Industrie 4.0

Produktionswelt von morgen

Gegenwärtig bestimmen abhängige Steuerungen mit Sensoren die Produktion. Ausgewählte Informationen erreichen in der Anlage die Leitebene. Kenntnisse zum Verschleiß, seiner Prävention, zu Qualitätsparametern, zur benötigten Energie, betreffs zulässiger Parameterabweichungen etc. fehlen meist. Diese Lücke schließt die Vision Industrie 4.0 (http://www.plattform-i40.de, VDE Trendreport 2015). Als interoperable Plattform zur dezentralen Fertigungssteuerung fasst sie Systeme unterschiedlicher Hersteller so zusammen, dass Maschinen künftig nicht nur Muskelkraft (Industrie 1.0), sondern weitgehend menschliches Denken ersetzen. Infolge des Zusammenwachsens von Automation AT und Informationstechnik IT wird die Fertigung als „Smart Factory/Integrated Technology“ revolutioniert. Diese künstliche Intelligenz KI ermöglicht die Selbstorganisation der Produktion bei sinkendem Engineering-Anteil infolge sich selbst konfigurierender Maschinen.

Bild 1: Industrielle Revolutionen.

Vertikale wie horizontale Vernetzung intelligenter Komponenten (Sensor-Aktor- bis Unternehmensleitebene) führt zur Durchgängigkeit aller Informationen/Daten. In Echtzeit ausgetauscht erlaubt die Transparenz qualifizierte Entscheidungen, um unvorhergesehene Situationen (Produktspezifikation, Ausfall/Stillstand, Qualitätsprobleme, Hilfsenergieeinbrüche u. a.) zu identifizieren, Anpassungen selbsttätig auszulösen. Produktions-, Energie- und Kosteneffizienz der Null-Fehler-Fabrik mit adaptiver Produktion steigen. Die Forderungen aus der Multi-Vendor-CIM-Zeit werden perfekt bedient.

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Zugleich löst sich die Strenge der Hierarchie, weil ihre Komponenten autonom Aufgaben übernehmen. Diese neuartige Eigenschaft erzwingt eindeutig identifizierbare Daten mit Erkennbarkeit selbst bei einer Softwareänderung. Enorme Normungsanstrengungen sind damit verbunden.

Bild 2: Struktur Integrated Technology (Industrie 4.0; bei gemeinsamen Kabel erfolgt eine logische Trennung beider Systeme).

Einordnung
Mit dem Sieg von IT und Algorithmen beginnt die vierte technische Revolution (Bild 1). IT verwächst mit industriellen Prozessen, reale mit virtueller Welt auf Basis CPS. So mit „denkenden“ Modulen ausgerüstete Maschinen und Anlagen lassen sich ohne Parametrierung oder aufwendige Programmierung zu Produktionssystemen fügen (Nutzung USB-Prinzip plug-and-produce).

Anforderungen
Anlagen und Fabriken, ihre Bestandteile werden über digitale Kommunikation in/mit einem Netz (Internet, Intranet, Einsatz 5G-Mobilfunktechnologie, Nutzung dezentraler P2P-Strukturen) verbunden. Neben der physischen erhalten die Teilnehmer eine zweite virtuelle Identität. Als Datenobjekte veröffentlichen sie ihren aktuellen Zustand. Mit solcher Zweitkennung lassen sich alle Funktionen zur Mehrwertschöpfung ausüben.

Merkmale:

  • Investitionsschutz, Interoperabilität, Auf-/Nachrüstbarkeit, Modularität mit Skalierbarkeit
  • Safety, Security nutzen spezielle Strategien (Defense in Depth, http://www.steria.com) zuverlässig
  • Steuerbarkeit aller Daten und Dienste, gemeinsamer Datenpool
  • Zuverlässiges Netz hoher Geschwindigkeit (zum Beispiel mit industriellem Ethernet für Ende-zu-Ende-Reaktion im ms-Bereich)
  • Optimales Life-Cycle-Management (Wartung, Instandhaltung; vgl. IEC 62 890)
  • Ethernet-Kompatibilität, objektorientierte Projektierbarkeit mit wiederverwendbaren Subsystemen etc.
  • Intelligente Sensoren
  • Digitalisiertes Spezialwissen (Expertensysteme)
  • Verstärkte Forschung hinsichtlich Mikro-, Leistungselektronik, drahtloser Freiraumverständigung, Harvesting

Struktur
Die Topologie (Bild 2) zeigt für beide Identitäten getrennte Kommunikationssysteme. Zum einen wird ein Netz für den Betrieb der Fertigung benötigt. Die zweite Ebene verbindet die virtuellen Datenobjekte, vergleichbar kleinen smarten Servern, zum Ausführen der festgelegten Dienste. Daten münden in einem nichtöffentlichen Datenspeicher und Dienstsystem.

Für Safety-Applikationen stehen Ausführungen mit Dreifachredundanz zur Verfügung (zum Beispiel Triconex bis SIL 4). Bei Nachrüstungen kann die Realisierung gegebenenfalls in getrennten Netzen erfolgen. Standards erleichtern die notwendige Einarbeitung.

Auswirkungen
Zur konventionellen Bewertung der Effizienz einer Fertigung (Nutzgrad, Ausschussrate, Mitarbeiterproduktivität u. a.) addieren sich neue Kennzahlen aus Daten von MES- und anderen Ebenen. Der ganzheitliche Blick erlaubt die nachhaltige Fertigung selbst der Losgröße eins. Betroffen sind diskrete wie verfahrenstechnische Prozesse nebst Logistik (zum Beispiel „denkende“ Transportmittel).

Industrie 4.0 ist mehr als die funktionelle Summe seiner Komponenten. Neue, vorteilhaftere Geschäftsmodelle entstehen.

Die positive Wirkung zeigt sich bereits darin, dass der treibende Mittelstand (Wirtschaftswoche 5/15) weiter erstarkt. Zugleich wird die zum Teil noch nicht ausreichende, deutsche IT-Kompetenz einschließlich der Security ausgebaut, wobei für Deutschland insgesamt eine gute Ausgangsposition zu konstatieren ist.

Wegen der intensivierten Arbeitsteilung zwischen Mensch und Maschine bedeutet Smart Factory einen weiteren Freizeitgewinn, der sozial verträglich zu nutzen ist.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause

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