IoT-Basics Was bedeutet Industrie 4.0? Definition, Merkmale und Anwendung

Industrie 4.0 – ein Begriff, der in den letzten Jahren so oft gefallen ist, wie kaum ein anderer. Doch was bedeutet Industrie 4.0 eigentlich? In diesem Beitrag erklären wir den Begriff, dessen Merkmale und die Anwendung in der Smart Factory.

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Definition Industrie 4.0

Der Begriff Industrie 4.0 beschreibt die vierte industrielle Revolution mit dem Ziel einer datengesteuerten, KI-gestützten, vernetzten "intelligente Fabrik" (Smart Factory). Die zukünftige Fertigung basiert auf folgenden Kernprinzipien:

• Die allgegenwärtige Vernetzung von Menschen, Maschinen und "Dingen" in physischen und virtuellen Bereichen (das Internet der Dinge - IoT)

• Nutzung von Daten durch Werkzeuge und Systeme, die den Wert der Daten zur Steigerung der Produktionseffizienz und -flexibilität ausnutzen

• Erhöhung der Produktqualität und Verbesserung der Markteinführungsgeschwindigkeit durch virtuelle Tests vor der Produktion

• KI-unterstützte und datengesteuerte Planung, Produktion, Fertigung und Wartung

Einer der Wegbereiter der vierten industriellen Revolution, die Plattform Industrie 4.0, definiert den Begriff als „die intelligente Vernetzung von Maschinen und Abläufen in der Industrie mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechnologie“. Industrie 4.0 meint also die Fusion der Digitalisierung mit traditionellen industriellen Prozessen.

Das Ergebnis sind intelligente Wertschöpfungsketten und Produktlebenszyklen, die bei der Entwicklung beginnen, über die Fertigung, Montage, Produktauslieferung und Instandhaltung gehen und schlussendlich im Recycling münden.

Industrielle Revolutionen als Vorreiter

Die erste industrielle Revolution erstreckte sich von etwa 1760 bis 1840 und wurde durch den Bau von Eisenbahnen und der Erfindung der Dampfmaschine ausgelöst. Sie leitete die Ära der mechanischen Produktion ein.

Die zweite industrielle Revolution begann im späten 19. Jahrhundert und reichte bis ins frühe 20. Jahrhundert. Ihre maßgeblichen Treiber waren die Einführung der Elektrizität und das im Jahr 1913 durch Henry Ford eingeführte Fließband in der Automobilbranche. Dies führte dazu, dass die Produktion fortan deutlich schneller vonstattenging, da sich jeder Mitarbeiter nur noch auf eine Arbeitseinheit konzentrierte.

Die dritte industrielle Revolution begann in den 1960er Jahren und wurde maßgeblich durch die Entwicklung von Halbleitern, Großrechnern (1960er Jahre), Personalcomputern (1970er Jahre und 1980er Jahre) und des Internets (1990er Jahre) geprägt.

Wann hat die Industrie 4.0 begonnen?

Die vierte industrielle Revolution beziehungsweise das Konzept von Industrie 4.0 umfasst im Großen und Ganzen das Zeitalter der Digitalisierung. Der Begriff selbst wurde auf der Hannover Messe 2011 geprägt und als wichtiger Bestandteil in die Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung aufgenommen.

Zwei Jahre später, im April 2013, nahm die vom Digitalverband Bitkom, Zentralverband der Elektroindustrie (ZVEI) und Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) eingerichtete Plattform Industrie 4.0 ihre Arbeit auf. Die Plattform Industrie 4.0 ist das zentrale Netzwerk für nationale und internationale Aktivitäten zur digitalen Transformation in Deutschland. Sie hat das Ziel, die digitale Transformation der Produktion in Deutschland voranzutreiben. Damit soll laut der Plattform die internationale Spitzenposition Deutschlands in der Industrie gesichert und ausgebaut werden.

Die vierte industrielle Revolution wird maßgeblich durch physische sowie digitale Trends geprägt. Klaus Schwab nennt vier konkrete materielle Manifestationen der Industrie 4.0:

• Selbstfahrende Kraftfahrzeuge (PKWs, Lkws, Drohnen, Flugzeuge oder Schiffe)

• 3D-Druck (verwendbar für medizinische Implantate bis hin zu Windturbinen)

• Fortgeschrittene Robotik (vielfältig einsetzbar von der Landwirtschaft bis zur Krankenpflege)

• Neue Materialien (zum Beispiel der Werkstoff Graphen)

Als größten digitalen Megatrend, der die Brücke zwischen der physischen und virtuellen Welt herstellt, nennt er das Internet der Dinge (IoT). Durch die zunehmende Vernetzung von Menschen, Gegenständen und Maschinen mit dem Internet entstehen neue Geschäftsmodelle.

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Merkmale und Bedeutung der Industrie 4.0 für die Zukunft

Im Zentrum der Industrie 4.0 steht die vernetzte, intelligente Fabrik. Das Ziel ist es, eine autonome Produktion zu schaffen, bei der Menschen, Maschinen, Anlagen und Produkte selbstständig miteinander kommunizieren. Damit soll die Produktion flexibler und effizienter gestaltet werden. Zu den Möglichkeiten und Merkmalen der Industrie 4.0 gehören unter anderem:

Industrie 4.0 Merkmale im Überblick

• Flexible Produktion: Zukünftig werden die meisten Produktionsstraßen vor allem modular aufgebaut und sind daher äußerst flexibel. Dies führt dazu, dass die Produktionsstraßen im Optimalfall ein Produkt in vielen verschiedenen und klar spezifizierten Variationen herstellen können. Somit ist es möglich, individuelle Kundenwünsche zu Kosten umzusetzen, die bislang nur in der Massenfertigung möglich waren. Kunden und Produzenten rücken im Rahmen der Industrie 4.0 immer enger zusammen. Durch smarte Produkte können Hersteller die Wünsche und Anforderungen der jeweiligen Zielgruppen viel besser erfassen und somit passgenaue Produkte anfertigen.

• Produktion absichern: Wartungsvorgänge, welche auf der Auswertung von Prozess- und Maschinendaten basieren, können proaktiv durchgeführt werden. Dieses Vorgehen wird Predictive Maintenance (vorausschauende Instandhaltung) genannt.

• Geschwindigkeit: Da sich viele Produkte der heutigen Zeit immer schneller weiterentwickeln oder verändern, muss die Produktion hier entsprechend mithalten können. Um sich permanent verkürzenden Innovations- und Produktzyklen nicht kampflos ergeben zu müssen, ist es notwendig, dass Unternehmen entsprechend flexibel agieren können.

• Optimierte Logistiklösungen: Durch smarte Vernetzung und Digitalisierung im Bereich Logistik können beispielsweise Warenketten von Algorithmen berechnet und optimiert werden. Maschinen und Lager melden selbstständig fehlende Produktionsmittel und auch die Auslieferung der fertigen Produkte erfolgt durch ein smartes und somit schneller agierendes System. Ein erfolgversprechender Schritt auf diesem Weg kann es sein, die jeweiligen Produktionskapazitäten über Firmengrenzen hinweg zu vernetzen. Aufgrund dieser Vernetzung von Produktionen wird es möglich, agil auf schwankende Marktbedingungen oder Auftragslagen zu reagieren. Solche, in ein Ökosystem integrierten, Smart Factories stellen darüber hinaus besonders effiziente Auslastungen sicher, was Kosten senken und eine ressourcenschonendere Produktion fördern kann. Hierzu teilt beispielsweise Firma A eigene freie Kapazitäten mit der voll ausgelasteten Firma B. Nutzt Firma B das Angebot, erweitert sie so nicht nur temporär ihre eigenen Produktionsmittel, sondern ermöglicht Firma A eine bessere Auslastung. Beide Unternehmen können so etwaige Auftragsschwankungen gering halten. Da eine solche auftragsgesteuerte Produktion eine Standardisierung der einzelnen Herstellungsschritte voraussetzt, werden so gleichzeitig die Voraussetzungen für eine automatisierte Auftragskalkulation, -vergabe und schließlich –steuerung geschaffen, was zusätzliche Effizienz bedeutet

• Aktive Ressourcenschonung: Es ist wahrscheinlich, dass bereits im Designprozess der einzelnen Produktgruppen festgelegt wird, in welchem Maße bestimmte Elemente wiederverwendet oder anderweitig eingesetzt werden können.

• Effektive Nutzung aller Daten: Durch Digitalisierung und Vernetzung in der Industrie 4.0 fällt eine enorme Menge an Daten an (Big Data). Diese können nicht nur besser zusammengeführt und ausgewertet werden, sie bieten auch die Möglichkeit ganz neuer Service-Lösungen.

Die Plattform Industrie 4.0 schreibt der vierten industriellen Revolution das Potenzial zu:

• Die Wirtschaftlichkeit der Produktion steigern,

• die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie in Deutschland stärken und

• die Flexibilität der Produktion erhöhen zu können.

Smarte Systeme formen die Industrie 4.0

Sensoren und andere Hilfsmittel werden verwendet, um Gegenstände der materiellen, physischen Welt mit virtuellen Netzwerken zu verknüpfen. Die Grundlage für eine digitale Produktion liegt in intelligenten (smarten) Systemen. Doch was bedeutet „smart“ im konkreten Kontext?

Als „smart“ bezeichnet man eine Verbindung aus gleichermaßen materiellen oder immateriellen Gütern mit digitalen Systemen. Diese wiederum sind vernetzt und in der Lage, intelligent miteinander zu kommunizieren, was am Ende einen Mehrwert für den Anwender darstellt. Hierbei erweitern die Güter ihr ursprüngliches Leistungsspektrum mitunter um ein Vielfaches. Weiterhin kann man zwischen drei terminologischen Spezifizierungen unterscheiden: der Smart Factory, den Smart Products und den Smart Services.

Smart Factory

Was heißt Smart Factory? Der Begriff Smart Factory, oder intelligente Fabrik, bezeichnet im Grunde adaptive Produktionssysteme, die durch Software vernetzt und mit den verschiedenen Wertschöpfungsnetzwerken verbunden sind. Als Betreiber profitiert man vor allem von der extrem zeitnahen Verbreitung und Nutzbarmachung der Daten. Um einen möglichst sicheren und planbaren Austausch von Informationen zwischen den beteiligten Geräten und Diensten zu gewährleisten, sind Netzwerk- und Echtzeitfähigkeit ebenso wie Skalierbarkeit erfolgskritische Faktoren. Auf Basis von dezentraler Intelligenz kann man solche skalierbaren Architekturen in die Lage versetzen, eigene Entscheidungen zu treffen. Neben Fabriken können auch einzelne Produkte intelligent sein.

Smart Factory 2025

So sieht die Fabrik der Zukunft aus

Smart Products und Smart Services

Was sind Smart Products? Bei Smart Products, also intelligenten Produkten, handelt es sich um solche, die flexibel an die Bedürfnisse des Anwenders anpassbar sind und mittels intelligenter Vernetzung ebenfalls mit anderen Systemen in Kontakt treten können. So ermöglichen es diese, beispielsweise Konfigurationsdaten auf einem Bauteil oder einem Modul so zu hinterlegen, dass eine anschließende Inbetriebnahme der Maschine zeitnah möglich wird, da manuelle Maßnahmen zur Einrichtung entfallen. Als Privatanwender kennt man diese Fähigkeit möglicherweise vom selbstständigen Integrieren eines Smart-TVs in die hauseigene Geräteperipherie. Neben Smart Factory und Smart Products bilden Smart Services die dritte Komponente.

Was sind Smart Services? Unter Smart Services versteht man im Allgemeinen ein kombiniertes Angebot aus virtuellen und physischen Dienstleistungen, die dem Kunden so einen Mehrwert bieten. Nicht selten gehen Smart Products mit Smart Services, also intelligenten Dienstleistungen, einher. Diese stellen eine jederzeit flexible Marktausrichtung sicher, was unternehmerische Agilität fördert. Die Grundlage hierfür stellen vernetzte Softwareumgebungen dar, die wiederum in die Services eingebettet sind.

Ein Beispiel ist die Fernüberwachung: Dinge werden mit Sensoren oder RFID-Chips ausgestattet und können somit nachverfolgt werden. Es kann genau nachvollzogen werden, an welchem Punkt der Lieferkette sich das Produkt/der Gegenstand gerade befindet. Dies wird im Bereich der Logistik vielfach angewendet und erhöht die Wettbewerbs- und Organisationsfähigkeit.

experte Industrie 4.0 Umsetzung

Industrie 4.0 lebt vom Datenaustausch - zeitnah und zielgerichtet

RAMI 4.0 als Basismodell der Industrie 4.0

Doch Industrie 4.0 bedeutet eben nicht nur die Weiterentwicklung bestehender Automatisierungskonzepte. Durch die digitale Transformation verändern sich auch die Anforderungen der Anwender an Produktionsmittel. Daher haben die Plattform Industrie 4.0 und der ZVEI das sogenannte Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) ins Leben gerufen.

Hierbei handelt es sich um ein dreidimensionales Modell, das dabei helfen soll, ein gemeinsames Verständnis von Industrie 4.0 zu schaffen: Das Modell führt die wichtigsten Aspekte von Industrie 4.0 in einem Schichten- und Lebenszyklusmodell zusammen.

Die sogenannte Layer-Struktur des Referenzarchitekturmodells Industrie 4.0 beinhaltet:

• Business (Organisation und Geschäftsprozesse)

• Functions (Die Funktionen eines Assets, also verbauten Komponenten oder anderen Vermögenswerten)

• Information (Die notwendigen Daten)

• Communication (Der Zugriff auf Informationen)

• Integration (Übergang von der physischen in die digitale Welt)

• Asset (Das reale Ding in der physischen Welt)

RAMI 4.0

Standardisierung für Industrie 4.0

OPC UA als Kommunikationsstandard

Eine zentrale Herausforderung der Industrie 4.0 liegt darin, einen sicheren, standardisierten und herstellerunabhängigen Daten- und Informationsaustausch zwischen Geräten, Maschinen und Diensten aus verschiedenen Branchen zu ermöglichen. Deshalb hat das RAMI 4.0 bereits 2015 den IEC-62541-Standard OPC UA als einzige Empfehlung für die Umsetzung des Kommunikationslayers gelistet.

Die Abkürzung steht für Open Platform Communications Unified Architecture. Gesammelte Standards verbessern zahlreiche Prozesse im Umfeld der Industrieautomation und der M2M-Kommunikation. Diese serviceorientierte Architektur dient zur Beschreibung von Schnittstellen und Semantik von Daten sowie zum Transport der Daten von Machine-to-Machine.

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Was ist OPC UA? Definition, Architektur und Anwendung

Umsetzungsprobleme halten an

Trotz aller Theorie verläuft die Umsetzung holprig: Die Schwierigkeit für Unternehmen liegt oftmals darin, den Weg der digitalen Transformation zu meistern. Insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) tun sich dabei schwer. Einige Untersuchungen bestätigen, dass die Umsetzung der Trends in Sachen Digitalisierung und Industrie 4.0 derzeit immer noch schleppend voranschreiten.

Eine von Deloitte durchgeführte Studie ergab, dass sich mittelständische Unternehmen nur mäßig für die Herausforderungen von Industrie 4.0 gerüstet fühlen. Neben dem technischen Know-how fehlt es oftmals auch an einer grundlegenden Strategie. Das mittelständische Top-Management bezieht das Thema noch nicht aktiv in die Unternehmensstrategie ein. Daneben fehlen vielfach Indikatoren, Kennzahlen und Maßnahmen für diesen Bereich.

Quellen:

Schulz, Thomas (Hrsg.): Industrie 4.0. Potenziale erkennen und umsetzen. Würzburg 2017.

Schwab, Klaus: Die Vierte Industrielle Revolution. München 2016.

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