Industrie 4.0 – heute die Grundlagen schaffen

13. Mai 2019

Mit der „Smart Factory“ soll die deutsche Industrie die vierte industrielle Revolution meistern und ihren Platz in der Weltspitze verteidigen. Während Konzerne mit Hochdruck an ihren smarten Produktions-, Verwaltungs- und Logistikprozessen arbeiten, tun sich im Mittelstand noch viele schwer damit, größere Schritte in diese Richtung zu unternehmen.

Dabei ist der längerfristig in Aussicht stehende Nutzen enorm: Bis zu 30 Prozent mehr Produktivität soll eine smarte Fabrik bringen. Daneben dürfte aber die deutlich höhere Flexibilität für den entscheidenden Vorteil sorgen – insbesondere im internationalen Wettbewerb. Agile, schlanke Prozesse versprechen wirtschaftliche Fertigung von der Großserie bis hinab zur Losgröße 1.

Der Wandel zur Smart Factory beginnt mit grundlegenden Überlegungen, die in die Industrie-4.0-Strategie eines Unternehmens einfließen sollten.

Das industrielle IoT – smarte Maschinen und selbstständige Werkstücke

Eine smarte Fabrik baut sich aus smarten Komponenten auf, die mit der Anbindung ans Web das industrielle Internet der Dinge (IIoT) bilden. Produktionseinheiten, Logistikeinheiten und auch Werkstücke selbst kommunizieren untereinander. Diese direkte Kommunikation erhöht die betriebliche Effizienz. Einheiten besitzen unterschiedlichste Sensoren. Sie können bestimmte Entscheidungen selbst treffen, zum Beispiel, wann eine Reinigung, eine Instandsetzung oder ein Werkzeugwechsel nötig ist. Die Anzahl an ungeplanten Stillständen sinkt bei gleichzeitiger Steigerung der Produktionskapazität.

Werkstücke erhalten eine Kennung, beispielsweise per RFID-Chip. Dadurch werden sie im Produktions- und Materialfluss vollautomatisch handhabbar beziehungsweise zu einem gewissen Grad autonom. Ein Rohling findet den Weg zur richtigen Zerspanungsmaschine selbst und teilt dieser mit, welche Bearbeitung nötig ist. Wird bei der anschließenden Qualitätsprüfung ein Mangel festgestellt, kehrt das Werkstück für die Nachbearbeitung zur Maschine zurück oder sortiert sich selbst aus.

IT-Infrastruktur

Da immer mehr Komponenten miteinander kommunizieren, steigen die Datenmengen. Der IT und ihrer Infrastruktur kommen bei alldem Schlüsselrollen als Enabling-Technologien zu. Das Unternehmensnetz und seine Anbindung an das Internet müssen den zunehmenden Datenverkehr verkraften und immer genügend Leistungsreserven besitzen. Was heute noch als hohes Datenaufkommen gilt, wird schon in wenigen Jahren die Mindestbandbreite füllen.

Skalierbarkeit ist eine Kernanforderung. Nur eine Infrastruktur, die schnell und kostengünstig Rechen- und Speicherkapazität auf- und abbauen kann, steht Agilitäts- und Produktivitätsgewinnen nicht im Weg. Der ideale Ansatz dafür ist Cloud-Computing, sei es im eigenen Haus oder bei einem Dienstleister. Gerade Letzteres ist im Mittelstand sinnvoll, da es den Aufbau und Betrieb der Cloud Fachleuten überlässt und im eigenen Betrieb Kapazitäten freigibt. Außerdem ist dies leichter kalkulierbar: Das nutzende Unternehmen bucht und bezahlt bezogene Rechen-, Speicher- und Softwareleistungen wie eine Dienstleistung. Große Anfangsinvestitionen entfallen.

Intelligente Fertigung in der digitalen Fabrik der Zukunft

Obwohl bereits viele Führungskräfte von Fertigungsunternehmen angeben, bereits initiative Projekte zur Vernetzung von Fertigungsprozessen und Big Data oder dem Internet der Dinge gestartet zu haben, können ...

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Big Data – Kernkompetenz der Zukunft

Immer mehr smarte Einheiten mit immer mehr Sensoren liefern exponentiell wachsende Datenmengen. Nach der Studie „Industrie 4.0“ der Deutschen Bank Research steht und fällt das gesamte Konzept der Industrie 4.0 mit der Fähigkeit, diese Datenmengen auszuwerten und nutzbringend zu verwenden: für Prozessoptimierungen, bei strategischen Entscheidungen und für neue Geschäftsmodelle.

Konkret heißt das, dass das Unternehmen die Daten nicht nur nutzt, um an den bisherigen Prozessen zu feilen, sondern auch, um seine Prozesse und Geschäftsmodelle von den Daten her zu denken, d. h. datengetrieben zu gestalten.

Es ist daher von zentraler Bedeutung, sich bei der Entwicklung der unternehmenseigenen IT-Landschaft grundsätzlich an den Big-Data-Fähigkeiten der Software zu orientieren. Vom Enterprise Resource Planning (ERP) bis zu jedem Steuerungsprogramm: Software sollte grundsätzlich ihren Datenstrom mit anderen Systemen über standardisierte Schnittstellen in Echtzeit austauschen können.
Die anfallenden Datenmengen brauchen Speicherplatz und die Auswertung in Echtzeit Rechenpower. Die eigene oder angemietete Cloud muss dies wirtschaftlich zur Verfügung stellen können.

Sicherheit – Vorkehrungen treffen

Der Betrieb einer smarten Fertigung birgt auch Risiken. Eine über Jahrzehnte gewachsene Infrastruktur auf das heute nötige Sicherheitsniveau zu hieven, ist zeitraubend und teuer. Es kann wirtschaftlicher sein, eine neue aufzubauen, deren Architektur konsequent auf IT-Security fußt. Managed Switches und industrielle Firewalls sind dabei wichtige Elemente. Müssen Teile der alten Infrastruktur übernommen werden, bindet man sie gekapselt in die neue ein, sodass selbst unbekannte Schwachstellen nach außen nicht sichtbar und angreifbar sind.

Neue Produktionseinheiten sollten mit digital signierter und verschlüsselter Firmware, Änderungserkennung und Audit-Protokollierung ausgestattet sein. Der Zugriff auf alle Systeme und Daten benötigt Kontrollen durch Benutzerauthentifizierung und Autorisierung.

Wichtiger Faktor dabei: die Mitarbeiter. Beim Brandschutz werden Schutztüren im Alltag lieber offen gelassen, weil es praktisch ist. Doch dann ist der Brandschutz dahin. Ähnlich ist es bei der IT-Sicherheit. Alle im Unternehmen müssen verstehen, warum System- und Datenzugriff reglementiert sein müssen, auch wenn das den Arbeitsfluss ein wenig bremst. Schon heute hängt die Existenz eines Unternehmens in hohem Maß von der Daten- und IT-Sicherheit ab – und damit auch die Arbeitsplätze der Mitarbeiter.

Interoperabilität

Industrie 4.0 bedeutet auch, dass die gesamte Lieferkette digitalisiert ist. Die Kommunikation der smarten Instanzen endet nicht am Werkstor. Sie reicht von den Zulieferern bis zu den Kunden. Kunden können bis kurz vor Produktionsbeginn in ihren Auftrag eingreifen.

Damit dies reibungslos abläuft, ist Interoperabilität erforderlich. Die unterschiedlichsten Geräte, Anlagen und IT-Systeme müssen mit geringem Aufwand miteinander verbunden werden können. Dies ist heute noch nicht ausgereift, aber es laufen verschiedene Bemühungen um offene Standards. Sie sollen die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation einerseits und die Programmierbarkeit andererseits vereinheitlichen und verallgemeinern. In Deutschland treibt der „Standardization Council Industrie 4.0“ dies voran. Bestehende und neue Produktionskomponenten sollten immer auch hinsichtlich ihrer Interoperabilität beleuchtet werden.
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Qualifizierte Fachkräfte

Ohne Fachkräfte 4.0 gibt es keine Industrie 4.0. Für den Aufbau der Smart Factory sind Mitarbeiter mit fundierten IT-Kenntnissen nötig. Da Fachkräfte hier noch rar sind, sind Eigeninitiative und Planung gefragt. Mitarbeiter müssen weitergebildet und Neueinstellungen gut ausgewählt werden. Auch Führungskräfte müssen lernen, was es heißt, datengetrieben zu planen und zu entscheiden.

Damit künftig nicht nur Ingenieure die komplexen Fertigungsanlagen bedienen können, bemühen sich die Hersteller zwar, die gestiegene Komplexität durch vereinheitlichte und benutzerfreundliche Softwaregestaltung handhabbar zu halten. Dennoch dürfen Mitarbeiter nicht nur keinerlei IT-Berührungsängste haben, sondern müssen vielmehr ein solides Grundverständnis für digitale Systeme mitbringen oder erwerben, das über Textverarbeitung und Browser-Bedienung deutlich hinausgeht.

Fazit

Die Zeit läuft. Branchenverbände schätzen, dass bis zum Jahr 2020 bereits 50 Milliarden intelligente Maschinen weltweit miteinander vernetzt sein werden. Auch wenn noch nicht alle Probleme gelöst und alle Schnittstellen standardisiert sind, lohnt es sich nicht, abzuwarten und die Hände in den Schoß zu legen. Der Umbau der eigenen laufenden Produktion braucht Zeit, und es gibt – wie beschrieben – vieles, was heute schon dafür getan werden kann.

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