Was ist Industrie 4.0? Smarte Technologien für die Zukunft

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Das Leben von morgen wird smart. Industrie 4.0 wird unseren Alltag grundlegend verändern. Schon heute wird intelligente Technologie vielfältig eingesetzt - und das nicht nur in der Fabrik.

Was haben Dampfmaschine, Fließband und Computer gemeinsam? Sie alle waren Auslöser industrieller Revolutionen. Innerhalb von nur knapp 350 Jahren haben sie nicht nur technische Standards ausgebaut, sondern auch massiv zur Weiterentwicklung unserer Gesellschaft beigetragen. Im Moment stehen wir erneut vor umfangreichen Veränderungen. Viele Aspekte von Industrie 4.0 sind längst keine Zukunftsmusik mehr. Schon jetzt können smarte Maschinen vernetzt werden und miteinander kommunizieren. Die umfangreiche Verzahnung von Produktion und Informationstechnik verspricht eine bisher nie da gewesene Individualisierung, Effizienz und Flexibilität im industriellen Umfeld. Der Wandel ist aber noch nicht überall angekommen.

Auf welchen technischen Grundlagen basiert Industrie 4.0?

Das Internet der Dinge ist für die Realisierung von Industrie 4.0von zentraler Bedeutung. Der Begriff „Internet of Things“ (kurz IoT) wurde erstmal 1999 von Kevin Ashton, einem britischen Erfinder und Technologen gebraucht. Er beschreibt die intelligente Vernetzung verschiedener Gegenstände untereinander und nach außen hin mit dem Internet. Die Erfindung von GPS und die Entwicklung energieeffizienter, kostengünstiger und leistungsstarker Betriebssysteme galten Ashton als wichtige Meilensteine. Im Internet of Things werden klassische Computer durch smarte Geräte ersetzt. Diese sind mit Prozessoren und intelligenten Sensoren ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, im IP-Netz zu kommunizieren.

Die Identifikation einzelner Geräte erfolgt dabei jeweils über eine eigene Internetadresse. Smarte Objekte dienen als Schnittstelle zwischen der virtuellen und der realen Welt. In vielen Bereichen wird der Mensch als Anwender überflüssig gemacht. Die so genannte Machine-to-Human-Communication, also die Art und Weise der Interaktion zwischen Mensch und Maschine, könnte sich deshalb wesentlich verändern. Waren Computer im 20. Jahrhundert lediglich Rechenzentren ohne Sinnesorgane und darauf angewiesen, dass ein Mensch sie bediente, sind smarte Geräte in der Zukunft fähig, eigenständig zu denken, mithilfe entsprechender Sensoren zu fühlen und Entscheidungen zu treffen. Zurzeit sind große Teile des Internet of Things noch in Entwicklung. In den nächsten Jahren wird es wahrscheinlich vor allem um die Optimierung bidirektionaler Kommunikationsstandards gehen, beispielsweise um WLAN und Bluetooth.

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Application Programming Interfaces - eine Sache mit Zukunft

Ebenso dürften im Rahmen von Industrie 4.0 künftig so genannte Embedded Systems eine größere Rolle spielen. Der Begriff „Eingebettete Systeme“ bezeichnet Computersysteme, die in Anlagen und Maschinen eingebaut sind. Im Gegensatz zu klassischen Peripheriegeräten, wie zum Beispiel Maus und Tastatur, fungieren sie als Spezialperipherie. Sie verfügen über funktionelle Tasten oder Drehschalter und können dazu beitragen, verschiedenste Anwendungen mit minimalem Hard- und Softwareaufwand zu konzipieren. Schon heute werden viele Embedded Systems, etwa als Autopilot in Flugzeugen, als ABS in Kraftfahrzeugen oder bei der Prozessregelung, serienmäßig eingesetzt.

Ein weiterer Fokus wird in Zukunft auf dem so genannten API Management liegen. API steht für „Application Programming Interfaces“. Der Forschungsbereich beschäftigt sich mit Schnittstellen zur Anwendungsprogrammierung. Als Schnittstelle fungieren zum Beispiel Betriebssysteme zwischen Programmen und Softwaresystemen. Sie ermöglichen den Austausch und die Weiterverarbeitung von Daten zwischen verschiedenen Websites, Programmen oder Content-Anbietern. Dadurch machen sie Dritten bislang verschlossene Datenpools und Nutzergruppen zugänglich. Mithilfe des YouTube API suchen Nutzer beispielsweise bestimmte Videos mit vorab ausgewählten Parametern und erhalten eine Antwort in Form einer XML-Datei. Diese kann anschließend für die eigene Homepage verwendet werden.

Embedded Systems und API Management könnten die Interoperabilität, also den Austausch und die Wiederverwendung von Systeminformation, in Zeiten von Industrie 4.0 wesentlich maximieren. Durch die Einbringung von Kommunikationsstandards oder die Festlegung konsistenter Grundstrukturen für individuelle Systeme können sie plattformübergreifende Kommunikation ermöglichen und Information für den Endnutzer zur Verfügung stellen.

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Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik

Die Fabrik von morgen nennt man Smart Factory. Produktions- und Lagersysteme sind eng miteinander vernetzt. Dadurch wird ein hohes Optimierungspotenzial in Aussicht gestellt. Neigt sich etwa der Vorrat an Einsatzteilen zum Ende, können Produktionsroboter selbstständig neue Einheiten aus dem Lager beordern oder gleich Nachschub beim Hersteller in Auftrag geben. Jedes Produkt und jede Maschine verfügt dazu standardmäßig über einen eingebauten Sensor. Dieses so genannte Smart Tag bildet gewissermaßen das Gedächtnis der Anlage und sendet regelmäßig Produktions- und Produktdaten an die Cloud. So können Fortschritt, Stückzahl und Qualität bequem überwacht, kontrolliert und dezentral gesteuert werden.

Auf Smart Tags können außerdem individuelle Produktgestaltungsmerkmale gespeichert werden. Die Maschine greift dann auf entsprechende Baupläne zurück und stellt das Einzelstück her. Dort, wo noch Mitarbeiter zur Fertigung eingesetzt werden müssen, unterstützen intelligente Gadgets und gewährleisten die Individualisierbarkeit von Werkstücken. Die Smart Factory wird damit zu einer rentablen Alternative zur herkömmlichen Massenproduktion.

Was macht Smart Factories erfolgreich?

Wettbewerbsfähigkeit erzielt die Fabrik von morgen durch Flexibilität und Individualität in Produktion und Logistik. Gerade selbstlernende Systeme spielen dabei eine große Rolle. Durch die Analyse von Datensätzen und intelligente Datenverknüpfung können Zusammenhänge erkannt, Rückschlüsse gezogen und Vorhersagen getroffen werden. Das Prinzip basiert auf Forschungsarbeiten in der Mustererkennung. Vergleichbare Software gibt es bereits seit Mitte der 80er Jahre. Heute wird sie vor allem in Form von Empfehlungsdiensten und Anwendungen zur Gesichtserkennung eingesetzt. In Zukunft könnte sie etwa die Aussortierung fehlerhafter Ware revolutionieren.

Eine zentrale Rolle dürfte auch vorausschauende Wartung (so genannte Predictive Maintenance) spielen. Durch den Einsatz von Smart Tags können provisorische Wartungsarbeiten an Produktionsanlagen überflüssig gemacht werden. Selbstständig überwachen die Tags die Beschaffenheit und Funktionstüchtigkeit von Maschinenbauteilen. Sollte es zu einer Beschädigung oder einer Störung kommen, schlägt der Sensor Alarm, verständigt einen Techniker und bestellt etwaige Ersatzteile.

Industrie 4.0 als unternehmerische Gestaltungsaufgabe

Zusehends übernehmen Maschinen handwerkliche Aufgabenfelder. Während in der Herstellung immer weniger Mitarbeiter eingesetzt werden müssen, steigt der Bedarf an Fachkräften mit IT-Kenntnissen stetig. Sie werden für die Arbeit an immer intelligenteren, effizienteren und nachhaltigeren Produktionsabläufen benötigt. Zukünftige Arbeitskräfte fungieren eher als Dirigenten der Wertschöpfungskette. Es wird weniger um spezifische Produktionskenntnisse gehen, als vielmehr um Steuerungs- und Koordinationsaufgaben. Ausgeprägte soziale Kompetenzen sind für die Arbeit in (internationalen) Projektteams unverzichtbar. Interdisziplinäre Fähigkeiten werden ebenso verlangt wie umfangreiche Weiterbildungsmöglichkeiten und ein intensiver Dialog zwischen Industrie und Bildung. Betriebe und Mitarbeiter werden sich auf diese neuen Anforderungen einstellen müssen.

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Zuhause der Zukunft

Neben dem Einsatz smarter Technologie im industriellen Umfeld könnten intelligente Gadgets auch unser Zuhause revolutionieren. So genannte Smart Homes versprechen ihren Bewohnern eine hohe Wirtschaftlichkeit, ausgeprägten Komfort und effiziente Sicherheitstechnik. Durch intelligente Energie- und Wassernutzung, Beleuchtung und Alarmsysteme sollen Kosten und Zeit gespart und Sicherheitsstandards erhöht werden. Im Smart Home kommunizieren und interagieren Haushalts- und Multimediageräte miteinander, lernen die Nutzergewohnheiten des Anwenders kennen und passen sich selbstständig an diese an. Smarte Objekte werden entweder endgerätelos mit Gesten- und Sprachsteuerung bedient oder können zentral durch ein Smartphone oder Tablet verwaltet werden, das mithilfe von Bluetooth und WLAN kommuniziert.

Momentan verfügen bereits 30 % der Deutschen über Komponenten von Smart Homes. Haushaltsgeräte, etwa Waschmaschinen, sind von außerhalb des Hauses bedienbar und können so eingestellt werden, dass sie genau dann fertig sind, wenn der Anwender nachhause kommt. Bewegungsmelder und Sicherheitsleuchten erkennen unbefugten Zutritt zum Haus, Überwachungskameras lassen sich live vom Handy aus bedienen. Eine Vielzahl von Sensoren für Helligkeit, Bewegung, Schall, Feuchtigkeit und dergleichen macht Wohnen ganz im Sinne von Industrie 4.0 angenehmer.

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Auch das Verkehrswesen wird durch Industrie 4.0 stark beeinflusst. Smart Mobility basiert auf selbstfahrenden Autos und intelligenten, nachhaltigen Mobilitätskonzepten. Die Erreichbarkeit von Zielen zum Klimaschutz könnte durch sie in greifbare Nähe rücken. Mit nachhaltiger Planung von Straßen, Parkplätzen und Straßenbeleuchtungen würde Verkehr nicht nur schneller, sondern auch deutlich entspannter vonstattengehen. Etwa der Einsatz innovativer Lastenräder statt Autos, der Bau von Brücken zur Entlastung stark befahrener Straßen, Car- und Bikesharing-Angebote und intelligente Systeme für Stauwarnung könnten dazu beitragen, diese Zukunftsversion Wirklichkeit werden zu lassen. Schon heute helfen in vielen Städten Sensoren für Verkehrsaufkommen, Schallbelastung, Schadstoffausstoß und Vibrationsmessung, das Verkehrswesen sicherer, sauberer und erträglicher zu gestalten.

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Auch „Smart Healthcare“ könnte in Zukunft wesentlich zur Verbesserung des allgemeinen Lebensstandards beitragen. Im intelligenten Gesundheitssystem von morgen sind Arztpraxen, Krankenhäuser, Apotheken, Krankenkassen und dergleichen miteinander vernetzt. So sollen die Diagnose und die Behandlung von Patienten beschleunigt und verbessert werden. Die Medizintechnik könnte vorangetrieben und ins digitale Zeitalter gebracht werden.

Elektronische Patientenakten, der serienmäßige Einsatz von Tablet-PCs in Krankenhäusern und Telemedizin, also die Diagnostik über eine räumliche Distanz, sind nur einige der denkbaren Anwendungsmöglichkeiten. Durch die Senkung von Kosten, beispielsweise durch papierlose Prozesse, könnte mehr Zeit für Diagnostik und eine gezieltere Behandlung freigemacht werden.

Um diese Visionen tatsächlich umsetzen zu können, müssen in den nächsten Jahren jedoch zunächst international einheitliche technische Standards ermittelt und festgelegt werden. Es ist dabei von zentraler Bedeutung, die Datensicherheit sensibler Patientendaten gewährleisten zu können. Es muss nachvollziehbar bleiben, welche Daten gesammelt und zu welchen Zwecken sie verwendet werden. Ebenso ist es gerade im Bereich Smart Healthcare wichtig, die eingesetzten intelligenten Technologien nutzerfreundlich zu gestalten. Auch älteren oder sonstigen technisch nicht versierten Patienten muss es möglich sein, verschiedenste Geräte zu bedienen und einen Überblick über die eigene Krankenakte zu behalten.

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Die Vermessung des Selbst

Smart Healthcare eignet sich zuletzt auch für den Einsatz so genannter „Quantified Self Technologien“. Diese Hard- und Softwareanwendungen zeichnen personenbezogene Daten auf und stellen persönliche, gesundheitliche, sportliche und gewohnheitsspezifische Verhaltensmuster fest. Heute werden Quantified Self Technologien vor allem in Form von Fitness-Apps eingesetzt, mit denen man etwa die eigene Herzfrequenz, den Blutdruck oder andere Parameter messen und sammeln kann. Schon heute verändern entsprechende Technologien den Markt. Mittlerweile nutzen rund 57 % der deutschen Freizeitsportler solche Gadgets.

Der Bauer wird zum Farming Manager

Ein weiteres Anwendungsgebiet für intelligente Technologien im Sinne von Industrie 4.0 ist vor allem für die 60 % der deutschen Bevölkerung interessant, die in ländlichen Gebieten leben. Smart Agriculture oder Smart Farming könnte das Geschäftsmodell im primären Sektor grundlegend verändern. Innovative Landmaschinen, Traktoren und Geräte, nachhaltiges Datenmanagement und intelligente Maschinensteuerung sollen die Landwirtschaft in der Zukunft deutlich effizienter machen.

Schon heute entlasten GPS-Steuerungen, Lenkhilfen und Lenkassistenten in Form von Spurführungssystemen Landwirte beispielsweise bei der Bestellung von Feldern. Etwa durch das Monitoring von Düngemittel- und Pflanzenschutzeinsatz können Ernteerträge maximiert, Pflanzenanbau verbessert und natürliche Ressourcen bestmöglich geschont werden. Einer der größten Entwickler intelligenter Landwirtschaftstechnik ist Next Farming. Dem Landwirt von morgen kommt immer weniger die Rolle des Bewirtschafters zu, vielmehr muss er sämtliche Daten in Echtzeit überwachen und etwaige Schwachstellen im System beseitigen. Er fungiert als Farming Manager.

Wie weit ist die Umsetzung von Industrie 4.0 in Deutschland?

Nach anfänglicher Skepsis schätzen deutsche Betriebe das Potenzial von Industrie 4.0 zunehmend. Auch auf der Hannover Messe 2017 war Industrie 4.0 ein zentrales Thema. 2014 gaben in einer Umfrage des Digitalverbands Bitkom nur etwa 23 % aller Befragten an, Dienstleistungen oder Produkte für Industrie 4.0 anzubieten. 2017 waren es bereits 43 %.

Vor allem in der ITK-Branche nimmt das Thema Fahrt auf. Nur 3 % aller Befragten schätzen, dass Industrie 4.0 für ihr Unternehmen keine Bedeutung hat. Vor drei Jahren lag dieser Wert noch bei 10 %. Viele Anwenderunternehmer und Mittelständler zögern jedoch trotzdem noch, auf den Trend aufzusteigen. Technische Standards, fehlende rechtliche Rahmenbedingungen und hohe Kosten halten sie davon ab, Industrie 4.0 im eigenen Betrieb umzusetzen. Vertreter von Bitkom und der ITK-Branche fordern deshalb eine bessere Finanzierung von Startups und Pilotprojekten, Reformen im Bildungssystem, Anpassungen im AGB- und Datenschutzrecht und den Ausbau des Hochleistungsinternets von der Politik. Nur so könne man die vierte industrielle Revolution tatsächlich wahrwerden lassen.

„Digital Transformer of the Year“

Wie weit ist die digitale Transformation in Deutschland?

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal MaschinenMarkt erschienen.

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