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Johann Hofmann

Johann Hofmann

Ihr Redner für Industrie 4.0 - Die Fabrik der Zukunft

Dipl. Ing. (FH), Leiter ValueFacturing®
Digitalisierungsexperte, Praktiker aus Leidenschaft, Redner, Autor, Berater

Grundlagen zum Begriff: "INDUSTRIE 4.0"

Industrie 4.0 ist die Dampfmaschine des menschlichen Gehirns

INDUSTRIE 1.0 ergänzt/ersetzt in Teilbereichen die Leistungsfähigkeit der menschlichen Muskeln durch Dampfmaschinen Leistung
INDUSTRIE 4.0 ergänzt/ersetzt in Teilbereichen die Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns durch IT Leistung

industrie4 gehirnUnter dem Begriff Industrie 4.0 sammeln sich Hoffnungen und Herausforderungen für Produktion, Produkte, Dienstleistungen und Geschäftsmodelle der Zukunft. Ein Ziel von Industrie 4.0 ist es, die Flexibilität der Produktion so zu steigern, dass bei Bedarf die Losgröße Eins wirtschaftlich hergestellt werden kann und der Kunde ein individuell konfiguriertes Produkt erhält. Dazu ist es u.a. notwendig die Rohdaten, die durch die Digitalisierung der Prozesse und Produkte in riesigen Mengen entstehen, zu sammeln und durch Mustererkennung zu veredeln. Dadurch kommt man zu neuartigen Erkenntnissen die es ermöglichen steigende Qualitätsanforderungen, kürzere Lieferzeiten, sich verkürzende Produktlebenszyklen und eine wachsende Variantenvielfalt zu beherrschen.

Im Folgenden erhalten Sie weitere detaillierte Information zum Thema "INDUSTRIE 4.0".


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Industrie 4.0 - Ursprung und Begriffsklärung

button industrie4Ursprünglich stammt der Begriff Industrie 4.0 aus einem ausgerufenen Zukunftsprojekt der High-Tech-Strategie der Bundesregierung. Sie hat zum Ziel, die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie nachhaltig zu sichern.

Durch diese zukunftsweisende Initiative soll gesichert werden, dass Deutschland international weiterhin eine führende wirtschaftliche Rolle einnimmt. Die zukünftig noch stärker erforderliche Individualisierung von Erzeugnissen wird durch eine flexible und schlanke Produktion ermöglicht. In der Wertschöpfungskette der Industrie 4.0 verzahnen sich produzierende Unternehmen, deren Geschäftspartner, relevante Zulieferer und potentielle Kunden für eine größtmögliche Wertschöpfung. Einzelne Komponenten von Industrie 4.0-Technologien werden bereits heute vereinzelt in Unternehmen eingesetzt, es fehlt aber an flächendeckender Ausbreitung und Standards für deren Verwendung.

Industrie 4.0 - Aktuelle Situation

schmetterling industrie4

Aktuell (2016) ist Industrie 4.0 weder Mücke noch Elefant sondern ist vergleichbar mit dem Stadium einer Schmetterlingsraupe kurz vor dem Schlüpfen. Ob sich daraus ein wunderschöner flugfähiger Schmetterling oder eher ein Nachtfalter entwickelt, wird sich die nächsten Jahre entscheiden.

Das ambitionierte Zukunftsprojekt Industrie 4.0 der Bundesregierung hat dem Entwicklungsprozess der deutschen Produktion zwar seinen Namen verliehen und eine öffentliche Diskussion angestoßen, aber die Anfänge der Industrie 4.0 reichen weiter in der Zeit zurück. Um den Kern dieser Industriellen (R)Evolution und ihre charakteristische grundlegende Unterschiedlichkeit zu den Vergangenen zu erfassen, ist ein kurzer Blick in deren Geschichte notwendig.

Geschichte der Industriellen Revolution(en)

Elementare Kennzeichen einer Revolution sind laut Duden insbesondere eine „umwälzende, bisher Gültiges, [oder] Bestehendes […] verdrängende grundlegende Neuerung“ und eine „tief greifende Wandlung“. In diesem Kontext versteht sich eine Revolution als eine fundamentale Veränderung, die jeden Teil der Gesellschaft unumgänglich betrifft und die Zukunft der Menschen nachhaltig gestaltet.

Alle vier Industriellen Revolutionen verstehen sich so grundsätzlich als Katalysator der wirtschaftlichen und industriellen Entwicklung. Die Anzeichen der historischen drei Industriellen Revolutionen aber waren bereits früh von den Betroffenen klar erkennbar. Über den genauen Zeitpunkt und Inhalt der vergangenen drei Industriellen Revolutionen herrscht keine allgemein gültige Lehrmeinung, deshalb wird im Folgenden ein kleiner Überblick über die gängige Einordnung gegeben:

Während der ersten Industriellen Revolution vollzog sich ab dem 18. Jahrhundert der historische Übergang von Muskel- zu Maschinenkraft. Die Dampfmaschine und der mechanische Webstuhl kam auf und die Postkutsche wurde buchstäblich von Dampflok und Dampfschiff überholt, was einen enormen Produktivitätsschub – nicht nur für die Industrie - mit sich brachte.

Im bald folgenden frühen 20. Jahrhundert führte die Einführung des Fließbands und damit der arbeitsteiligen Massenproduktion zu einer 2. Industriellen Revolution. In den Schlachthöfen von Cincinnati wurden erstmals Transportbänder für die Fleischverarbeitung benutzt, was später auch von der Automobilindustrie adaptiert wurde. Prägend für diese Epoche waren Frederick W. Taylor (1856 – 1915) und Henry Ford (1863 – 1947).

In den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts vollzog sich die letzte historische Revolution, auch digitale Revolution genannt, in der die Digitalisierung Einzug in die Arbeitswelt und viele andere Lebensbereiche hielt. Der technische Wandel, der u. a. durch Mikrochips begann, veränderte viele private und betriebliche Gegebenheiten grundlegend. Die NC-Maschine, der Vorgänger der CNC-Maschine ersetzte z.B. die Werkzeugmaschine, die noch von Hand gesteuert werden musste.

die 4 industriellen Revolutionen JohannHofmann

Die vier Industriellen Revolutionen im Zeitablauf

Allen drei historischen Revolutionen war eine grundlegende Veränderung der Produktionsbedingungen gemeinsam, deren Auswirkungen die ganze Gesellschaft spürbar beeinflussten und von jedem wahrgenommen werden konnten. Diese bilden die Basis für den Wohlstand unserer Zeit.

Die Anzeichen der Industrie 4.0 können schlichtweg übersehen werden, obwohl dies die erste Industrielle Revolution ist, die noch während ihres Ablaufs als Solche benannt wurde. Dennoch erfordern diese Voraussetzungen einen Wandel in der Produktion, eine durchgehende und übergreifende Vernetzung, die durch eine neue Form des Internets im Zuge der Industrie 4.0 erreicht werden könnte. Durch diese neue Digitalisierung verändert sich die Gesellschaft tiefgreifend.


Schlagwörter zum Begriff: "INDUSTRIE 4.0"

01 johann hofmann redner experte industrie 4Die heutige Ausgangssituation, in der sich moderne Unternehmen wiederfinden, ist allerdings um ein Vielfaches komplexer als die der Unternehmen in vorangegangenen Revolutionen. Wissenschaft und Technologie gewinnen immer mehr an Bedeutung, während die Globalisierung internationale Geschäftsbeziehungen mittlerweile selbstverständlich macht. Im Kern von Industrie 4.0 steht die smarte Fabrik, die sich klar von früheren Fabriken unterscheidet. Durch die nahezu nahtlose Verschmelzung von realer und virtueller Welt können Anlagen und Werkzeuge einer Fertigung in Echtzeit mit individuell wechselnden Produktansprüchen koordiniert werden.
 
Im Folgenden werden nun die häufigsten zwölf Schlagwörter von INDUSTRIE 4.0 aufgelistet und erklärt.

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1. Interdisziplinarität

megatroniker
Der Mechatroniker als Beispiel für interdisziplinäre
Berufsausbildung. Quelle: MR
Der Begriff „Interdisziplinarität“ bezeichnet die Verbindung und Kombination von voneinander unabhängigen (wissenschaftlichen) Fachrichtungen und deren Methoden, Ansätzen oder Denkrichtungen. Verschiedene Lösungsstrategien werden hier für ein bestmögliches Ergebnis miteinander verknüpft, was zu neuen Denkweisen und Lösungswegen für Problemstellungen führen kann. Gerade zu Zeiten einer beginnenden Vierten Industriellen Revolution lassen sich viele Synergien zwischen einzelnen Fachdisziplinen nutzen.
Abseits der wissenschaftlichen Perspektive lässt sich ein konkretes Beispiel im Berufsbild des Mechatroniker finden. Vor einigen Jahren hat sich dieser aus den jeweiligen Ausbildungsberufen des Schlossers und des Elektrikers, ergänzt durch Steuerungstechnik und Regelungstechnik sowie der Informationstechnik entwickelt.
Aktuell entsteht gerade ein neues Berufsbild durch Verschmelzung des Mechatroniker mit dem Informatiker.

2. Soziale Medien

social media
Social Media Quelle: Fotolia
Social Media, auch soziale Medien genannt, unterscheiden sich von traditionellen Medien wie Fernsehen oder Zeitungen durch die Art der Kommunikation. Diese erfolgt einfach und interaktiv auf digitalem Weg. Die aktuell bekanntesten Beispiele von Social Media Diensten sind Anbieter wie Facebook, Xing oder WhatsApp. Der große Vorteil von sozialen Medien ist die einfache Art des Informationsaustauschs zwischen den Anwendern und mitunter auch Geräten. Auch die deutsche Wirtschaft nutzt dieses Medium verstärkt in ihren internen und externen Prozessen. Social Media unterstützt einen globalen Unternehmensauftritt mit hoher Zugänglichkeit, ermöglicht Multimedialität und größtmögliche Aktualität. Vernetzung, die nötig ist für Industrie 4.0.
Der entscheidende Unterschied zu den übrigen Medien (Zeitung, Funk und Fernsehen) ist die Möglichkeit des Empfängers auf jede Information sofort zu antworten.

3. Mobile Computing

Mobile Computing
Mobile Computing eröffnet nicht nur in der Arbeitswelt neue Wege;
Quelle: Fotolia
Mobile Computing, zu Deutsch mobile Rechnerarbeit, ist genauso wie das neue Internetprotokoll IPv6 eine der Voraussetzungen für Industrie 4.0. Es umfasst die Computerarbeit von Menschen an einem transportablen Gerät und beinhaltet mobile Kommunikation, sowie Hardware und Software. Verwendbare Mobile Computer können unter Anderem Laptops, Tablet-PCs, Smartphones, oder Datenbrillen sein. Der orts- und zeitunabhängige Zugriff auf betriebliche Daten und Anwendungen, der möglichst einfach und intuitiv erfolgen sollte, wird zum Standard für alle Unternehmen werden.

Eingeschränkt wird diese Entwicklung beispielsweise noch von den vergleichsweise niedrigen Übertragungsraten von mobilem Internet, gängigen Sicherheitsstandards, oder dem Energieverbrauch der Geräte, der mit ihrer Akkulaufzeit einher geht.



Datenbrille Google Glass
Datenbrille Google Glass; Quelle: Fotolia
Mobile Computing der nächsten Generation soll mit der Datenbrille von Google Glass beschritten werden. Google Glass ist der Markenname eines am Kopf getragenen Miniaturcomputers. Er ist auf einem Brillenrahmen montiert und blendet Informationen in das Sichtfeld ein (Head-up-Display). Diese Informationen können kombiniert werden mit dem aufgenommenen Bild, das eine in Blickrichtung des Trägers integrierte Digitalkamera live liefert. Dazu können Daten aus dem Internet unmittelbar bezogen und versendet werden.
Mitte Januar 2015 kam es allerdings wegen Problemen zum Verkaufsstopp. Im Projekt Aura, dem Nachfolgeprojekt von Google Glass arbeitet das Entwicklerteam an zwei Varianten, eines mit und eines ohne Bildschirm.



Zur gleichen Zeit entwickelt Microsoft unter dem Namen HoloLens eine Augmented-Reality-Brille. Der Nutzer schaut durch einen transparenten Bildschirm auf dem man zusätzlichzur realen Welt hochauflösende Projektionen sehen kann. HoloLens ist über Gesten, Sprache, Kopf- und Augenbewegung zu steuern.

HoloLensBrille
Microsoft HoloLens
Datenbrille HoloLens: Mit HoloLens verschmilzt die reale Welt mit der virtuellen Welt; Quelle: Microsoft

4. Virtualisierung

virtualisierung
Virtualisierung von Fabrikprozessen;
Quelle: Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft
„Virtualisierung“ ist eine aus der Informatik entlehnte Bezeichnung. Eine virtuelle Ebene wird hier gebildet oder abstrahiert, losgelöst von real existierenden Ressourcen wie Maschinen, die es ermöglicht, vorhandene Ressourcen zu gliedern und für den Anwender transparent zu machen und optimal auszulasten.

Eine bekannte Möglichkeit ist beispielsweise das Ausführen eines Betriebssystems innerhalb eines Anderen. Dieses Prinzip lässt sich auch auf die Fertigung übertragen. Im CNC-Umfeld ist die Virtualisierung der NC-Maschinen zu Simulationszwecken des NC-Programms vielerorts bereits im Einsatz. Virtualisierung kann auch als Echtzeitabbildung realer Fabrikprozesse im virtuellen Raum verstanden werden.

5. Smarte Objekte

Smarte Objekte können z.B. Verpackungen, Gegenstände oder Werkstücke sein, die mit einem digitalen Gedächtnis in Form eines Datenspeichers ausgestattet sind. Dadurch wird die digitale Welt mit der physischen verknüpft. Voraussetzung dafür ist die eindeutige Identifizierbarkeit dieser Objekte. Dies geschieht z.B. mit Hilfe von Barcodes, RFID, NFC, bzw. iBeacon die von Scannern und Computern erfasst werden.

RFID Transponder
RFID Transponder; Quelle: Fotolia
RFID (engl. radio-frequency identification) bezeichnet eine Technologie für Sender-Empfänger-Systeme zum automatischen und berührungslosen Identifizieren und Lokalisieren von Objekten mit Radiowellen. Ein RFID-System besteht aus einem Transponder, der sich am oder im Gegenstand befindet und einen kennzeichnenden Code enthält, sowie einem Lesegerät zum Auslesen dieser Kennung.

Bildhaft ausgedrückt weiß der „intelligente“ Joghurtbecher von morgen, ob er mit Erdbeer- oder Haselnussjoghurt gefüllt werden muss.


Smartphone mit NFC App
Smartphone mit NFC App und Empfänger; Quelle: Fotolia
NFC (Near Field Communication) Nahfeldkommunikation ist ein auf der RFID Technologie basierender internationaler Übertragungsstandard zum kontaktlosen Austausch von Daten per Funktechnik über kurze Strecken.

Mittlerweile können mit Hilfe von Smartphones und dessen NFC-Funktionalität bei verschiedenen Auto Herstellern die Autotüren entriegelt und persönliche Einstellungen am Sitz vorgenommen werden.



iBeacon ist ein von Apple Inc. eingeführter, proprietärer Standard für Navigation in geschlossenen Räumen, basierend auf Bluetooth. Dazu werden im Raum kleine Sender (Beacons) als Signalgeber platziert, die in festen Zeitintervallen Signale senden. Kommt ein Empfänger (z.B. Smartphone-App) in die Reichweite eines Senders, kann der Sender lokalisiert und Aktionen ausgelöst werden.
Beispiel: In einem Museum ist bei jeder Sehenswürdigkeit ein Beacon angebracht. Kommt der Besucher mit seinem Smartphone in die Nähe des Beacon beginnt die App mit der Erklärung der Sehenswürdigkeit.

6. Big Data

Big Data
Big Data ohne Mustererkennung ist wertlos;
Quelle: Fotolia
Die Datenhaltung wächst aufgrund der technischen Entwicklung und der des Internets, da es immer leichter wird, große Datenmengen zu sammeln, zu speichern und zu analysieren. Big Data bezeichnet dieses weltweit vorhandene Datenvolumen, das sich mit steigender Geschwindigkeit vervielfältigt und aus analogen sowie digitalen Quellen stammt. Laut Gartner-IT-Glossary entsteht eine Big Data Situation erst dann, wenn einer der drei folgenden Begriffe zu groß wird für Relationale-Datenbank-Systeme:
  • Volumen der Daten
  • Geschwindigkeit der Daten
  • Unterschiedlichkeit der Daten

Big Data ist erst mal nur eine Sammlung von dummen Rohdaten. Der Mehrwert von Big Data für die Fertigung entsteht erst dann, wenn diese Rohdaten durch Heuristiken bzw. Mustererkennung veredelt werden. Das führt zu neuartiger Erkenntnisgewinnung die zum automatisieren, visualisieren und analysieren der Prozesse verwendet werden kann. (siehe hierzu nächsten Punkt: Analyse, Optimierung und Vorhersage)

7. Analyse, Optimierung und Vorhersage

Muster in Rohdaten
Muster in Rohdaten; Quelle: istockphoto.com
Das Volumen der Daten, die Geschwindigkeit der Daten und die Unterschiedlichkeit der Daten streben einem Höchstwert zu. (In Anlehnung an den 2. Hauptsatz der Thermodynamik). Deshalb wird es immer wichtiger, diese zu quantifizieren und zu analysieren.

Durch statistische Methoden lassen sich aus bloßen Daten Informationen gewinnen. Das Herausfiltern einzelner wichtiger Informationen aus einer großen Datenmenge wird auch als „Data Mining“ oder Mustererkennung bezeichnet.




Mit Hilfe von Musterkennungssoftware werden Daten zu Informationen. Werden die Informationen mit Wissen kombiniert kann man Ereignisse vorhersagen.Profitieren kann man davon allerdings erst, wenn man seine Erfahrung mit einbringt:

datenveredelung
Die vier Stufen der Datenveredelung; Quelle: JH


Übrigens: Der Beginn des Sammelns und Auswerten von Daten reicht sehr weit zurück. Die Bauernregeln sind so entstanden. Bauern waren schon immer besonders abhängig vom Wetter und haben es deshalb genau beobachtet. Dabei fielen ihnen gewisse Regelmäßigkeiten auf, etwa in den Wetterabläufen oder in der Entwicklung von Obst und Getreide. Diese Mustererkennung ermöglichte den Bauern Ihrer Ernte zu verbessern.

8. Internet der Dinge

Das Internet hat sich vom Medium zum bloßen Informationsabruf zu einer interaktiven Verknüpfung, sowohl von Menschen, als auch von Maschinen, gewandelt.
Die Erweiterung des vorhandenen Internets zum Internet der Dinge ist die technische Vorstellung, Objekte jeglicher Art in ein universales digitales Netzwerk einzubinden. Hierzu werden diesen eigene „Identitäten“ zugeordnet, die wiederrum miteinander verbunden werden. Dadurch wird eine universale Kommunikation, sowohl unter den Objekten als auch mit deren Umgebung ermöglicht. So verschmilzt die physische Welt der Dinge nahtlos mit der virtuellen Welt der Daten. Ein mögliches Zukunftsszenario im Internet der Dinge ist, dass jedes verbaute Verschleißteil eine eigene IP besitzt und mit dem Internet verbunden ist. Einmal in Gebrauch, bleibt somit jedes Teil über das Internet lebenslang mit den Wartungseinheiten verbunden.

Die größte Herausforderung für das Internet der Dinge stellt ein einheitlicher Kommunikationsstandard zwischen den Systemen dar.

IP-Adressen
Verteilung der IP-Adressen über die Erdoberfläche im Jahre 2012;
Quelle: internetcensus2012.bitbucket.org/paper.html
Aktuell gehen dem Internet allerdings die Adressen aus: Mit "nur" 4,3 Milliarden möglichen IP-Adressen reicht das zurzeit verwendete Internetprotokoll IPv4 für die weltweit wachsende Zahl der Internetnutzer nicht mehr aus. Abhilfe schafft das neue Internetprotokoll IPv6, mit dem bis zu 340 Sextillionen IP-Adressen möglich sind. Das ist eine unglaublich große Zahl mit 39 Stellen:

340 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Damit wird es möglich jedem Quadratmillimeter auf der Erdoberfläche eine eigene IP-Adresse zuzuweisen.



Das Internetprotokoll IPv6 ist eine der Voraussetzungen für die weltweite und systemübergreifende Vernetzung von Menschen, Anlagen und Produkten mit selbständiger und dezentraler Organisation und Steuerung von Produktionseinheiten.

Das Internet der Dinge als Evolution des Internets
Das Internet der Dinge als Evolution des Internets; Quelle: MR

9. Internet der Dienste

Hierbei handelt es sich um einen Teil des Internets, der Dienste und Funktionalitäten als webbasierte Dienstleistung anbietet. Provider stellen diese im Internet zur Verfügung und bieten die Nutzung auf Anforderung an.
Über Internetdiensttechnologien sind die einzelnen Softwarebausteine beziehungsweise Dienstleistungen miteinander integrierbar. Unternehmen können die einzelnen Softwarekomponenten zu komplexen und dennoch flexiblen Lösungen orchestrieren.

Als einfaches Beispiel kann hier der Pizzaservice dienen der per Handy-App bestellt wird: pizza app

Folgendes Zukunftsbild beschreibt das Zusammenspiel von Internet der Dinge und der Dienste:

a) Internet der Dinge
Zukünftig sind alle Fahrzeuge automatisch mit dem Internet verbunden und melden sämtliche Betriebsdaten in eine Cloud-Datenbank. Zu den Betriebsdaten zählen z.B. der Betriebszustand des Scheibenwischermotors (aus, ein, Intervall, schnell)

b) Internet der Dienste
Softwaredienstleister die keinerlei Ahnung von Meteorologie haben, machen daraus den besten regionalen Wetterbericht denn es ja gab. Das Ergebnis wird mit ziemlicher Sicherheit genauer, billiger und besser sein als bisherige lokale Wettervorhersagen. Natürlich wird es dann auch Spaßvögel geben, die einen Flashmob organisieren, damit gleichzeitig mehrere Hundert Autofahrer bei strahlendem Sonnenschein den Scheibenwischer einschalten. Mustererkennungs-Software muss folglich auch in der Lage Sinn die Richtigkeit der Rohdaten zu verifizieren.

c) Neue Geschäftsmodelle
Daraus entstehen neue Geschäftsmodelle die wiederum als Katalysator für das Internet der Dinge und Dienste wirken.

neue geschaeftsmodelle

Neue Geschäftsmodelle durch Wechselwirkungen von Internet der Dinge und Dienste; Quelle: JH

10. Assistenzsysteme

Ständige erweiterte Technologien, Maschinen, Anlagen, Prozesse und Verfahren haben die letzten Jahrzehnte folgende Steigerung des Herausforderungsgrades mit sich gebracht:

 herausforderungsgrad

Steigerung des Herausforderungsgrades und zwei Methoden zur Reduzierung; Quelle: JH

Der oben dargestellte linear steigende Herausforderungsgrad hat einen entscheidenden Bruch zwischen kompliziert und komplex:

Komplizierte Probleme sind vorhersehbar, beherrschbar und automatisierbar, wenn man genug Wissen darüber hat. Komplizierte Probleme kann man berechnen und sie können somit ohne den Menschen, alleine durch IT gelöst werden. Als Beispiel können zwei Schachcomputer dienen, die problemlos gegeneinander antreten können.

Komplexe Probleme sind nicht vorhersehbar, nur beobachtbar.
Komplexe Probleme sind zwar beeinflussbar, aber ohne die Folgen vorherzusehen, also nicht beherrschbar. Exakte Planung für ein komplexes System ist de facto pure Illusion!
Komplexe Probleme kann man deshalb auch nicht berechnen! Als Beispiel kann ein Fußballspiel dienen. Wenn man 0:1 zurückliegt, kann man zwar das System beeinflussen indem man einen weiteren Stürmer einwechselt, aber ohne die Folgen vorherzusehen.

LEAN und INDUSTRIE 4.0 nutzen deshalb unterschiedliche Stoßrichtungen um der ständig wachsenden Herausforderung Herr zu werden.

LEAN verwendet Methoden und Verfahrensweisen zur effizienten und einfachen Gestaltung von Arbeitsprozessen. D.h. LEAN lässt konsequenterweise die Steigerung der Herausforderung für den Menschen nicht zu. Bei den heute vorliegenden Hochleistungsprozessen stoßen jedoch sowohl der Lean Lösungsansatz als auch der Mensch immer häufiger an ihre Grenzen:

lean40

Grenze für Lean und Mensch; Quelle: JH

Umso wichtiger ist es, dass zuerst alle verfügbaren LEAN Methoden erfolgreich umgesetzt wurden. Darauf aufbauend können nun Bausteine von INDUSTRIE 4.0 zum Einsatz kommen.

INDUSTRIE 4.0 lässt die steigende Komplexität vollständig zu und reduziert durch Assistenzsysteme die "wirkende", beim Menschen "ankommende" Komplexität auf ein beherrschbares Maß.

Assistenzsysteme sind in der Lage folgende positiven Wirkungen zu erzeugen:
a. Assistenzsysteme verbessern die Ergebnisse
Als Metapher kann der Bremsassistent im Auto dienen, der den Bremsweg und das Spurhalten beim Bremsen verbessert.

b. Assistenzsysteme fördern den Kompetenzaufbau des Anwenders
Als Metapher kann das Navigationssystem im Auto dienen, das ortsfremden Fahrern die Fähigkeit ermöglicht, in fremden Städten zu navigieren.

c. Assistenzsysteme ermöglichen das ansonsten Unmögliche
Als Metapher kann ein modernes Kampfflugzeug dienen, das ohne Assistenzsysteme unmöglich vom Piloten alleine geflogen werden kann.

Ein modernes Assistenzsystem im Sinne von INDUSTRIE 4.0 arbeitet zusätzlich auch als MES (Manufacturing Execution System). Es fungiert zum einen als Bindeglied zwischen dem ERP-System und dem Shopfloor (vertikale Integration) und zum anderen als Bindeglied zwischen den einzelnen den Fertigungsprozess ausführenden Einheiten im Shopfloor (horizontale Integration).

vernetzung

IT-Pyramide von Industrie 3.0; Quelle: JH

Mit Hilfe des INDUSTRIE 4.0 Bausteines "Assistenzsystem" wird es in Zukunft möglich sein, eine beherrschbare Prozesskomplexität ohne Abstriche in der Prozessleistung und Prozessrobustheit zu managen. Intelligente, browserfähige Assistenzsysteme mit integriertem "Mulitdolmetscher“ wirken größtenteils im Verborgenen und haben Zugriff auf alle Maschinen, Anlagen und Softwaresysteme, wobei das Internet bzw. Intranet als Kommunikationsmedium fungiert. So wird Echtzeit-Kommunikation in der Produktion von einer Vision zur Realität.

Assistenzsysteme arbeiten also nicht losgelöst vom Menschen, sondern assistieren dem Menschen, der dadurch seine Arbeit perfektionieren kann. Als Beispiel kann hier die zerspanende Fertigung der Maschinenfabrik Reinhausen genannt werden. Das System arbeitet mit den Techniken des Internets ist allerdings auf das firmeninterne Intranet reduziert und in einem eigenen Maschinen-Netzwerk vom Office-Netzwerk getrennt und somit vor den virtuellen Gefahren geschützt.

MR Spinne VF animiert mit Beschriftung 01
I4.0-Assistenzsystem für die digitale Fertigung; Quelle: MR ValueFacturing®

industrie 4 0 award 2013Dieses Assistenzsystem der Maschinenfabrik Reinhausen wurde 2013 mit dem ersten vergebenen INDUSTRIE 4.0 Award ausgezeichnet.


Das begründet sich wie folgt:
  • Das Assistenzsystem ermöglicht die horizontale und vertikale Vernetzung.
  • Das Assistenzsystem ermöglicht das Internet der Dinge; aktuell im Einsatz im Intranet der Dinge.
  • Das Assistenzsystem ist eine 100% Web-Lösung und ist Cloud-fähig.
  • Das Assistenzsystem sammelt im Sekundentakt Rohdaten aus der Fertigung im Sinne von Big Data.
  • Das Assistenzsystem wertet diese Rohdaten durch Mustererkennung (z.B. NC- Fertigungsstabilität) aus.
  • Das Assistenzsystem generiert automatisch durch Datenanreicherung neue fehlende Daten.
  • Das Assistenzsystem ermöglicht die Digitalisierung durch Zerlegung eines Fertigungsauftrages in Arbeitsgänge / Aktivitäten / Schritte
  • Das Assistenzsystem begleitet jeden einzelnen Schritt digital und ermöglicht so die papierlose CAM Fertigung.

Industrie 4.0 wird in Fachkreisen gelegentlich ausschließlich auf dezentrale Komponenten reduziert. Das dieser ausschließliche Ansatz irrt, lässt sich mathematisch belegen. Damit aus der digitalen Fertigung die digitale Fabrik entstehen kann, muss es innerhalb dieser sinnvollen Dezentralität immer wieder zentrale Leuchttürme im Sinne von Hubs (z.B. für Wareneingang, Fertigung, Montage, Warenausgang, etc.) geben, ansonsten explodiert die Bandbreite der Schnittstellen. Der große Zusammenhang kann durch ein Meta-Assistenzsystem hergestellt werden, welches das ERP-System zurückdrängen wird:

 Die Digitale Fabrik

Von der digitalen Fertigung zur digitalen Fabrik; Quelle: Fotolia & JH

Assistenz geht der Autonomie voraus und befähigt den Menschen zu besseren Entscheidungen. Selbst bei zukünftig vollständig autonomen Systemen (z.B. selbstfahrendes Auto) ermöglicht ein Assistenzsystem dem Menschen zahlreiche Einflussmöglichkeiten.

Besonders faszinierend an Industrie 4.0 finde ich
- Assistenzsysteme die dem Menschen assistieren und
- autonome Systeme die den Menschen ersetzen (z.B. als Autofahrer) und
- die Freiheit für den Menschen über die Sinnhaftigkeit nach Belieben wählen und entscheiden zu können.

Assistenz versus Autonomie


11. Cyber-Physical Systems

Cyber-Physical-System, Assistenzsysteme und der Mensch im Dialog
Cyber-Physical-System, Assistenzsysteme und der Mensch
im Dialog.
Quelle: Fotolia & JH
Unter CPS (Cyber-Physical Systems, auch cyber-physische Systeme genannt), versteht man Objekte die sich entlang der Produktionslinien bewegen und sich selbst steuern. Dazu werden sie digitalisiert und erhalten eigene Datenspeicher um Informationen mit sich zu führen. Zusätzlich zum Datenspeicher kann es sinnvoll sein "embedded Software" mit sich zuführen um eigene Entscheidungen treffen zu können.

Intelligente industrielle Assistenzsysteme mit Direktzugriff auf alle Anlagen und integriertem „Multi-Dolmetscher“ ermöglichen dem Menschen als Entscheider die Point to Point Kommunikation der cyber-physischen Systeme zu beeinflussen. Dies gibt Raum für eine völlig neue Planung von Fertigungsanlagen. Als Kommunikationsmedium wird das Internet bzw. das Intranet verwendet.

Unter CPS versteht man auch industrielle Anwendungen die dadurch Nutzen erzeugen, dass sie Daten, die in verschiedenen Teilsystemen entstehen auf einer höheren Ebene intelligent zu Informationen verdichten, die wiederum Aktionen auslösen können.
Dazu benötigen sie einen Sensor und einen Aktor. (Beispiel aus der Haustechnik: Ein Windsensor misst und meldet die Windstärke. Bei Überschreitung eines definierten Wertes fährt der Aktor automatisch die Markise ein.)

Das Fraunhofer IIS definiert CPS im engeren Sinne wie folgt:
„Bei 'Cyber-Physical Systems' handelt es sich um verteilte, miteinander vernetzte und in Echtzeit kommunizierende, eingebettete Systeme, welche mittels Sensoren die Prozesse der realen, physischen Welt überwachen und durch Aktuatoren steuernd bzw. regulierend auf diese Einwirken. Sie zeichnen sich zudem häufig durch eine hohe Adaptabilität und die Fähigkeit zur Bewältigung komplexer Datenstrukturen aus.“
CPS in industriellen Umgebungen – KME-Studie zu Bedarfen und Lösungsansätzen in der bayerischen Metall- und Elektroindustrie. Quelle: Fraunhofer IIS.

"Das intelligente Werkstück navigiert selbstständig durch die Supply-Chain und steuert seine Anwendung selbst." Der Rohling, also das entstehende Produkt selbst, sagt was zu tun ist. – Dies ist nur ein Anwendungsszenario von CPS und ob sich diese Technologie im Umfeld der CNC-Maschinen durchsetzt, ist noch ausstehend. Ein wesentlich realistischerer CPS-Anwendungsfall im Umfeld der CNC-Maschine ist z.B. der intelligente Spänebehälter, der mittels Kameratechnik seinen Füllstand überwacht und selbstständig die Entsorgung organisiert.

Als Basistechnologie für CPS ist ein Assistenzsystem in Form einer Datendrehscheibe und Datenpumpe notwendig. Ansonsten navigiert das intelligente Werkstück zwar selbständig durch die Fertigung, aber ohne ausreichende Führung und Einflussmöglichkeiten durch den Menschen.

In der Fachliteratur zu CPS werden folgende grundsätzliche Funktionen beschrieben:

FunktionBeschreibung
Integration Integration von physischer („physical“) und virtueller („Cyber“) Welt (unternehmensintern/-übergreifend), schließt Identifikation mit ein.
Sensorik Erfassung der Realität mit Sensoren (z.B. Temperatur, Druck, Ort) als Basis für die Prozessüberwachung.
Daten- und Informations-verarbeitung CPS verfügen über die technischen Voraussetzungen, Daten und Informationen zu verarbeiten. Mikrocontroller oder Mikroprozessoren sind damit Bestandteil eines Cyber-Physischen Systems.
Steuerung und Kontrolle CPS verfügen über eigene „Intelligenz“ und können autonom, Regel-basiert, Entscheidungen treffen.
Vernetzung CPS verfügen über die Möglichkeit, mit anderen Cyber-Physischen Systeme, mit vorhandenen IT-Systemen und mit dem Menschen zu kommunizieren.
Aktuatorik CPS können auch über Aktuatoren (z.B. akustische, optische Signale, Mechatronik) verfügen und Prozesse aktiv und physisch beeinflussen.
Anpassungsfähigkeit CPS können das eigene Verhalten in Abhängigkeit vom aktuellen Kontext und auf Basis von gelerntem Wissen anpassen.


12. Smart Factory

Smart Factory
Smart Factory Quelle: Fotolia
Die Vorstellung der „Smart Factory“ verwirklicht ein neues Verständnis der Internetnutzung für die Produktion. Die „Smart Factory“ bezeichnet den Wandel zu einer widerstandsfähigeren (resilienten) Fabrik, in der Mensch, Maschine und Bauteil kommunizieren und nur das gefertigt wird, was tatsächlich benötigt wird. Der Fertigungsprozess verläuft hier dezentral, wird also durch die herzustellenden Produkte selbst gelenkt (Cyber-Physical-Systems). Die Roh- und Halbfertigerzeugnisse, sowie Produkte einer Fertigung sind nun intelligente und vernetzte Informationsträger, die mit ihrer Umgebung, Menschen und Anlagen kommunizieren.

Menschen, Maschinen und Ressourcen eines Unternehmens sind hier in ein Netzwerk integriert und arbeiten Hand in Hand. Mit Hilfe von "Assistenzsystemen" wird es in Zukunft möglich sein, eine beherrschbare Prozesskomplexität ohne Abstriche in der Prozessleistung und Prozessrobustheit zu managen.
In der „Smart Factory“ wird dank der Echtzeitsteuerung durch das Internet der Dinge eine bessere Energie- und Ressourceneffizienz und eine höhere Produktivität realisiert, was immense Vorteile sind, die Industrie 4.0 den Unternehmen bietet.