⁹ Vgl. BMWI, Fortschrittsbericht, 2018, S. 9.

⁴⁰ Vgl. BMWI, Fortschrittsbericht, 2018, S. 6.

⁴¹ Vgl. BMWI, Fortschrittsbericht, 2018, S.11-13.

⁴² Vgl. BMWI, Fortschrittsbericht, 2018, S.19.

⁴³ Vgl. BMWI, Fortschrittsbericht, 2018, S.22.

⁴⁴ Vgl. Gutenberg, E., Die Produktion, 1951, S. 1; Günther, H., Tempelmeier, H., Produktion und Logistik, 2012, S. 6.

⁴⁵ Vgl. Schmidt, C., Produktionsmanagement, 2014, S. 2.

⁴⁶ Vgl. Gutenberg, E., Die Produktion, 1951, S. 3ff.

⁴⁷ Vgl. Gutenberg, E., Die Produktion, 1951, S. 3; Schuh, G., Schmidt, C., Produktionsmanagement, 2014, S. 2.

⁴⁸ Vgl. Gutenberg, E., Die Produktion, 1951, S. 4.

⁴⁹ Vgl. Gutenberg, E., Die Produktion, 1951, S. 3; Günther, H., Tempelmeier, H., Produktion und Logistik, 2012, S. 6.

⁵⁰ Vgl. Bauerhansl, T. et al., Industrie in Produktion, 2014, S. 352.

⁵¹ Vgl. Gutenberg, E., Die Produktion, 1951, S. 4-5.

⁵² Vgl. Gutenberg, E., Die Produktion, 1951, S. 5.

⁵³ Vgl. Gutenberg, E., Die Produktion, 1951, S. 6; Bauerhansl, T. et al., Industrie in Produktion, 2014, S. 371.

⁵⁴ Vgl. Dyckhoff, H., Produktionstheorie, 2006, S. 6.

⁵⁵ Vgl. Löffelholz, J., Produktionswirtschaft, 1993, S. 37; Günther, H., Tempelmeier, H., Produktion, 2012, S. 6.

⁵⁶ Vgl. Heinen, E., Kostenlehre, 1970, S. 111ff.

⁵⁷ Vgl. Löffelholz, J., Produktionswirtschaft, 1993, S. 39; Heinen, E., Kostenlehre, 1970, S. 123.

⁵⁸ Vgl. Heinen, E., Kostenlehre, 1970, S. 121.

⁵⁹ Vgl. Heinen, E., Kostenlehre, 1970, S. 122.

⁶⁰ Vgl. Heinen, E., Kostenlehre, 1970, S. 125f.

⁶¹ Vgl. Löffelholz, J., Produktionswirtschaft, 1993, S. 18.

⁶² Vgl. Löffelholz, J., Produktionswirtschaft, 1993, S. 18.

⁶³ Vgl. Löffelholz, J., Produktionswirtschaft, 1993, S. 19.

⁶⁴ Vgl. Siepermann, Ch., Produktionsplanung, 2018, o. S.

⁶⁵ Vgl. Arnold, D., Intralogistik, 2006, S. 1; Günther, H., Tempelmeier, H., Produktion, 2012, S. 9.

⁶⁶ Vgl. Heinrich, M., Lagerlogistik, 2014, S. 9.

⁶⁷ Vgl. Arnold, D. et al., Logistik, 2008, S.990.

⁶⁸ Vgl. Wannenwetsch, H., Logistik, 2014, S. 204.