Innovative Konzepte der Industrie 4.0. Risiken und Chancen


Hausarbeit, 2020

20 Seiten, Note: 2,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Historischer Kontext

3 Zentrale Paradigmen
3.1 Paradigma 1: Vertikale und horizontale Integration
3.2 Paradigma 2: Dezentrale Intelligenz
3.3 Paradigma 3: Dezentrale Steuerung
3.4 Paradigma 4: Durchgängiges digitales Engineering
3.5 Paradigma 5: Cyber-physisches Produktionssystem (CPPS)

4 Technologien im Detail
4.1 Datenerhebung und -verarbeitung in der industriellen Fertigung
4.1.1 Die Automatisierungspyramide der industriellen Fertigung
4.1.1.1 Level 0: Prozessebene
4.1.1.2 Level 1: Feldebene
4.1.1.3 Level 2: Steuerungsebene
4.1.1.4 Level 3: (Prozess-) Leitebene
4.1.1.5 Level 4: Betriebsebene
4.1.1.6 Level 5: Unternehmensebene/Topfloor
4.1.2 Radio Frequency Identification-Chip (RFID-Chip)
4.1.3 Cloud Computing
4.1.4 Big Data-Dienste
4.1.5 Analytische-Dienste
4.2 Maschine-Maschine-Kommunikation (M2M)
4.3 Mensch-Maschine-Kommunikation (MMI)
4.3.1 Mensch-Maschine-Interaktion in der Industrie
4.3.2 Virtual Reality (VR)
4.3.3 Augmented Reality (AR)

5 Fazit

Literaturverzeichnis

Weitere Quellen

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

Die Bundesrepublik Deutschland ist nach einer Studie der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften der weltweit führende "Fabrikschiedsrichter".1 Aus dem sehr umfangreichen Know-how in den Bereichen der Informationstechnologie (IT), der Automatisierungstechnik und der eingebetteten Systeme ergibt sich ein unverzichtbarer Wettbewerbsvorteil. Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, diese führende Funktion auszubauen und auch in Zukunft eine Pionierstellung einzunehmen, indem sie das Potenzial nutzt, welches die Einführung von IT in der Produktion von Industriegütern mit sich bringt. In diesem Prozess wurde der vom Bund geprägte Begriff "Industrie 4.0" geschaffen.2 Im Jahr 2013 erwirtschaftete die Industrie mit 5,2 Millionen Beschäftigten nach Erhebungen des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) einen Umsatz von 1,6 Billionen Euro.3 Die vollständige Vernetzung von Personen, Maschinen und Dingen ist das zentrale Anliegen von Industrie 4.0 und dem "Internet der Dinge". Aus dieser Verknüpfung kann eine Vielzahl neuer Dienstleistungen und Produkte geschaffen werden. Es sollten Werkzeuge, Transportmittel, aber auch Produkte gegenseitig darüber verhandeln, wie der nächste Produktionsschritt am besten lauten könnte. Auf diese Weise würde die virtuelle Welt reibungslos in das reale Objekt übergehen. Mit diesem "Zukunftsobjekt" der deutschen Regierung ergeben sich große Herausforderungen für die Branche. Der permanent wachsende Bedarf an der unverzüglichen Bereitstellung von Informationen und Anwendungen ("Real-Time-Economy"), die zunehmende Nachfrage nach nachhaltigem, ressourcenschonendem Wirtschaften in Folge des wachsenden Wett- bewerbsdrucks4 und eine Verlagerung der globalen Güternachfrage zugunsten des asiatischen Raums sind nur einige dieser Herausforderungen.5 Ebenso sind Markttrends zu erkennen, die die Wirtschaft im Laufe der nächsten zehn Jahre vor eine große Hürde stellen werden. In der vorliegenden Hausarbeit sollen wesentliche, innovative Konzepte der Industrie 4.0 aufgezeigt werden, welche im Zuge des neuen Industriezeitalters sowohl erhebliche Risiken als auch wesentliche Chancen für die Industrie nach sich ziehen werden.

2 Historischer Kontext

Bereits vor der aktuell ablaufenden vierten Industrierevolution existierten drei weitere, die im folgenden Kapitel in historischer Reihenfolge wiedergegeben werden. Um 1750 begann die erste industrielle Revolution mit der Entwicklung der Dampfmaschine. Dampfbetriebene Maschinen ermöglichten es, den wirtschaftlichen Wohlstand der Industrieländer zu verbessern und die Gefahr von Hungersnöten zu mildern. Durch die bessere Versorgungssituation im Ländervergleich wuchs die Bevölkerung im Verhältnis zu anderen Ländern stark an. Auch die Versorgung der Bevölkerung im Landesinneren wurde durch die neuen Möglichkeiten der Güterbeförderung durch ein besseres Transportsystem mit der Eisenbahn oder gar mit Dampfschiffen immer besser. Parallel dazu stieg die Produktivität in vielen Industriezweigen, da immer rentabler gewirtschaftet werden konnte.6 Infolge dieser Revolution ging der Prozentsatz der im Handwerk und in der Landwirtschaft Beschäftigten zurück, und es entstanden neue Bevölkerungsschichten, nämlich die der Fabrikbesitzer und Fabrikarbeiter. Hier muss allerdings auch die Gegenseite berücksichtigt werden, denn obwohl der allgemeine Wohlstand zunahm, wurden die Fabrikarbeiter enorm ausgebeutet und auch die Kinderarbeit war zu dieser Zeit ein ernstes Thema.7 Der Übergang zwischen der ersten und der zweiten industriellen Wende führte angesichts dieser Klagen sogar zu gewaltigen Volksaufständen. Als Vorreiter der zweiten industriellen Revolution gilt Henry Ford. Er war Erfinder des Fließbandes und der daraus hervorgegangenen Massenfertigung auf der Grundlage der Arbeitsteilung. Dies war jedoch nur mit den Elektromotoren realisierbar, die im gleichen Zeitraum auf den Markt kamen. Mit der Einführung der Elektromotoren war schließlich eine wesentlich dezentralere Produktionsstruktur möglich, da nunmehr jede Maschine ihren eigenen Motor anstelle einer zentralen Kraftmaschine besaß. Dank dieser Invention konnte die industrielle Massenproduktion, insbesondere im Automobilbau, rasch voranschreiten. Auf diese Weise kamen die Menschen zur Erkenntnis, dass Industriearbeiter nicht ausgenutzt werden dürfen und es eine angemessene Güterverteilung zu gewährleisten gilt. Die Bevölkerung setzte folglich ihr Wachstum fort. In dieser Periode entstanden die Grundzüge der Sozialdemokratie und kommunistisches Gedankengut.8 Nach einer Unterbrechung durch zwei Weltkriege gab das Wirtschaftswunder zu Beginn der 1960er Jahre der dritten industriellen Revolution einen immensen Impuls. Zur damaligen Zeit wurden neue Technologien wie Elektrotechnik oder Kommunikations- und Informationstechnologien ausgebaut und weiterentwickelt. Durch diese Innovation wurde eine immer stärkere Automatisierung der Fertigung möglich. Die Grundbedürfnisse der Menschen in Deutschland wurden in den 1980ern Jahren weitgehend gedeckt, so dass die Kundenwünsche immer individueller wurden und die Qualitätsanforderungen an die Erzeugnisse wuchsen. Darüber hinaus machten neben der fortschreitenden Informations- und Kommunikationstechnologien auch das Internet Wissen weltweit zugänglich und ermöglichten den Weg in die Globalisierung.9 Entgegen den Annahmen der Ökonomen hat sich die deutsche Wirtschaft nicht vollständig zu einer Dienstleistungsgesellschaft entwickelt, sondern konnte im Gegensatz zu USA und England den Anteil der Industrie am Bruttoinlandsprodukt mit etwa 25% relativ hoch halten. Dies betrachteten viele Länder als großen Fehler und bedauerten, dass es Deutschland nicht gelungen ist, den „Aufstieg“ zur Dienstleistungsgesellschaft zu vollziehen. Mit der Finanzkrise in den Jahren 2007/2008 änderten jedoch viele ihre Meinung und erkannten die Vorteile einer starken heimischen Industrie.10

3 Zentrale Paradigmen

Oft wird Industrie 4.0 nur auf den Einsatz neu entwickelter Technologien bezogen. Allerdings ist dies eine unzureichende Reduzierung, vielmehr bedeutet eine vernetzte Industrie die Zusammenführung existierender Technologien. Die Schwierigkeit liegt in der bestmöglichen Kombination dieser Technologien, um im Idealfall als einheitliche Gesamtlösung zu fungieren.11

3.1 Paradigma 1: Vertikale und horizontale Integration

Bei der vertikalen Integration werden alle Systeme innerhalb eines Unternehmens hierarchisch angeordnet und die Schnittstellen für den Datenaustausch geschaffen. Darüber hinaus können nicht nur innerhalb einer Hierarchieebene, sondern auch zwischen den einzelnen Hierarchiestufen Daten miteinander ausgetauscht werden. Eine möglichst einfache und einheitliche Mensch-Maschine-Kommunikation ist notwendig, um diese Vertikalintegration so effizient wie möglich zu gestalten. Zu diesem Zweck muss sichergestellt sein, dass alle Aktoren, eingebetteten Systeme und Sensoren herstellerunabhängig mit einander gekoppelt werden können. Sofern dies gegeben ist, können sämtliche Komponenten in der Herstellung vollautomatisch Daten erfassen und dann über die Cloud- Computing-Dienste auswerten. Somit kann die gesamte Produktion entsprechend den Anforderungen optimal gestaltet werden.12 Dagegen bedeutet horizontale Integration die Zusammenführung der verschiedenen Systeme von Lieferanten, Kunden oder anderen Unternehmensstandorten. Gelingt die horizontale Integration, können Daten und Materialien flächendeckend eingebunden werden. Neue Komponenten können auf diese Weise auch leicht in das bestehende System integriert werden. Dies können beispielsweise neue Rechenzentren sein (Cloud Computing). Anhand der Daten aus der horizontalen Integration ist es dann möglich, die Fertigung zu planen und zu steuern sowie - im Idealfall in Echtzeit und angepasst an die individuellen Anforderungen - die visuellen Bedürfnisse des Unternehmens zu planen und zu steuern.13 Einen großen Vorteil hat ein Unternehmen, wenn sich horizontale und vertikale Integration in einem Unternehmen vereinen, da so die Produktionsprozesse schneller und präziser an die Produktionsbedingungen der spezifischen Kundenanforderungen angeglichen werden können. Somit wäre die Produktion in der Lage, sich in kürzester Zeit an die gegebenen Rahmenbedingungen zu adaptieren.14

3.2 Paradigma 2: Dezentrale Intelligenz

Eine dezentrale Intelligenz ist die Voraussetzung für eine dezentralisierte Steuerung. Sie stellt eine Grundvoraussetzung für Industrie 4.0 dar, denn Produktionsanlagen und Produktionsmittel können unabhängig vom Standort aufgebaut werden. Zur Realisierung dezentraler Intelligenz bedarf es zunächst entsprechender Sensoren, Computersysteme oder Cloud-Computing-Dienste sowie eines Internetzugangs. Den wichtigsten Baustein der sogenannten „Smart Factory" bilden die völlig autonomen Sensoren oder RFID-Chips, da auf ihnen alle Informationen über die weiteren Produktionsschritte gespeichert und übertragen werden.15

3.3 Paradigma 3: Dezentrale Steuerung

Zu einer dezentralen Produktion zählt auch eine direkte dezentrale Steuerung, statt steifer stationärer Schaltkästen wie in der derzeitigen Industrie üblich. In diesen robusten Schränken enthaltene speicherprogrammierbare Steuerungen empfangen Daten von den Sensoren innerhalb des Produktionsprozesses, verarbeiten diese und folgen dann den Daten mit entsprechenden Aktionen. Ein flexibler Gebrauch ist jedoch nicht möglich, da die Maschine und der Schaltschrank fest miteinander verkabelt sind. Künftig wird man in der Industrie in der Regel auf Kabel verzichten und z.B. über WLAN vernetzte Systeme einsetzen. Die Auslagerung von Rechenleistung auf das Internet (siehe auch Cloud Computing Services) sorgt für eine flexiblere Handhabung der verfügbaren Rechenleistung.16

3.4 Paradigma 4: Durchgängiges digitales Engineering

Die digitale Wiedergabe des vollständigen Fertigungsprozesses wird als Continuous Digital Engineering bezeichnet. Hier greifen die virtuelle und die reale Arbeitswelt unmittelbar ineinander und lassen sich die gesamte Produktionsplanung elektronisch visuali- sieren. Zum Einen wird die Gesamtfabrik mit all ihren Betriebsmitteln dargestellt. Mit Hilfe von Informatikprogrammen wird ein exaktes Bild erzeugt, mit dem die Produktion planbar und animierbar gemacht werden kann. Ein solches Abbild bezeichnet man als virtuelle Fabrik. Dank Cloud-Services genügt es, die Daten einmalig einzugeben, um alle Faktoren vorab zu modellieren und störende Faktoren von vornherein zu eliminieren. Veranschaulicht werden diese virtuellen Fabriken beispielsweise über Augmented Reality oder Virtual.17

3.5 Paradigma 5: Cyber-physisches Produktionssystem (CPPS)

Der Ausdruck cyber-physisches Produktionssystem umschreibt nach dem Ansatz von Industrie 4.0 eine gesamte Produktionsanlage. Zu einem CPPS gehören insbesondere Produktionssysteme, die mittels Messfühlern und Aktoren die erfassten Daten an Steuerungssysteme senden, die wiederum die Daten auswerten und anschließend an die Produktion zurückleiten. Die Daten werden darüber hinaus unmittelbar von der Anlage eingesetzt, um so den eigenen Produktionsvorgang zu verbessern.18 Darüber hinaus deckt CPPS die gesamte Produktion nach dem Industrie 4.0-Ansatz ab, wobei Systeme verschiedener Hersteller so miteinander verknüpft werden, dass die Beschäftigten die Daten über die Mensch-Maschine-Interaktion verwerten können und die Produktion im Zusammenspiel getestet werden kann.19

4 Technologien im Detail

4.1 Datenerhebung und deren Verarbeitung in der industriellen Produktion

4.1.1 Die Automatisierungspyramide der industriellen Produktion

Ziel der Automatisierungspyramide ist die Reduktion der Komplexität einer industriellen Produktion. Sie lässt sich soweit reduzieren, dass die Prozesse in einzelne Ebenen zerlegt werden. Insgesamt gibt es sechs Ebenen20, welche in den folgenden Abschnitten näher erläutert werden.

4.1.1.1 Level 0: Prozessebene

Bei der Prozessebene der Automatisierung handelt es sich um den untersten Teil der Pyramide und beinhaltet die von RFID-Chips und anderen intelligenten Geräten übermittelten Daten hinsichtlich der Produktmerkmale und der Produktionsschritte.21

[...]


1 Vgl. Abschlussbericht Industrie 4.0 (2013), in: acatech.de

2 Vgl. Art. BMWi Industrie 4.0, in: bmwi.de

3 Vgl. Art. BMWi Industrie 4.0, in: bmwi.de

4 Vgl. Art. „Die wichtigsten Fakten zur Real Time Economy“, in: MyBusinessFuture.de

5 Vgl. Art. „Weltwirtschaftliche Schwerpunktverschiebung nach Asien?“, in: giga-hamburg.de

6 Vgl. T. Bauernhansl, M. ten Hompel, B. Vogel-Heuser, Industrie 4.0, S. 4

7 Vgl. T. Bauernhansl, M. ten Hompel, B. Vogel-Heuser, Industrie 4.0, S. 5

8 Vgl. T. Bauernhansl, M. ten Hompel, B. Vogel-Heuser, Industrie 4.0, S. 6

9 Vgl. T. Bauernhansl, M. ten Hompel, B. Vogel-Heuser, Industrie 4.0, S. 6f

10 Vgl. T. Bauernhansl, M. ten Hompel, B. Vogel-Heuser, Industrie 4.0, S. 7f

11 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 37

12 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 37f

13 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 38

14 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 38

15 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 39

16 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 40

17 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 41f

18 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 42

19 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 42

20 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 49

21 Vgl. A. Roth, Industrie 4.0, S. 49

Ende der Leseprobe aus 20 Seiten

Details

Titel
Innovative Konzepte der Industrie 4.0. Risiken und Chancen
Hochschule
FOM Hochschule für Oekonomie & Management gemeinnützige GmbH, München früher Fachhochschule
Note
2,0
Autor
Jahr
2020
Seiten
20
Katalognummer
V993444
ISBN (eBook)
9783346360090
ISBN (Buch)
9783346360106
Sprache
Deutsch
Schlagworte
innovative, konzepte, industrie, risiken, chancen
Arbeit zitieren
Blerta Laiq (Autor), 2020, Innovative Konzepte der Industrie 4.0. Risiken und Chancen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/993444

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