Was ist was bei Industrie 4.0?

Bauteile kommunizieren eigenständig mit der Produktionsanlage oder vergeben bei Bedarf selbst den Auftrag für eine Reparatur, fahrerlose Transporter erledigen Logistikaufgaben autonom und Zulieferer, Partner und Kunden sind in Geschäfts- und Wertschöpfungsprozesse eingebunden - die Digitalisierung verändert grundlegend die Art und Weise, wie zukünftig in Deutschland produziert und gearbeitet wird.

Das Stichwort lautet Industrie 4.0. Der Marketingbegriff steht für die vierte industrielle Revolution nach Mechanisierung mit Wasser- und Dampfkraft (Industrie 1.0), Massenfertigung mit Fließbändern und elektrischer Energie (Industrie 2.0) sowie Automatisierung der Produktion mit Elektronik und IT etwa durch die speicherprogrammierbare Steuerung (Industrie 3.0). Bei Industrie 4.0 verzahnt sich die Produktion mit modernster Informations- und Kommunikationstechnik. Wir klären die wichtigsten Begriffe, starten zunächst mit dem Oberbegriff Industrie 4.0, bevor es alphabetisch weitergeht.

Industrie 4.0

Industrie 4.0 ist im Prinzip ein deutscher Marketingbegriff und gilt als "Zukunftsprojekt" der deutschen Bundesregierung; international ist eher vom Industrial Internet of Things (IIOT) die Rede als Ausprägung des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) im industriellen Einsatz. Industrie 4.0 löst die herkömmlichen Produktionsstrukturen ab, die auf zentralen Entscheidungen basieren, und ersetzt sie durch intelligente, selbststeuernde, sensorgestützte und miteinander vernetzte Produktionssysteme. Durch intelligentes Monitoring der Fertigungs-Daten können Unternehmen nahezu in Echtzeit auf veränderte Rahmenbedingungen reagieren und ihre Produktion entsprechend steuern und optimieren.

Industrie 4.0 kombiniert eine flexible Serienproduktion mit der Fertigung individueller Produkte nach Kundenwunsch (Losgröße 1). Ein Beispiel dafür sind personalisierte Sportschuhe etwa von Adidas. Über die digitale Fabrik hinaus werden die Produktions- und Logistikprozesse auch mit Zulieferern und Partnern vernetzt und Datenbestände automatisch synchronisiert. Da externe Unternehmen in die Wertschöpfungsprozesse integriert werden, lässt sich die Produktion noch effizienter gestalten.

Automatisierung

Automatisierung hat zwei Seiten. Sie beschleunigt und optimiert Produktionsprozesse, baut aber gleichzeitig Arbeitsplätze ab, da sie Funktionen des Produktionsprozesses wie Steuerung und Regelung auf künstliche Systeme überträgt. Ein Automat ist eine Maschine, die vorbestimmte Abläufe nach einem festgelegten Plan selbsttätig, sprich automatisch, ausführt. Das kann die Be- und Verarbeitung von Produkten sein, Arbeitsschritte im Lager betreffen oder sich auf Prozesse rund um Entwicklung, Produktionsplanung oder -steuerung beziehen. Abhängig vom Umfang der automatisierten Funktionen spricht man von Teil- oder Vollautomatisierung.

Im Umfeld von Industrie 4.0 ist der Automatisierungsgrad sehr hoch. Zudem erfolgt ein Paradigmenwechsel. Bislang verfolgte Automatisierung meist das Ziel, starre und immer wiederkehrende Produktionsabläufe möglichst vollständig an Maschinen zu übertragen, um die Produktivität zu steigern. Heute geht es darum, Prozesse mit unterschiedlichen Aufgabenstellungen durch flexible Fertigungssysteme vollziehen zu lassen.

Condition Monitoring

Unter Condition Monitoring (Zustandsüberwachung) versteht man die kontinuierliche Erfassung von Maschinenzuständen durch Messung oder Analyse physikalischer Größen wie Temperatur, Geräusch, Vibration etc. über Sensoren. Die Erfassung dient aber nicht nur der laufenden Überwachung und Dokumentation von Parametern, sondern ermöglicht in Industrie-4.0-Szenarien durch eine intelligente Auswertung das frühzeitige Erkennen von möglichen Ausfällen in der Zukunft. So lassen sich etwa Prognosen über die verbleibende Laufzeit bis zur Wartung oder Reparatur von Maschinen(teilen) treffen (siehe Predictive Maintenance)

Cyber Physical Systems (CPS)

Cyber Physical Systems basieren auf der Vernetzung von eingebetteten Systemen (siehe Embedded Systems) in der Automatisierungstechnik und Kommunikationstechnologien. Sie verknüpfen mit Hilfe von Sensoren und Aktuatoren reale (physische) Objekte und Prozesse mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen. Cyber Physical Systems sind vernetzt und autonom, konfigurieren sich selbst und sind erweiterbar (Plug & Produce).

CPS-basierte Automatisierungssysteme stellen relevante Daten und Dienste zur Verfügung und bilden die Basis für die digitale Fabrik (Siehe Smart Factory)

Embedded Systems

Embedded Systems oder Eingebettete Systeme bilden die Basis für das Internet der Dinge oder Industrie 4.0. Damit gemeint sind Mikroprozessoren oder kleine Rechner, die - meist unsichtbar - in praktisch allen technischen Systemen des täglichen Lebens stecken: Mobiltelefonen, Waschmaschinen, Fernsehern, Autos, Navigationsgeräten, aber auch in Windkraftanlagen, Maschinen und Anlagen. Mehr als 90 Prozent aller produzierten Chips sind in derartige eingebettete Systeme integriert. Diese Chips haben meist die Aufgabe, das entsprechende System zu steuern, zu regeln oder zu überwachen.

Im Zuge des IoT wandelt sich der Embedded-Markt zunehmend von herkömmlichen, isolierten eingebetteten Systemen mit festgelegten Funktionen hin zu einer neuen Kategorie von flexiblen intelligenten Systemen (siehe Cyber Physical Systems). Diese modernen Systeme sind über das Internet vernetzt, handeln kontextsensitiv und können die von ihnen erzeugten Daten selbst verarbeiten.

Fahrerlose Transportsysteme (FTS)

Fahrerlose Transportsysteme (FTS) sind Fördersysteme, deren zentrale Aufgabe in der Steuerung des automatisierten Teile- und Materialtransports, einschließlich des fertiggestellten Produkts, liegt. Den Transport übernehmen Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF). Die besondere Herausforderung besteht dabei, vorausschauend mögliche Stausituationen der Fahrzeuge, Gefahren oder Hindernisse zu erkennen. Zudem müssen anstehende und bereits in der Fertigung befindliche Aufträge sowie deren Status und Fortschritt miteinbezogen werden. Gerade im Kontext von Industrie 4.0 birgt die intelligente Vernetzung der Fahrzeuge mit der gesamten Produktion viel Potenzial. Richtig angewendet, können FTS die Effizienz und Wirtschaftlichkeit eines Unternehmens signifikant verbessern.

Human Machine Interface (HMI)

Die Schnittstelle zwischen Mensch und Technik (Human Machine Interface HMI) zum Steuern und Überwachen von industriellen Prozessen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Sie bestimmt die Art und Weise, wie Mensch und Maschine miteinander kommunizieren und der Benutzer ein System bedient. Die Eingaben erfolgen meist manuell über Maus und Tastatur, über Touchscreens oder Sprache. Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine soll sich möglichst intuitiv, natürlich und benutzerfreundlich gestalten. Künftig werden Anwendungen dank 3D-Tiefenkameras auch mit Gesten oder dem Kopf gesteuert.

Light Out Manufacturing

Der Begriff "Lights Out Manufacturing", neudeutsch für Fabrikation im Dunkeln, bezieht sich auf die Vorstellung einer Produktion, die weitestgehend automatisiert ist und deshalb auch im Dunkeln ablaufen könnte, weil (fast) keine direkte menschliche Intervention vor Ort notwendig ist. Zumindest theoretisch wäre es möglich, eine solche "Lights-Out"-Anlage 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche zu betreiben, mit Ausfallzeiten nur für routinemäßige Wartung oder Reparatur.

Entsprechende Vorhaben wurden bereits im Zuge früherer Automatisierungsbemühungen seit den 50er Jahren verfolgt und teilweise umgesetzt. Sie scheiterten aber weitgehend an fehlender Flexibilität und technischen Einschränkungen. Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung und Automatisierung der Produktionsstätten sind solche Konzepte von "Dark Factories" mittlerweile umsetzbar. Angesichts der zahlreichen weltweiten Lockdowns während der Corona-Krise werden diese Konzepte nun wieder verstärkt angedacht. Gut geeignet ist dabei die Prozessindustrie mit sehr einfachen Prozessen (Raffinieren, Kraftwerke). In der diskreten Fertigung ist die Automatisierung dagegen anspruchsvoller, weil der Trend in Richtung kurze Produktlebenszyklen, vielen Variationen und kürzere Produktionsläufe geht.

Manufacturing Execution System (MES)

Das Manufacturing Execution System (MES) oder Produktionsleitsystem ist direkt an die verteilten Systeme der Prozessautomatisierung angebunden und lenkt, steuert oder kontrolliert die Produktion in Echtzeit. Es erfasst Informationen wie Betriebsdaten, Maschinendaten, Personaldaten und alle anderen Prozesse, die sich zeitnah auf den Fertigungsprozess auswirken.

Das MES bildet die detaillierten Abläufe der Produktion ab. Dazu gehören beispielsweise der Fertigungsablaufplan für jedes Produkt, die Ressourcenplanung und eine Übersicht über die aktuelle Belegung der Ressourcen während der Fertigung. Zudem erfassen die Systeme Produktions- und Produktdaten zur statistischen Auswertung, bieten Schnittstellen zur Materialwirtschaft oder enthalten Reporting-Funktionen für die kaufmännische Abwicklung von Aufträgen. Daher sind sie auch eng mit dem ERP-System verknüpft.

OPC UA

Industrie 4.0 kann nur funktionieren, wenn die vernetzten Geräte, Anlagen oder Sensoren nahtlos und effektiv zusammenarbeiten. Grundlage dafür bildet ein standardisiertes Kommunikationsformat wie OPC UA (Open Protocol for Communication Unified Architecture). Es soll eine einheitliche Kommunikation vom Sensor über Gateways bis hin zu den verarbeitenden IT-Systemen im Backend beziehungsweise in der Cloud ermöglichen. Angesichts der wachsenden Zahl von Anbietern, die sich der OPC Foundation bereits angeschloßen haben, spricht einiges dafür, dass sich OPC als Kommunikationsstandard in der Produktion durchsetzt. Resultat wäre in der Fertigung eine ähnliche Entwicklung wie damals die Einführung von IP in der Computerwelt. Dann werden auch die verschiedenen Bus-Systeme an Bedeutung verlieren, die derzeit noch das Bild in den Fabrikhallen prägen.

Ein Verfechter von OPC UA ist unter anderem Microsoft. Das Unternehmen unterstützt das Protokoll in seiner Azure-Cloud. Dadurch lassen sich Industriemaschinen über die Cloud verbinden, über eine verschlüsselte Verbindung zentral steuern und an ERP- und CRM-Systeme anbinden. Daneben zählen auch so große Hersteller wie ABB, Bosch Rexroth, Emerson, Honeywell, Mitsubishi, Rockwell, Samsung oder Siemens zu Mitgliedern der OPC Foundation

Orchestrierung von Services

Orchestrierung beschreibt die Kombination und Vernetzung von einzelnen unternehmensinternen oder externen Software-Services zu einem Geschäftsprozess oder auch Produktionsprozess. Jeder Dienst realisiert dabei nur eine bestimmte Aktivität innerhalb des Prozesses. Da Geschäftsprozesse im Rahmen von Industrie 4.0 oft ad hoc entstehen, wird über die Kontrolle der Prozessflüsse dynamisch entschieden.

Plug & Work

Plug & Work heißt, dass sich die einzelnen Komponenten oder Stationen von modularen Produktionslinien mit relativ geringem Aufwand tauschen oder unterschiedlich anordnen lassen. Voraussetzung dafür ist die Interoperabilität zwischen den einzelnen Modulen. Ähnliche Begriffe sind Plug & Play (Anlage kann direkt in Betrieb genommen werden) und Plug & Produce (Module lassen sich im laufenden Betrieb austauschen, um die Produktion nicht oder nur minimal zu stören).

Predictive Maintenance

Ein Beispiel für Industrie 4.0 ist Predictive Maintenance, sprich vorausschauende Wartung. Basis dafür ist die Fülle an Sensordaten, die Maschinen, Geräte und Fahrzeuge heute senden. Diese Sensoren übermitteln dabei Daten zum Status etwa einer Anlage wie Leistung, Temperatur, Umdrehungen und Auslastung (meist) an eine Cloud-Plattform. Die Lösung analysiert Kenndaten bezüglich Nutzung, Verschleiß und Zustand aus verschiedenen Quellen und erkennt so Fehlermuster und qualitativ minderwertige Komponenten - und kann Fehler vorhersagen. Der Service kann dadurch rechtzeitig reagieren und einen kostspieligen Ausfall der Maschine proaktiv verhindern, indem er beispielsweise ein neues Ersatzteil einbaut oder die Wartungsarbeiten vorzieht.

Predictive Analytics hilft zudem bei der Entscheidung über die Laufzeit und Konditionen bei der Verlängerung von Serviceverträgen. Hier sind anhand des Anlagen- bzw. Maschinenzustands präzise Prognosen zu Risiken, Ausfällen und Wartungsbedarf möglich; hier lassen sich auch Wetterdaten und sonstige Umwelteinflüsse integrieren. Die Analyse bildet die Basis für die Entscheidung, ob der Vertrag zu den bisher für den Kunden günstigen Konditionen beibehalten oder geändert wird.

Prescriptive Maintenance

Während Predictive Maintenance den kostspieligen Ausfall einer Maschine proaktiv verhindern soll, geht Prescriptive Maintenance noch einen Schritt weiter und erklärt, warum sie kaputt geht. Zusätzlich werden Handlungsempfehlungen gegeben, wie man einen bestimmten Trend in eine gewünschte Richtung beeinflussen, ein vorhergesagtes Ereignis verhindern oder auf ein zukünftiges Ereignis reagieren kann.

Erkennt Predictive Maintenance beispielsweise, dass ein Maschinenteil eine erhöhte Temperatur aufweist und voraussichtlich nach einer bestimmten Zeit ausfällt, gibt Prescriptive Maintenance Auskunft, wie sich verschiedene Faktoren auf den Zeitpunkt des Ausfalls auswirken und wann der geeignete Zeitpunkt für eine Wartung wäre. Ein Maschinenleiter kann die verschiedenen Optionen durchspielen und dabei etwa feststellen, dass die Maschine bei reduzierter Geschwindigkeit bis zum nächsten Wartungsfenster durchhält. Oder die Wartung sofort ausführen, da sich die Maschine (zum Beispiel ein mobiler Kompressor) in den nächsten zwei Wochen in einem entlegenen Gebiet ohne Ersatzteile befindet.

Basis hierfür sind anspruchsvolle analytische Modelle und Monte-Carlo-Simulationen, die mit bekannten und zufälligen Variablen ausgeführt werden, um die nächsten Aktionen zu empfehlen, Wenn/Dann-Szenarien anzuzeigen oder die Bandbreite möglicher Ergebnisse besser verstehen zu können.

Remote Control

Da die Maschinen der digitalen Fabrik über das Internet mit der Zentrale verbunden sind, können Administratoren aus der Ferne (Remote) den Status der Anlagen und IoT-Geräte und Faktoren wie Temperatur, Lüfterdrehzahlen, Spannungen oder Netzwerkverbindung überwachen. Treten Anomalien auf, sendet das System Alarmmeldungen oder Warnungen per E-Mail oder SMS aus. Das aktive Management von Hardware und Software in Echtzeit vermeidet schwere Schäden an Geräten, kostspielige Reparaturen und reduziert die Betriebskosten.

Zudem können Admins alle Geräte und Anlagen einfach aus der Ferne über ihre PCs, Smartphones und Tablet-PCs verwalten. Über Remote Keyboard-Video-Maus (KVM) erhalten sie Kontrolle über die grafische Benutzerschnittstelle (GUI) eines IoT-Geräts und können damit eine Anlage so steuern, als würden sie direkt vor ihr sitzen. Teilweise lassen sich Systeme auch aus der Ferne reparieren und wieder zum Laufen bringen. Damit steigt auch die Verfügbarkeit der Anlagen.

RFID

Radio Frequency IDentification Tags auf Werkstücken sind eine Schlüsseltechnologie für die intelligente Fabrik. Ein Tag besteht aus einem Chip und einer Antenne. Im Chip sind die ID des Werkstücks und weitere Informationen wie etwa die zu durchlaufenden Produktionsschritte. Lesegeräte an den Maschinen erfassen die RFID-Tags mit Lesegeräten über Funk - auch ohne Sichtkontakt. Die Maschine stellt sich dann auf Basis der Informationen des Tags automatisch für den nächsten Fertigungsschritt ein.

Robotik

Die Fabrik der Zukunft besteht ausschließlich aus Industrierobotern, die zusammenarbeiten und die unterschiedlichsten Produkte vollautomatisch herstellen - so zumindest die Vorstellung. Bis es soweit ist, werden noch einige Jahre ins Land ziehen. Doch bereits heute spielen Industrieroboter eine wichtige Rolle bei der Fertigung. Sie können rund um die Uhr arbeiten, benötigen weder Pause oder Urlaub noch werden sie krank oder müde. Damit sorgen sie für konstant hohe Produktqualität. Da sie zudem den Bedarf an menschlichen Arbeitskräften reduzieren, sinken die Lohnkosten.

Industrieroboter bestehen in der Regel aus einem oder mehreren Roboterarmen (Manipulatoren), dem Werkzeug, das am Roboterarm befestigt ist (Effektor), sowie Steuerungseinheit und Sensoren. Da sich die Roboter über die Effektoren an spezifische Arbeitsanforderungen anpassen und neu programmieren lassen, sind sie vielseitig einsetzbar.

Sicherheit

Stillstand bei der Produktion von Autos oder manipulierte Mixturen für Medikamente in der Pharmaindustrie - die denkbaren Szenarien für Hackerangriffe auf Industrieanlagen sind vielfältig. Mit der zunehmenden Vernetzung von IT und Produktion im Internet der Dinge wachsen auch die Herausforderungen in puncto Sicherheit.

Bei der Sicherheit von Industrie 4.0 ist zu unterscheiden zwischen Safety und Security. Bei Safety geht es vor allem um die physische Sicherheit, Verfügbarkeit und den Arbeitsschutz bei der Bedienung einer Maschine oder eines Produktionsprozesses. Für Sicherheit im Sinne von Safety gibt es viele Normen und Richtlinien mit konkreten Anweisungen für den Bau und Betrieb sicherer Systeme, darunter beispielsweise die DIN EN ISO 13849 mit Gestaltungsleitsätzen zu sicherheitsbezogenen Teilen von Steuerungen.

Security beschreibt im Gegensatz zu Safety die Sicherheit von IT-Systemen. Auch hier haben sich im Laufe der Zeit verschiedene Normen und Rahmenwerke für die Risikobewertung etabliert, beispielsweise die ISO 27XXX Normen, der BSI IT-Grundschutz, ITIL (Information Technology Infrastructure Library) oder COBIT.

Die Herausforderung: Produktions- und IT-Industrie müssen Safety und Security zusammenbringen und gemeinsam an einer Einführung von Sicherheits-Konzepten arbeiten. Grundsätzlich müssen die Industrie-Unternehmen herausfinden, welche Komponenten der Industriesteuerung sie mit Standard IT-Security-Tools schützen können, und wo sie spezielle Lösungen für den Schutz von ICS und SCADA-Systemen benötigen. Dies ist immer vom Einzelfall abhängig.

Smart Factory

Die Smart Factory (der Zukunft) basiert auf intelligenten Einheiten und Produktionsanlagen, die miteinander kommunizieren, über Sensoren gesammelte Informationen auswerten und Fertigungsprozesse selbstständig koordinieren. Ein Beispiel: Der Kunde vergibt einen Auftrag direkt über das Internet und startet damit den Fertigungsprozess. Die bestellten Produkte reservieren autonom die entsprechenden Prozess-Schritte, buchen Maschinen oder benötigte Materialien und kontrollieren die Produktion. Bei Verzögerungen suchen sie nach Alternativen oder benachrichtigen den Kunden. Auch die Produktionsanlagen tauschen Daten aus, organisieren die Reihenfolge der Aufträge oder bei Bedarf Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten.

Smart Product

Ein Smart Product ist ein hergestelltes oder gefertigtes (Zwischen-)Werkstück, das beispielsweise über einen RFID-Tag eindeutig zu identifizieren ist, produktbezogene Informationen mitliefert und in der Smart Factory mit anderen Werkstücken oder Maschinen interagiert.