Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik

Wenn im Zusammenhang mit Industrie 4.0 immer wieder von der 4. Industriellen Revolution gesprochen wird, macht es Sinn, zunächst einmal einen Blick auf die vergangenen drei Revolutionen zu werfen, zu analysieren, was in diesen unterschiedlichen Phasen passiert ist und wie diese Revolutionen aufeinander aufbauen.

Ein wesentliches Kennzeichen von Industrie 4.0 ist die Informationsaggregation im Engineering und Betrieb über verschiedene Projekte, Anlagen und Anlagenbetreiber hinweg.

Die Gedankenwelt um das Thema Industrie 4.0 resultiert originär aus dem Zusammenspiel zweier Trends. Einerseits die herausragende Bedeutung der industriellen Produktion für den Wirtschaftsstandort Deutschland (siehe auch Reinhart und Abele, 2011), andererseits die fortschreitende Miniaturisierung und Integration von Computerchips, die in Folge die Vision des „Ubiquitous Computing“ zur Realität werden lässt (siehe Weiser, 1991). Das Internet der Dinge und Dienste schließt den Medienbruch zwischen dinglicher und virtueller Welt und ermöglicht das Anbieten von Mehrwertdiensten auf der Basis eines aktuellen und umfassenden Abbilds der Realität.

Mit zunehmender Globalisierung und Vernetzung erhöhen sich die Prozessgeschwindigkeiten dieser Welt immer mehr. Der wachsende internationale Wettbewerb führt zu einer stark schwankenden Nachfrage an Produkten mit teils hoher Varianz bei gleichzeitig enormem Kostendruck. Für die meisten Unternehmen ist das Handlungsfeld dadurch dynamischer, unvorhersehbarer und turbulenter geworden. Industriezweige verschmelzen, Kunden denken und gestalten aktiv mit, Wettbewerber greifen an. Verkürzte Produktlebenszyklen führen zu vermehrten Technologie- und Produktneuerungen.

Schneller, flexibler, nachhaltiger – das sind die Herausforderungen für den Produktionsstandort Deutschland. Dynamische Märkte erfordern eine schnellere Marktreife von Produkten, kürzere Produktlebenszyklen und mehr Produktvarianten. Dadurch stehen die deutschen Automobilhersteller vor der Herausforderung, individualisierte Fahrzeuge wirtschaftlich zu produzieren. Zudem müssen sie die Risiken volatiler Märkte wettbewerbsfähig am Produktionsstandort Deutschland bewältigen. Vor diesem Hintergrund wird Wandlungsfähigkeit zu einem entscheidenden Erfolgsfaktor von Produktionssystemen.

Unter dem Namen Simatic fertigt Siemens Produkte für die Bereiche Automatisierungstechnik, Leittechnik und MES. Die ursprüngliche speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) wurde zu einem umfassenden Automatisierungssystem erweitert. Die Automatisierungsgeräte und die Human-Machine-Interfaces ermöglichen eine Automatisierung (Totally Integrated Automation, TIA) von der Steuerungs- bis zur Produktionsleitebene inklusive der zugehörigen Engineeringsoftware.

Viele Unternehmen und Institute beschäftigen sich aktuell mit dem Begriff Industrie 4.0 und seiner genauen Auslegung. Daraus resultierend existieren viele verschiedene Vorstellungen darüber, was unter dem Begriff genau zu verstehen ist. Ein Kernthema ist die Auflösung der starren Strukturen und Hierarchien der Ebenen der Automatisierungspyramide in den Unternehmen und über Unternehmensgrenzen hinweg. Realisiert wird dieses durch eine gesteigerte vertikale (über die Ebenen der Automatisierung hinweg) und horizontale (unterschiedliche ITSysteme) Vernetzung (vgl. Beitrag Vogel-Heuser „Herausforderungen und Anforderungen aus Sicht der IT und der Automatisierungstechnik“).

Häufig wird Industrie 4.0 und CPS (Cyber-Physical Systems) bzw. CPPS (Cyber- Physical Production Systems) in Zusammenhang mit Automotive oder dem klassischen Maschinen- und Anlagenbau und somit dem Bereich der Fertigungstechnik in Verbindung gebracht. Doch auch in der Prozessindustrie führt Industrie 4.0 zu neuen Strategien, z.B. in der Flexibilisierung der Produktion oder der Wartungsunterstützung etc.

Aufgrund des globalen Wettbewerbs und einer steigenden Produktkomplexität ist in den letzten Jahren auch die Komplexität der Produktionssysteme und damit auch der Automation massiv gewachsen (Forschungsunion, 2012). So schätzt (Stetter, 2014), dass im Jahr 2000 bereits ca. 40% der Entwicklungsanteile im Maschinenbau auf die Software entfielen. Diese Komplexität belastet zunehmend Automatisierer, Systemingenieure und Anlagenbauer.

Mit dem Geschäftsfeld Würth Industrie Services (WIS) ist die Würth-Gruppe einer der führenden C-Teile-Lieferanten weltweit und im direkten Wettbewerb mit anderen global agierenden Unternehmen wie Fastenal und Grainger. Hinsichtlich einer vom Kunden wahrnehmbaren Differenzierung im Markt liegt der Schwerpunkt vor allem im Servicebereich.

Die starke Individualisierung und Flexibilisierung der Produktion erfordert von den eingesetzten Automatisierungslösungen einen hohen Grad an Kognition und Selbständigkeit. Im Rahmen von Industrie 4.0 werden Systeme, die Sensoren, Aktoren und Kognition integrieren, als cyber-physische Systeme bezeichnet. Fahrerlose Transportsysteme (FTS) sind ein Beispiel für solch komplexe Elemente der Produktion.

Für eine wirtschaftliche Produktion in turbulenten Märkten sind ständige Anpassungen der Produktion durch Rekonfiguration und Selbstoptimierung der komplexen Automatisierungslösungen zunehmend erforderlich [1]. Dies lässt sich im Rahmen von Industrie 4.0 mit Hilfe von Cyber-Physischen Systemen umsetzen, die Änderungen in ihrer Umgebung wahrnehmen und sich selbstständig daran anpassen können.

Aus der Perspektive der Informations- und Kommunikationstechnologien wurde im Jahre 2011 das Projekt „Industrie 4.0“ konzipiert und in die Hightech-Strategie der Bundesregierung übernommen. Ende 2011 etablierte sich auf Initiative der Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft (FU) ein Arbeitskreis „Industrie 4.0“ unter Vorsitz von Dr. Siegfried Dais (Robert Bosch GmbH) und Prof. Henning Kagermann (acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften). Im März 2012 veröffentlichte die acatech eine Forschungsagenda CPS (Cyber Physical Systems) (Geisberger/Broy 2012).

Um als Unternehmen wirtschaftlich erfolgreich agieren zu können, müssen die Marktbedürfnisse befriedigt werden (Lopitzsch 2005). Während die Produkte den immer individuelleren Kundenwünschen angepasst werden, sehen sich Unternehmen gleichzeitig mit einem verschärften Kostendruck konfrontiert. Gleichzeitig steigt die Marktdynamik aufgrund der starken Kundenorientierung und der damit verbundenen Auftragsschwankungen (Schuh et al. 2011).

Auf dem Weg zur Industrie 4.0 nahm die Logistik ähnliche Entwicklungsstufen wie die Produktion, welche sich ausgehend vom Neo-Taylorismus über die Lean Production nun im Rahmen der vierten industriellen Revolution dem Ideal der „Smart Factory“ annähert (vgl. Tabelle 1).

Industrie 4.0 und die damit verbundene Plattform der Verbände BITCOM, VDMA und ZVEI haben sich die Entwicklung von Technologien, Standards, Geschäfts- und Organisationsmodellen sowie deren praktische Umsetzung zum Ziel gesetzt. Eine Umfrage unter den Verbandsmitgliedern der Plattform Industrie 4.0 kam zu dem Ergebnis (Abbildung 1), dass die Standardisierung die größte Herausforderung zur Umsetzung von Industrie 4.0 darstellt. Die Anforderungen an Standardisierung sind sicherlich vielfältig; der folgende Beitrag befasst sich jedoch ausschließlich mit der Standardisierung der horizontalen und vertikalen Kommunikation.

Nach Jahren, in denen es ein Alleinstellungsmerkmal des Standorts Deutschland war, den großen Anteil der Industrieproduktion an der Bruttowertschöpfung hoch wertzuschätzen, erleben wir derzeit weltweit eine regelrechte Renaissance der Fertigungsindustrie. Die einen versuchen, die Produktion ins Land zurückzuholen, die anderen wollen nicht nur zu uns aufschließen, sondern uns sogar überholen.

Dies trifft zusammen mit dem Beginn der vierten industriellen Revolution, die Produkte und Produktionsanlagen über das Internet miteinander kommunizieren lässt. Siemens hat eine klare Position zur Vision von Industrie 4.0, wie diese Umwälzung der Industrie auch genannt wird. Über eine Digital Enterprise Platform muss ein durchgängig digitalisierter und virtualisierter Wertschöpfungsprozess mit der realen Welt der Industrie verschmolzen werden. Nur so lassen sich die künftigen Anforderungen der Märkte erfüllen, nur so lassen sich die zu erwartenden Techniken der Industrie 4.0 anwenden.

Erste Beispiele von Siemens-eigenen Werken und von Installationen bei seinen Kunden zeigen, dass bereits heute einiges von dem realisierbar ist, was mit der Vision als Ziel formuliert wird. Jetzt kommt es darauf an, die nächsten Schritte auf diesem Weg zu gehen.

Siemens hat dafür eine Roadmap, denn das Haus sieht sich gefordert und gut gerüstet, der Industrie die Werkzeuge und Infrastrukturen zur Verfügung zu stellen, die für die Realisierung von Industrie 4.0 benötigt werden.

Die Mikroelektronik ist die Schlüsseltechnologie für Industrie 4.0. Sie ermöglicht es, durch immer kleinere und leistungsfähigere Produkte die Effizienz, die Sicherheit und die Energieeffizienz von Anlagen und Geräten zu steigern. Halbleiter, sprich Mikrocontroller und Leistungsbauelemente sind das Gehirn und die Muskeln intelligenter Systeme. Die Intelligenz der Systeme entsteht in einer intelligenten Fabrik aus der Verbindung von Elektronik, Mechanik und übergreifenden Systemansätzen. Dazu kommen die enormen Fortschritte in der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT), die es ermöglichen, zunehmend eingebettete Systeme miteinander zu vernetzen.

Die deutschen Anlagen- und Maschinenbauer haben eine führende Position im Weltmarkt. Durch ihr vorausschauendes und mittelständisch geprägtes Management haben sie die jüngste Wirtschaftskrise gemeistert und gelten als die Konjunktur- Motoren Europas. Die zunehmende Dynamisierung von Produktlebenszyklen und die Individualisierung von Produkten sowie neue Technologien im Kontext der Globalisierung fordern nun eine weitere Erhöhung der Produktivität und eine ständige Weiterentwicklung. Gleichzeitig herrscht in Deutschland ein Mangel an ausgebildeten Ingenieuren, es gilt also insbesondere die Produktivität des Einzelnen zu erhöhen.

In Industrie 4.0 in Deutschland verschwinden die Grenzen zwischen den vormals getrennten Informations- und Kommunikationstechnik-Bereichen (IKT) der Produktions- IT und der Business-IT. Diese werden vernetzt, wodurch IT-Systeme mit ganz unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen verbunden werden. Daraus ergeben sich neue Verwundbarkeiten und den Angreifern eröffnen sich neue Möglichkeiten, in Systeme einzudringen und Schäden auch in der physischen Welt zu verursachen. So können sich beispielsweise Computer-Viren, die man von Desktop-PCs kennt, auf Produktionsanlagen ausbreiten, oder Maschinen werden zur Fernwartung freigegeben, ohne diese Zugänge ausreichend abzusichern.

Die „Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0“ [1] sehen als zentrales Element der Industrie 4.0 „eine Vernetzung von autonomen, sich situativ selbst steuernden, sich selbst konfigurierenden, wissensbasierten, sensorgestützten und räumlich verteilten Produktionsressourcen (Produktionsmaschinen, Roboter, Förder- und Lagersysteme, Betriebsmittel) inklusive deren Planungs- und Steuerungssysteme.“

Die Schlagworte zum Thema Industrie 4.0 sind zahlreich: Internet der Dinge, Cloud, Big-Data, Real-time, intelligente Maschinen, Teile und Produkte, voll vernetzte Instandhaltung und Wartung. Der Mensch scheint in der Produktion von morgen keine Bedeutung mehr zu haben. Naheliegend erscheint, sich nur noch auf technologische Aspekte wie Smart Devices, Big Data Processing und Interfaces zu konzentrieren. Doch das wäre ein Fehler. Blickt man zurück, gab es zwischen der dritten industriellen Revolution mit SPS-gesteuerten Maschinen und der zukünftigen vierten industriellen Revolution schon einmal einen Ansatz, die Fertigungsebene EDV-technisch zu durchdringen. Er hieß Computer Integrated Manufacturing (CIM).

Die erheblich gesteigerte vertikale und horizontale Integration von Cyber-Physical- Production-Systems (CPPS) führt zu einer deutlichen Veränderung der technischen Strukturen im Unternehmen und über Unternehmensgrenzen hinweg. Zum einen sind in Zukunft alle Daten aus den verschiedenen IT-Systemen einer Produktionsanlage überall und zu jeder Zeit global verfügbar, zum anderen kommunizieren die Anlagen/Teilanlagen und die Geräte in den Anlagen mehr und mehr autonom und ohne Eingriff des Menschen. Folge ist eine Flexibilisierung, aber auch eine gesteigerte Komplexität der Produktionsanlagen.

Mit dem Ziel die Flexibilität und Wandelbarkeit von Produktionssystemen zu verbessern und sie damit den neuen wirtschaftlichen und technischen Herausforderungen anzupassen strebt die Industrie 4.0-Initiative die Integration neuer Methoden und Techniken der Informationsverarbeitung in die Automatisierungstechnik an. Dies kann nicht ohne Auswirkungen auf die an Entwurf und Nutzung von Produktionssystemen beteiligten Menschen bleiben.

Doch was sind diese Auswirkungen? Dieser Beitrag versucht die Auswirkungen auf der Basis der Untersuchung der in der Industrie 4.0 adressierten Cyber Physical Production Systems sowie eines Modells des Lebenszyklus von Produktionssystemen einige Beispiel für die Auswirkungen der Industrie 4.0 auf den Menschen zu verdeutlichen und entsprechende Schlussfolgerungen für Bildung und Forschung zu ziehen.

Roboter sind per Definition in ISO 8373 [1] universelle Betriebsmittel. Durch diese universelle Einsetzbarkeit und die Notwendigkeit, den Roboter und seine Peripheriekomponenten für eine konkrete Fertigungsaufgabe zu konfigurieren, finden sich in der Robotik ideale Anwendungsfälle für Industrie 4.0-Technologien. Die Einbeziehung des Menschen in diesen Prozess der Konfigurierung und Nutzung eröffnet zahlreiche neue Anwendungsszenarien, wirft aber auch neue Fragen auf.

Dem Industrie 4.0-Paradigma folgend sind alle Gegenstände der Fabrikwelt mit integrierter Rechenleistung und Kommunikationsfähigkeit ausgestattet. Dies betrifft keineswegs nur die Maschine-zu-Maschine(M2M)-Kommunikation, sondern wird auch weitreichende Folgen für das Zusammenspiel zwischen Mensch und Technik mit sich bringen.

Globaler Wettbewerb und technischer Fortschritt haben in den vergangenen Jahren eine viel stärker individualisierte Anfertigung von Produkten jeglicher Art möglich gemacht. In einzelnen Beispielen ist aufgezeigt worden, dass die Produktion von kleinsten Mengen (Losgröße 1) ökonomisch sinnvoll machbar erscheint. Die meisten dieser Produktionsvorgänge basieren auf einer vereinfachten Produktionslandschaft mit niedriger Komplexität, ähnlich einer modernen Manufaktur (vgl. Hubschmid, 2012). So können in einem einfachen Herstellungsprozess mit einfachen Zuliefererprozessen typische Individualanfertigungen von hoher Qualität und Exklusivität produziert werden. Oft werden diese dann über das Internet vertrieben.

Industrie 4.0 verändert mit der Vernetzung von Produktionstechnologien und ITWelt die Spielregeln. An Stelle proprietärer Schnittstellen treten offene Standards, mit denen Maschinenhersteller neueste IT-Technologien eigenständig in ihre Konzepte einbinden. Der vorliegende Beitrag zeigt auf, wie diese Entwicklung mit Hilfe von Open Core Engineering unterstützt werden kann. Open Core Engineering steht für das komplette Engineering-Angebot von Rexroth, das die bislang getrennten SPS- und IT-Welten in einer durchgängigen Lösung verbindet und das 2013 mit dem HERMES AWARD ausgezeichnet wurde. Es bietet Maschinenherstellern neue Freiheiten, innovative Ideen in Software selbst umzusetzen.

Wie der Begriff „Industrie 4.0“ bereits signalisiert, befinden wir uns in einem Übergang von der 3. zur 4. industriellen Revolution. Die 3. industrielle Revolution seit den frühen 1970er-Jahren bezeichnet den Einzug von Elektronik und Informationstechnologien in die Fabriken, wo sie seitdem für eine fortschreitende Automatisierung der Produktionsprozesse sorgen. Diese dritte Phase des Industrialisierungsprozesses dauert bis heute an (vergl. [1], S. 18). Die Leittechnik in der automatisierten Fabrik der Industrie 3.0 ist durch das hierarchische System der Automatisierungspyramide geprägt – vom ERP-System auf der Unternehmenssteuerungsebene bis hinunter zu den Ein- und Ausgabeschnittstellen auf der Feldebene.

Die vorangegangenen Kapitel dieses Buches haben unter anderem gezeigt, dass es ganz unterschiedliche Anwendungsszenarien gibt, in denen verschiedene Umsetzungsaspekte der Industrie 4.0-Bewegung sinnvoll eingesetzt werden können. Auch in den „Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0“ (vergl. Kagermann et al., 2013) sind weitere beispielhafte Anwendungsszenarien für die Umsetzung von Industrie 4.0-Ideen zu finden.

Mit einem Anteil von 22,4 Prozent am Bruttoinlandsprodukt (BIP) ist das produzierende Gewerbe das Rückgrat der deutschen Wirtschaft. (vergl. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, 2013). Im Vergleich: der Anteil des produzierenden Gewerbes am BIP in den USA liegt bei 11,9 Prozent, in Frankreich und Großbritannien bei 10 Prozent (vergl. Heymann, Vetter, 2013). Jährlich produziert die deutsche Wirtschaft einen enormen Handelsüberschuss. Diese Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie war entscheidend, um die Finanz- und Wirtschaftskrisen in der jüngsten Vergangenheit erfolgreich zu bewältigen. Konkurrenzfähiger Industriestandort und führender Fabrikausrüster zu sein, muss jedoch immer wieder aufs Neue erarbeitet werden.

Unter dem Rubrum „Internet der Dinge“ wird in der Logistik seit der Jahrtausendwende die Einführung cyberphysischer Technologien diskutiert. Die Logistik und das Internet der Dinge gelten als herausragende Anwendungsdomäne der vierten industriellen Revolution. In keiner anderen Branche wird in naher Zukunft ein so grundsätzlicher Wandel erwartet. Dies ist einerseits auf die rasante technologische Entwicklung zurückzuführen, andererseits sind viele der wesentlichen technischen und gesellschaftlichen Herausforderungen direkt oder indirekt mit der Logistik und einem effizienten Supply Chain Management verbunden.

Der Begriff „Industrie 4.0“ ist in kürzester Zeit zu einem Buzzword geworden. Obwohl erst im zeitlichen Umfeld der Hannover Messe im April 2013 eingeführt, ist er heute in fast aller Munde.