Worum geht es bei Industrie 4.0? In zwei Sätzen gesagt: Industrie 4.0 steht für die zunehmende Vernetzung von Produkten, Maschinen und Anlagen mit IT und Internet. Das produzierende Gewerbe wächst mit dem Internet zusammen, modernste Informations- und Kommunikationstechnologien werden mit den klassischen industriellen Prozessen vereint.
Plakativ lässt sich Industrie 4.0 mit dem Web 2.0 vergleichen. Letzteres machte aus passiven Internet-Nutzern aktive Teilnehmer. Ähnliches passiert bei Industrie 4.0: Es lässt sich als eine Art Web 2.0 für die Automation auffassen, bei dem die "passiven Objekte" der Industrieautomation handlungsfähig gemacht werden. Das geschieht dadurch, dass jedes dieser Objekte mit Intelligenz ausgestattet wird.
Mit Industrie 4.0 eröffnet sich produzierenden Unternehmen eine ganz neue Welt. Das Schwierige daran ist, dass die Konzepte von Industrie 4.0 bislang ziemlich theoretisch und abstrakt klingen, von einer breiten Umsetzung ist man noch meilenweit entfernt. Aber letztlich geht es auch hier darum, mit neuen Methoden Kosten zu senken sowie effizienter und flexibler zu produzieren - und zwar über alle Branchen und Unternehmensgrößen.
Bei vielen Mittelständlern sind die Möglichkeiten, die Industrie 4.0 mit sich bringt, allerdings noch nicht vollends angekommen. Fast zwei Drittel (64,3 %) der mittelständischen Fertiger in Deutschland, Österreich und der Schweiz kennen noch nicht einmal den Begriff "Industrie 4.0?, ergab eine Umfrage unter rund 1.000 Unternehmen durch das Analysehaus Techconsult. Höchste Zeit, die wichtigsten Punkte zu klären.
Warum "4.0" und woher kommt der Begriff?
"Industrie 4.0" soll die "vierte industrielle Revolution" bezeichnen. Die erste industrielle Revolution fand am Ende des 18. Jahrhunderts statt, als mechanische Produktionsanlagen eingeführt wurden, die durch Wasser- und Dampfkraft angetrieben wurden. In dieser Zeit wurde auch der erste mechanische Webstuhl entwickelt.
Mit Beginn der zweiten industriellen Revolution wurden Fließbänder eingeführt, erstmals in den Schlachthöfen in den USA. Die Verfügbarkeit elektrischer Energie für Produktionszwecke führte ab der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts zur Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion.
Schließlich folgte mit der dritten, digitalen Revolution zu Beginn der 1970er Jahre der Einsatz von Elektronik und IT in der Produktion. Es wurde nicht mehr nur Arbeitsteilung betrieben, sondern ganze Arbeitsschritte wurden von Maschinen übernommen. Die Industrie 4.0 soll nun - als logische Fortsetzung - die vierte industrielle Revolution werden.
Der Begriff "Industrie 4.0" ist ausnahmsweise keine US-amerikanische, sondern eine deutsche Erfindung. Er wurde erstmals 2011 zur Hannovermesse publiziert. Im Oktober 2012 wurden der Bundesregierung Umsetzungsempfehlungen des Arbeitskreises Industrie 4.0 übergeben. Gleichzeitig nahm die von den drei Branchenverbänden Bitkom, VDMA und ZVEI eingerichtete Plattform Industrie 4.0 ihre Arbeit auf. Sie soll die Aktivitäten in dem Zukunftsfeld künftig koordinieren.
Was ist mit Industrie 4.0 genau gemeint?
Industrie 4.0 steht für den Einzug des Internets und der Daten und Dienste in die Fabrik. Menschen, Maschinen und Ressourcen sollen miteinander kommunizieren. Das jeweilige Produkt soll, gefüttert mit Informationen über sich selbst, seinen eigenen Fertigungsprozess optimieren können.
Dazu werden Maschinen, Werkstücke, Transportmittel und Produkte mit eingebetteten Systemen ausgerüstet, sprich winzigen Rechnern, sowie Sensoren und Aktoren. Sie tragen beispielsweise Barcodes oder RFID-Chips auf der Oberfläche, die die entsprechenden Informationen enthalten. Diese sind miteinander und zum Teil mit dem Internet vernetzt und können so selbständig Informationen austauschen. Scanner und Computer lesen die Daten aus, übermitteln sie online weiter - und sorgen dafür, dass die Maschinen richtig agieren. Die Objekte können damit quasi selbst Entscheidungen treffen und sich selbst steuern.
Für diese "Verschmelzung" der physischen mit der virtuellen Welt hat sich der Begriff des "cyber-physischen Systems" etabliert. Ein cyber-physisches System ist also eine Art von Verbund von informatischen und softwaretechnischen Komponenten zusammen mit mechanischen und elektronischen Teilen. Über eine Dateninfrastruktur wie das Internet kommunizieren die verschiedenen Komponenten einer Fertigung miteinander und tauschen Informationen über Kapazitäten, Abläufe und optimierbare Prozesse aus.
Bauteile eines Autos können beispielsweise als cyber-physisches System ausgestattet werden, so dass sie kontinuierlich Daten über ihren Zustand sammeln und mitteilen können, sobald ein Austausch nötig wird. Das Produkt agiert selbstständig und autonom und sendet eine Message an den Hersteller, dass im Bedarfsfall ein Ersatz bereitgestellt werden muss.
Was bedeutet das für die Produktion?
Mit cyber-physischen Systemen wird "Plug and Produce" möglich: Anlagen und Werkzeuge können innerhalb kürzester Zeit an wechselnde Produkt- oder Produktionswünsche angepasst werden. Wie ein unsichtbares Nervennetz durchzieht die intelligente Automatisierungstechnik die gesamte Produktionsanlage. Der Mensch ist dabei nicht außen vor, sondern Teil der Kommunikationskette.
"In der intelligenten Fabrik, der smart Factory, kommunizieren Menschen, Maschinen und Ressourcen wie in einem sozialen Netzwerk", sagte Henning Kagermann, Präsident von Acatech, der nationalen Wissenschaftsakademie Deutschlands, in einem Interview mit der Tageszeitung ‚Die Welt‘. "Am Ende produzieren diese Fabriken nicht nur flexibler, effizienter und ressourcenschonender als bisherige Standorte, sondern auch intelligente Produkte."
Das ermöglicht eine bis dato noch nie gekannte Individualisierung der Produktion ("One Piece Flow"): Schuhe und Handys, Pumpen und Zahnräder lassen sich genau in der Ausführung produzieren, die der Kunde gerne hätte. Fernsehgeräte-Hersteller bieten Dutzende von Farbvarianten an, deren Konfiguration in der Produktionselektronik schon enthalten ist. Automobilzulieferer haben schon heute die Herstellung von Einspritzdüsen für Dieselmotoren so umgestellt, dass die Produktion erst dann beginnt, wenn irgendwo auf der Welt eine elektronische Bestellung dafür aufgegeben wurde.
Die Smart Factory kann selbst Einzelstücke - Losgröße 1 - rentabel produzieren. In solchen Produktionsverfahren mit sehr kleiner Losgröße dominiert der dreidimensionele Druck, kleine Stückzahlen lassen sich damit prima produzieren. Die britische Luftwaffe druckt mit 3D-Druckern beispielsweise Ersatzteilbleche für Flugzeuge.
Was ist das Internet der Dinge?
Das Internet der Dinge ("Internet of Things", kurz IoT) bildet die zentrale Basis für Industrie 4.0. Der Begriff ist in Zusammenhang mit RFID und Sensortechnologien im Jahr 1999 entstanden und beschreibt die Vernetzung von und mit Alltagsgegenständen.
IoT wurde im Grunde bereits oben beschrieben: Maschinen, Werkstücke, Transportmittel und Produkte (= die "Dinge") enthalten winzige Rechner, Sensoren und Aktoren, die es ihnen ermöglichen, sich miteinander und mit dem Internet zu vernetzen. Ausgangspunkt ist die eindeutige Identifizierung industrieller Objekte wie Produkte oder Werkstücke. Dieses Zuweisen einer Identität kann etwa über RFID-Chips oder QR- und Barcodes erfolgen.
Mit Hilfe eines Proxies wird die Brücke ins Internet geschlagen. Damit lassen sich die realen Gegenstände um virtuelle Informationen und Services anreichern. Smarte, reale Objekte verfügen über eigene Intelligenz beziehungsweise IT- und Kommunikationstechnik. Druckpatronen beispielsweise werden heute bereits mittels Chiptechnologie identifiziert und der Füllstand überwacht. Unterschreitet der Füllstand eine gewisse Grenze, erfolgt eine Aufforderung zur Nachbestellung über die Herstellerwebseite.
Nutzt Industrie 4.0 auch Big Data?
Die Nutzung der riesigen Datenmengen ("Big Data") zur Optimierung der Fertigung ist ein weiteres Charakteristikum von Industrie 4.0. Aus diesen Datensätzen, die dank intelligenter Produktionsanlagen entstehen, soll ein zusätzlicher Mehrwehrt geschaffen werden.
Dies wird bei der vorausschauenden Instandhaltung ("Predictive Maintenance") besonders deutlich. Die Basis bilden Anlagen, die mit Sensoren und vernetzten, eingebetteten Systemen ausgestattet sind.
Die Sensoren erfassen den Verschleiß kritischer Bauteile einer Maschine und übertragen die Informationen an eine Software-Plattform. In weitgehend automatisierten Prozessen analysiert die Software die bereitgestellten Daten oft in Echtzeit, erkennt schnell spezifische Fehlermuster und ermittelt die Ursachen des Problems. Nur wirklich notwendige Inspektionen oder Wartungsmaßnahmen werden dadurch angezeigt.
Beim Autohersteller Daimler wird Predictive Maintenance beispielsweise in der Leichtmetallgießerei eingesetzt. Das Unternehmen produziert dort täglich circa 10.000 Zylinderköpfe, die aufwändig rund um die Uhr gefertigt werden. In der Vergangenheit hat sich die Herstellung der Köpfe als hochproblematisch erwiesen. Das Hauptproblem: Halten die fertigen Zylinderköpfe die vorab festgelegten, sehr engen Toleranzen nicht vollständig ein, müssen sie eingeschmolzen werden - Ausschuss, der Daimler viel Geld kostet.
25 Prozent Produktionssteigerung
In dieser Situation entschloss sich Daimler, den Produktionsprozess mit der Analytics-Software IBM SPSS Data-Mining zu überwachen, zu steuern und auszuwerten. Inzwischen wertet das System automatisch täglich über Nacht die Prozessentwicklung aus und speichert alle Analysen ab.
Dieses Vorgehen führte schließlich zu einer Steigerung der Produktivität um 25 Prozent in der Zylinderkopfproduktion und einer Verkürzung der Hochlaufphase des Fertigungsprozesses bis zum Erreichen der angestrebten Zielwerte um 50 Prozent. Erkenntnisse, die früher mit enormem Aufwand innerhalb von rund drei Tagen gewonnen wurden, liegen heute in nur wenigen Stunden vor. Bei Auffälligkeiten wissen die Verantwortlichen genau, wo sie ansetzen müssen.
Ähnliche Erfolge mit der SPSS-Datenanalyse erzielte die BMW Group. Auch hier werden unter anderem Produktions- und Qualitätsdaten sowie Produktionsparameter aus der Bauteile-Gießerei gesammelt und ausgewertet. Diese Daten fließen in Modelle ein, die dazu dienen, Schwachstellen im Produktionsprozess zu erkennen, Gegenmaßnahmen zu identifizieren und damit langfristig die Produktqualität zu steigern.
Was sind die wichtigsten Hürden für Industrie 4.0?
Noch sind auf dem Weg zur vierten industriellen Revolution große Hürden zu nehmen. IDC-Analysten sehen besonders im Aufbrechen etablierter Strukturen und Abläufe und den noch unausgereiften Technologien eine große Herausforderung.
Um Industrie 4.0 in einer wirklich ganzheitlichen Sicht zu realisieren, müssen vor allem drei Aspekte umgesetzt werden: Erstens die horizontale Integration über Unternehmensgrenzen hinweg, zweitens die vertikale Integration mit vernetzten Produktionssystemen und drittens die Durchgängigkeit des Engineerings während des gesamten Produktlebenszyklus.
Die horizontale Integration betrifft das Zusammenwachsen der gesamten Wertschöpfungskette von der Entwicklung eines Produkts bis zur Auslieferung. Hierzu ist es nötig, Wertschöpfungsketten und -netzwerke über Firmengrenzen hinweg aufzubauen.
Die vertikale Integration umfasst die Vernetzung betriebswirtschaftlicher Prozesse innerhalb des Unternehmens. Damit ist beispielsweise gemeint, wie über Kommandos direkt etwas produziert werden kann. Oder umgekehrt wie man Daten aus den Maschinen fürs Business verwenden kann: zum Beispiel einen Instandhaltungsauftrag sofort zu starten, wenn die Maschine ein Problem festgestellt hat.
Ist Industrie 4.0 nur CIM in neuen Schläuchen?
In die Diskussion um Industrie 4.0 mischen sich auch kritische Stimmen. Oft wird argumentiert, dass die Kernideen in den vergangenen 30 Jahren bereits unter anderen Schlagwörtern diskutiert wurden, ohne jedoch nennenswerte Auswirkungen auf die Branche zu haben. Als Beispiel wird oft CIM, also Computer Integrated Manufacturing, genannt.
CIM steht für den Einsatz der Automatisierungstechnik in der Produktion - das entscheidende Merkmal der letzten, dritten industriellen Revolution. Kritiker behaupten nun, Industrie 4.0 wäre im Prinzip nichts anderes als CIM mit nur einer neuen Bezeichnung.
Doch das ist nicht richtig. Sicherlich gibt es Überschneidungen, dennoch ist Industrie 4.0 mit CIM nicht vergleichbar. Viele Aspekte der CIM-Vision konnten einfach aufgrund der mangelnden technischen Voraussetzungen nicht realisiert werden, heißt es in einem Beitrag auf Ingenieurversteher.de.
In den letzten fünfzehn Jahren haben sich aber in der IT fundamentale Änderungen ergeben. Das Internethat sich als Standard durchgesetzt, es steht eine leistungsfähige Netzwerkinfrastruktur und -bandbreite zur Verfügung und die technischen Möglichkeiten mit Cloudund Mobilitätsind ihren Kinderschuhen entwachsen. Daher war CIM nicht falsch, nur einfach zwanzig Jahre zu früh.
Wie profitieren KMUs von Industrie 4.0?
Industrie 4.0 wird von der Bundesregierung, Verbänden und Interessensgruppen breit gefördert. Doch von den Fördertöpfen haben bislang vor allem große Betriebe und Konzerne profitiert. "In kleinen und mittelständischen Unternehmen spielt Industrie 4.0 heute noch kaum eine Rolle", sagt Peter Dewald, der deutsche Geschäftsführer des ERP-Anbieters Sage. Interessierte, so Dewald, könnten aber bereits die ersten Keime der Industrie-4.0-Idee in kleinen Anwendungsinseln entdecken.
So verbindet etwa Sage beim Berliner Kanalreinigungsunternehmen Run 24 GmbH die Sage-Warenwirtschaftslösung mit dem Logistiksystem des Navigations- und Fuhrparkspezialisten Tomtom. Dadurch sei es ohne menschliches Zutun möglich, Monteure und Auftragsverantwortliche über den Auftragsstatus immer informiert zu halten und den Aufgabenvollzug praktisch in Echtzeit zurückzumelden. Eine direkte Verlinkung des Sage-Systems zum Endgerät des Monteurs ermöglicht die Transparenz über GPS-Standort, Stand der Reparaturarbeiten und nächste Arbeitsaufgaben.
Einige weitere mittelständische Fallbeispiele enthält die Broschüre "Zukunftsbild Industrie 4.0" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, die wir hier auszugsweise anführen.
Bei einem mittelständischen Spezialfarben-Hersteller können Heimwerker im Zuge der Bestellung auf der Firmen-Website aus einer breiten Palette von Grundfarben den gewünschten Farbton selbst konfigurieren. Zu jeder Einzelbestellung wird ein Funkchip erstellt, der alle relevanten Informationen enthält und direkt mit den eingebetteten Systemen entlang der Fertigungsstrecke kommuniziert. Der Chip übernimmt die weitere Produktionssteuerung, indem er mit dem zentralen Server kontinuierlich aktuelle Prozessinformationen austauscht. Die durch den Einsatz des cyber-physischen Systems mögliche Produktionsflexibilität versetzt die Firma in die Lage, in der gleichen Anlage eine hohe Variantenzahl an Farbprodukten herzustellen - bei einer großen täglichen Gesamtproduktion und zu niedrigen Stückkosten.
Mobile Service-Roboter
Die Koordinierung von Produktionsressourcen und betrieblichen Prozessen funktioniert auch über Unternehmensgrenzen hinweg. So sorgt ein ständiger Datenaustausch zwischen einem Produzenten von Speziallacken und einem Gehäusehersteller dafür, dass der Zulieferer von Speziallacken immer dann eine neue Lieferung verschickt, wenn die Lackieranlage des Gehäuseherstellers einen bestimmten Füllstand unterschreitet. Dieser wird von Sensoren erfasst und an eine unternehmensübergreifende Einheit der Produktionssteuerung gemeldet, die ihrerseits automatisiert eine Nachbestellung generiert und rechtzeitig die erforderliche Lieferung organisiert.
In der Fertigung eines Gehäuseherstellers steuern cyber-physische Systeme den Einsatz frei beweglicher Roboter in der Fabrikhalle. Über Sensoren nehmen Roboter akustische und optische Daten auf, interpretieren sie und leiten daraus Handlungen ab. Faktisch können sie "hören" und "sehen": Sie erkennen die Arbeiter in ihrem Umfeld und passen sich in ihrem Verhalten an deren Bewegungen an.
Der Serviceroboter assistiert dem Arbeiter in der Bearbeitung des Werkstücks, indem er das Gehäuse dreht und wendet, so wie es der Mitarbeiter gerade wünscht. Dieser kann vom Roboter zusätzliche Informationen aus der Produktionssteuerung abrufen, etwa Hinweise und Empfehlungen zur Verwendung von Spezialwerkzeugen, die nur selten zur Anwendung kommen
Industrie 4.0 - die wichtigsten Begriffe
Die wichtigsten Schlüsselbegriffe fassen wir abschließend noch einmal zusammen:
Industrie 4.0: Zukunftsprojekt der Hightech-Strategie der Bundesregierung zur Revolutionierung klassischer Produktionstechnologien mit dem Ziel, intelligente Fabriken zu schaffen.
Internet der Dinge: Verknüpfung physischer Objekte mit IT-Technik über eine internetähnliche Verbindung.
Smart Factory: Kernelement der Industrie 4.0. Sie zeichnet sich durch die Kommunikation zwischen Mensch, Maschine und Ressourcen durch intelligente Vernetzung aus.
Cyber-physisches System: Kommunizierende Maschinen bilden durch Interaktion ein cyber-physisches-System. Autonome Einheiten mit lokaler Steuerungsintelligenz erfassen physikalische Daten mit Sensoren und kommunizieren über offene Netze. (wh)