Industrie 4.0 – die vierte industrielle Revolution

IT stattet Fabrikhallen mit IQ aus

| Autor / Redakteur: Thomas Ahlers / Andreas Donner

Labels an jedem Werkstück und die vollständige Vernetzung von Machinen sind das "Internet of Things" und läuten die vierte industrielle Revolution ein.
Labels an jedem Werkstück und die vollständige Vernetzung von Machinen sind das "Internet of Things" und läuten die vierte industrielle Revolution ein. (Bild: Freudenberg IT)

Das Internet der Dinge hält Einzug in die industrielle Produktion – und wird dort die Fertigungssteuerung auf den Kopf stellen. Die Rolle der IT verändert sich damit fundamental, denn durch Vernetzung werden Komponenten, Material und Maschinen intelligent.

Werkstücke steuern künftig autark den eigenen Herstellungsprozess und „wissen“, zu welchem Auftrag sie gehören. Politik und Wirtschaftsverbände sehen im Industrie-4.0-Trend einhellig den entscheidenden Hebel, um die Wettbewerbsposition der deutschen Fertigungsindustrie auf den globalen Märkten dauerhaft zu behaupten.

Industrie 4.0 firmiert oft als vierte industrielle Revolution – daher die Versionsnummer im neuen Schlagwort. Begonnen hat der Aufbruch ins industrielle Zeitalter vor gut 250 Jahren mit der Mechanisierung in Manufakturen, vor allem in Webereien. So richtig auf Touren kam diese erste Phase der industriellen Revolution durch die Verbreitung der Dampfmaschine am Ende des 18. Jahrhunderts. An der Schwelle zum 20. Jahrhundert läutete die großflächige Elektrifizierung die zweite Revolutionsphase der arbeitsteiligen Massenproduktion ein. Der Einsatz von Elektronik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion setzte schließlich in den 60er und 70er Jahren die dritte und bisher letzte Industrierevolution in Gang.

Als Wegbereiter der bevorstehenden Industrie-4.0-Epoche gelten im Wesentlichen zwei Entwicklungen: cyberphysische Systeme (CPS) und das Internet der Dinge. Mit CPS sind im Prinzip beliebige Gegenstände gemeint, die durch einen integrierten oder applizierten Chip über dezentrale Verarbeitungsintelligenz verfügen. Komplett wird das Konzept aber erst durch IP-Vernetzung, da ein CPS nur so mit anderen Systemen kommunizieren kann.

Selbstorganisation statt zentralistischer Planung

Was relativ unspektakulär klingt, hat für die industrielle Fertigung gleichwohl dramatische Folgen: Die bisher zentrale Produktionssteuerung wird weitgehend durch Selbstorganisation ersetzt: Ein Bauteil – etwa das Mantelgehäuse für eine Hochdruckpumpe – kommt per Förderroboter aus der Gießerei zur Nachbearbeitung in die Fabrikhalle. Dort eingetroffen, teilt das Pumpenteil dem Maschinenpark drahtlos seinen Bearbeitungsbedarf mit und stellt via Webservice auch gleich die dafür notwendigen CAD-Daten bereit. Eine freie Fräsmaschine, die für den nächsten Arbeitsgang am besten geeignet ist, meldet ihre Bereitschaft und wird daraufhin vom Förderroboter angefahren. In ähnlicher Weise handeln Bauteile und Komponenten im Industrie-4.0-Szenario auch alle folgenden Montage- und Logistikschritte selbstständig mit Anlagen und Maschinen aus.

Auf den ersten Blick mutet dieses Szenario vergleichsweise chaotisch an – dennoch funktioniert es weitaus stabiler als das heutige zentral gesteuerte Ablaufgefüge. Bei einer Maschinenstörung etwa musste bisher die betroffene Produktionslinie mitunter komplett neu geplant werden – und das kostet Zeit. In der Industrie-4.0-Fabrik hingegen passen sich Prozesse permanent selbst an die gegebene Situation an. Zwischenlager, in denen Material und Teile quasi als Puffer für vorab nicht planbaren Bedarf vorgehalten wurden, sind somit überflüssig. Der Gesamtlagerbestand sinkt – und in gleichem Maß die damit verbundene Kapitalbindung.

Ein anderer Effekt liegt nicht so klar auf der Hand: In der selbstorganisierenden Fabrik lassen sich nämlich extrem kleine Losgrößen bis hin zur individuellen Sonderanfertigung prinzipiell genauso fertigen wie Serien mit hohen Stückzahlen. Die alte Regel, wonach die Produktivität von der Losgröße abhängt, verliert ihre Gültigkeit. Eben diese Individualisierungsmöglichkeit bei weitgehend automatisierten Fertigungsprozessen zählt denn auch zu den erklärten Zielen des 2011 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung initiierten Zukunftsprojekts Industrie 4.0.

Hochgesteckte Erwartungen

Die großen Wirtschaftsverbände ziehen in dieser Hinsicht mit der Bundesregierung am selben Strang. Erst im April haben die Interessenvertretungen der Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) sowie der Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) gemeinsam mit dem Hightech-Verband BITKOM in Frankfurt eine Industrie-4.0-Geschäftsstelle eingerichtet. So sieht auch der BITKOM große Chancen, wenn Maschinenbau, Elektrotechnik und Automobilbau mit der IT-Industrie zusammenkommen.

Viele Unternehmen setzen offenkundig große Erwartungen in die vierte industrielle Revolution: Laut einer aktuellen Umfrage im Auftrag von BITKOM misst jedes dritte der befragten Unternehmen dem Industrie-4.0-Trend bereits heute eine große Bedeutung bei. Beachtung findet das Thema nicht nur bei Schwergewichten wie Siemens und Bosch, sondern ebenso im industriellen Mittelstand: Viele mittelständische Fertigungsbetriebe sind längst unterwegs und haben die Weichen in Richtung Industrie 4.0 gestellt. Das spürt auch die Freudenberg IT, die selbst aus dem produzierenden Gewerbe stammt und mehr als 420 deutsche Fertigungsbetriebe betreut.

Erste Konturen für selbstorganisierende Produktionsprozesse sieht die Freudenberg IT unter anderem bei Automobilzulieferern. Dort zeigt sich, dass man auf ausgereifte cyberphysische Systeme nicht warten muss, um Produktkomponenten wie Maschinen das notwendige Maß an Eigenintelligenz zu verleihen.

In der Praxis speichern beispielsweise aktive RFID-Chips, die am Transportbehälter oder am Werkstück angebracht sind, die bereits zurückgelegten Stationen im Fertigungsprozess. Das Werkstück führt gleichsam Tagebuch und hat stets die eigene Produktionshistorie dabei. Sobald es nun ein Logistik-Gate passiert, wird der RFID-Chip ausgelesen, und das ERP-System erhält eine Meldung über den aktuellen Bearbeitungsstand. Auf diese Weise erreichen Zulieferbetriebe auch bei Komponenten mit hoher Variantenvielfalt schon heute Just-in-Time-Fähigkeit. In der Automobilindustrie erwarten große Hersteller von ihren Zulieferern heute immer öfter genau diese Fähigkeit. Wie in anderen Branchen kommt der Innovationsdruck in der Lieferkette auch hier von oben und setzt sich Schritt für Schritt nach unten fort.

MES, Big Data und die Cloud

Das RFID-Beispiel lässt erkennen, was aus IT-Sicht der Kern von Industrie 4.0 ist – das Manufacturing Execution System (MES), zum Beispiel SAP ME. Denn ein MES schlägt die Brücke zwischen Geschäftsprozessen auf ERP-Ebene und den maschinennahen Steuerungssystemen.

Proprietäre Anlagensteuerungen (die ursprünglich nicht für diese Art der vertikalen Integration konzipiert worden sind) werden dabei über Integrationsschnittstellen in die globale Maschinen- und Betriebsdatenerfassung eingebunden. Sobald das Internet der Dinge in Fabrikhallen an Boden gewinnt, werden überkommene Feldbussysteme zur Anbindung von Messfühlern und Stellgliedern schrittweise verdrängt. Sensoren und Aktoren haben dann jeweils eigene IP-Adressen, sodass eine Maschine abhängig von ihrem aktuellen Zustand per Webservice quasi selbstständig und in Echtzeit reagieren kann – so wie bei der eingangs geschilderten Interaktion zwischen der Fräsmaschine und dem Pumpenteil aus der Gießerei. Als Forderung an die technische Basis des MES ergibt sich daraus zwingend: Es muss sich um eine serviceorientierte Architektur (SOA) handeln.

Thomas Ahlers, Mitglied der Geschäftsleitung.
Thomas Ahlers, Mitglied der Geschäftsleitung. (Bild: Freudenberg IT)

Mit dem Vordringen des Internets der Dinge in produktionsnahe Regionen explodiert die Menge an Status- und Bewegungsdaten. Jedes konventionelle Reporting- und Analyse-Tool ist damit überfordert. Außerdem werden die Analyseergebnisse in der Industrie-4.0-Fabrik nicht erst am nächsten Tag benötigt, sondern sofort. Das aber heißt, dass Fertigungsunternehmen über kurz oder lang an Big Data nicht vorbei kommen. Und weil die wenigsten mittelständischen Fertigungsunternehmen in der Lage sind, neuartige In-Memory-Technologien wie SAP HANA im eigenen Rechenzentrum zu betreiben, ist die Cloud eine unvermeidliche Station auf der Reise in die Industrie 4.0-Epoche.

Über den Autor

Thomas Ahlers ist Mitglied der Geschäftsleitung der Freudenberg IT.

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