Ein neuer Begriff steht für nichts weniger als die Umwälzung der heutigen Strukturen von Fertigungssteuerung und Datenmanagement in der Produktion: Industrie 4.0. Nicht nur die Vernetzung aller Produktionssysteme, sondern auch die Verlagerung von Produktionsdaten und damit Fertigungs-Know-how sind Entwicklungen, mit denen sich alle Unternehmen früher oder später beschäftigen müssen.
Industry 4.0 – Networking
A new term represents nothing less than the transformation of current structures in production control and data management in manufacturing industry: Industry 4.0. This embraces not only the linking of all production systems but also storage of production data and thus manufacturing know-how and is a development with which all businesses must sooner or later come to terms.
Heute müssen Daten und Instruktionen für einen Fertigungsauftrag vom unternehmensweiten Leitsystem eines Großkonzerns (Enterprise Resource Planning, ERP) bis zur SPS an der Maschine des Zulieferers viele Hürden überwinden. Sie werden transformiert und bearbeitet, bis sie endlich den eigentlichen Fertigungsprozess für ein Produkt in Gang setzen und steuern.
Mit den Konzepten der Industrie 4.0 soll in Zukunft die Reise der Daten deutlich einfacher werden und auch ihre Organisation wird neu gedacht. Drei der zentralen Themen der vielfältigen Entwicklungen rund um das Konzept Industrie 4.0 werden schon bald die Produktionsumgebungen von immer mehr Unternehmen verändern und prägen.
Eine wichtige Entwicklung wird die Durchgängigkeit der IT-Systeme von der Konzernebene (ERP) bis zur Werkstattebene (SPS) sein. Daten von Fertigungsaufträgen werden automatisch generiert und über verschiedene Schnittstellen bis zur Maschine heruntergereicht, die dann diese Aufträge ausführen kann.
Die zweite wichtige Entwicklung betrifft die Organisation der Fertigungsdaten an sich. Daten und letztlich Wissen, das heute in großen Datenbanken schlummert und darauf wartet, bei bestimmten Aufträgen abgerufen zu werden, soll zukünftig zusammen mit dem Bauteil oder Produkt an die Maschine, an jede einzelne Arbeitsstation gebracht werden. Die Art der Bearbeitung wird also nicht mehr von zentralen Leitstellen aus vorgegeben, sondern die Informationen der Werkstücke ermöglichen es der Fertigungsumgebung, genau die richtige und notwendige Bearbeitung auszuführen.
Schließlich werden sich durch neue Kommunikationsmöglichkeiten der Anlagenkomponenten die Freiheiten der räumlichen Anordnung und die Flexibilität für Umbauten enorm vergrößern. Auf der Hannover Messe 2014 zeigten verschiedene Aussteller modulare Fertigungslinien, die physisch umgestellt werden können und sich danach selbstständig soweit verständigen, dass ein Werkstück, das auf das verbindende Transportsystem aufgegeben wird, in jedem Fall die richtige Reihenfolge der Arbeitsstationen einhält, auch wenn dafür der Transportweg durchaus umständlich sein kann (Abb. 1).
Abb. 1: Modulare Anlage mit Steuersoftware, welche die Befehle für die Bearbeitung an den einzelnen Stationen aus den Daten generiert, die mit dem Werkstück mitlaufen; die Realisierung erfolgte hier durch SAP
Die beschriebenen Veränderungen der Produktionstechnologie werden sich nicht so schnell in der Breite durchsetzen, aber eine langsame und stetige Durchdringung der Produktionssysteme ist schon heute vorauszusehen. Mit den skizzierten Entwicklungen aus dem Werkzeugkasten von Industrie 4.0 werden viele Abläufe in der Fertigung flexibler und es entsteht eine Durchgängigkeit für Daten in beide Richtungen, welche in der Zukunft vielfältig genutzt werden kann.
Die Vernetzung aller Ebenen der IT-Infrastruktur erfordert auch neue Softwaresysteme, welche die bisher vorhandenen Schichten vertikal miteinander verknüpfen. Große Hersteller von Automatisierungssystemen oder Fertigungssteuerungssoftware entwickeln bereits solche Programme und machen ihre Produkte damit fit für die Anforderungen, die in absehbarer Zeit aus den großen Unternehmen der Automobilbranche oder des Maschinenbaus kommen werden. Die höhere Durchgängigkeit der Daten- und Befehlsströme, potentiell auch über Unternehmensgrenzen hinweg, bedingt aber auch neue Lösungen und Strukturen für Datensicherheit, für die Fertigungs- und Qualitätsverantwortung und für die Ressourcenplanung. Mittelständische Unternehmen werden sich, vielleicht zum ersten Mal, intensiv und ernsthaft mit den Strukturen ihrer IT und mit dem Thema Datensicherheit beschäftigen müssen.
Auch kleinere IT-Dienstleistungsunternehmen stellen sich mit ihren Angeboten auf die Anforderungen der Industrie 4.0-Entwicklungen ein
Die Organisation von Fertigungsdaten und Fertigungswissen wird sich verändern. Die Daten werden dezentraler, in den Fertigungsanlagen werden generische Abläufe und grundsätzliche Bearbeitungsmöglichkeiten definiert sein. Die entscheidenden Informationen, welche die Bearbeitung im Detail steuern, kommen jedoch mit dem Werkstück und laufen mit diesem durch die Anlagen. Damit wird auch eine standardisierte Beschreibung von Produktmerkmalen notwendig, da nur dann automatisierte Lösungen für die Bearbeitung entwickelt werden können. Vieles, das heute nur in Form von Erfahrungswissen bei den Anlagenbedienern liegt, wird in der Zukunft kodifiziert und digitalisiert werden, um die skizzierten Strukturen der Industrie 4.0 zu ermöglichen. Damit stellt sich aber auch die Frage, wem dieses Wissen letztlich gehört und wie es bei durchgängigen IT-Systemen geschützt werden kann.
Die Modularisierung von Fertigungsanlagen wird weitergehen. Daraus erwachsen Vorteile hinsichtlich der Flexibilität und der Möglichkeiten für rasche Umbauten von Fertigungslinien bei geänderter Auftragslage oder neuen Anforderungen der Kunden. Hohe Variantenvielfalt oder häufige Typwechsel der Produkte sind einfacher umzusetzen, als bei vollkommen starren Fertigungseinrichtungen. Da die Intralogistik in einer Linie sich automatisch neuen Konfigurationen anpasst, können auch ganz unterschiedliche, heute meist getrennte, Fertigungsschritte kombiniert und die Module immer wieder neu zusammengestellt werden, wenn es neue Herausforderungen zu bewältigen gilt. Mit Hilfe dieser neuen Möglichkeiten könnten zukünftig vielleicht auch verschiedene Oberflächenbearbeitungsprozesse direkt in eine Linie integriert werden.
Eine ganz wesentliche Voraussetzung für die Umsetzung der Industrie 4.0 ist die IT-Sicherheit. Ein hohes Sicherheitsniveau der beteiligten Unternehmen und Systeme ist für kleine, überschaubare Anwendungen schon heute machbar. Zukünftig wird die sorgfältige und zukunftsorientierte Planung der gesamten IT-Infrastruktur einschließlich Servern, Cloud-Services, deren geographischer Lokalisierung sowie der Einbindung von mobilen Geräten immer wichtiger. Auch der Mittelstand muss sich gewisse Kompetenzen in diesem Bereich aufbauen und vertrauenswürdige Berater und Dienstleister suchen. Werden die Unternehmen in diesem Sinne nicht aktiv, dann verlieren sie den Einblick darin, was genau mit den Daten geschieht und werden abhängig und verwundbar. Kryptographie made in Germany könnte zu einem wichtigen Markenzeichen werden, nicht nur für deren Entwickler, sondern auch für deren Anwender, die damit ihre Unabhängigkeit von US-amerikanischen Systemen demonstrieren könnten.
Für Siemens ist Industrie 4.0 ein großes und wichtiges Thema, wie der entsprechende Stand fast über eine ganze Hallenbreite zeigte
Wie wichtig IT-Sicherheit ist, zeigt nicht zuletzt eine kürzlich angekündigte Zusammenarbeit von Siemens mit McAfee, dem großen Softwarehaus, das sich auf Schutzsoftware, Firewalls und ähnliche Produkte spezialisiert hat. Die Kombination von Wissen und Erfahrung in Produktions- und Automatisierungssystemen einerseits und IT-Sicherheitssystemen andererseits soll den Kunden von Siemens einen guten Datenschutz auch in ihren Automatisierungslösungen bieten.
Eine neue Lösung beispielsweise für den sicheren Fernzugriff auf Geräte und Systeme, die an das Internet angeschlossen sind, bietet das Unternehmen Netop aus Dänemark. Es hat Hard- und Softwarekomponenten entwickelt, mit denen sich komplexe Steuerungen sicher zentral verwalten lassen. Das Sicherheitssystem verbindet die Geräte über einen abgeschirmten Zugang und protokolliert sämtliche Zugriffe im Detail. Solche und ähnliche Lösungen sind heute schon auf dem Markt vorhanden und es werden in den nächsten Jahren noch erheblich mehr werden.
Natürlich bieten stark vernetzte Systeme und die Möglichkeit zur Kopplung verschiedener IT-Ebenen auch große Chancen. Die Verknüpfung der Systemebenen wird viele neue Daten erzeugen und Zugriffe über mehrere Ebenen hinweg ermöglichen. Damit lassen sich vollkommen neue Möglichkeiten der Analyse dieser Daten erschließen. Siemens ist einer der Vorreiter dieser Entwicklung und bietet bereits heute komplexe Dienstleistungen in diesem Bereich, aber auch andere Anbieter von Automatisierungslösungen werden schon bald vergleichbare Angebote machen.
Neben einer höheren Flexibilität von Produktionsanlagen durch die Umsetzung von Industrie 4.0, welche durch die Fähigkeiten zur Selbstorganisation entsteht, verspricht eine hohe Durchgängigkeit von IT-Systemen außerdem die Erhöhung der Transparenz in industriellen Prozessen, eine höhere Verfügbarkeit der Anlagen und eine Verbesserung der Ressourcen- und Energieeffizienz. Wenn Produktionsdaten sehr einfach kontinuierlich erfasst werden können, dann lassen sich aus ihrer Analyse verschiedene Erkenntnisse zur Optimierung ableiten. Die Entwicklung cloud-basierter Datenbanken ermöglicht dabei den Zugriff verschiedener automatisierter Dienste oder auch menschlicher Experten auf diese Daten. Mit Hilfe von Anlagen- oder Prozessmodellen können theoretische Erwartungen und tatsächliches Anlagenverhalten verglichen und Abweichungen identifiziert werden. Die mit solcher externer Speicherung von teilweise sensiblen Produktionsdaten einhergehenden Sicherheitsanforderungen werden beispielsweise bei Siemens sehr ernst genommen. Datenverschlüsselung und sichere Internetverbindungen sollen die Bedenken potentieller Kunden ausräumen.
Auch in der Prozessindustrie sind die Industrie 4.0-Gedanken bereits angekommen. Dieses Bild zeigt, dass auch ABB ein intelligentes Energiemanagement und die Optimierung der Energiekosten anbietet
Letztlich sind es keine völlig neuen Ideen und Angebote, die im Zusammenhang mit der Datenanalyse entstehen. So sind zustandsorientierte Instandhaltung, Identifikation versteckter Verbesserungs- oder Einsparpotentiale oder auch Hilfe bei der Einsparung von Energie und Ressourcen schon heute in der Industrie eingeführt. Allerdings lassen sich zukünftig Analysen auf verschiedenen Unternehmensebenen und auch hochspezialisierte Auswertungen von Prozessdaten viel einfacher gestalten, wenn die Daten leicht zugänglich sind. So könnten sich Dienstleister auf bestimmte Arten von Anlagen oder Prozessen spezialisieren und ihre Dienste dann verschiedenen Unternehmen anbieten. Natürlich sind die Hersteller von Steuerungs- oder Automatisierungssystemen hier in einer sehr guten Ausgangslage, da sie die Eigenschaften der von ihnen ausgerüsteten Anlagen kennen und so relativ einfach Verbesserungen vorschlagen können. Auch besitzen sie in der Regel große Rechenzentren, sodass die Ressourcen für komplexe Auswertungen ohne großen Zusatzaufwand zur Verfügung stehen.
Dass Dienstleistungen für Energieeffizienz und Energieeinsparung ein großes Potential haben, zeigt unter anderem die Tatsache, dass beispielsweise der TÜV Rheinland auf der Hannover Messe neue Beratungsdienstleistungen in diesem Bereich vorstellte. Denkbar ist hier natürlich auch, durch Datenauswertung und Benchmarking regelmäßig Unternehmen oder Standorte zu analysieren und zu bewerten, um anschließend konkrete Einsparmöglichkeiten vorzuschlagen.
Industrie 4.0 ist eines der derzeit wichtigsten strategischen Themen der Bundesregierung und es spielt auch in der Technologieförderung des Bundesforschungsministeriums eine gewichtige Rolle. Noch ist es eher ein Thema für Großunternehmen als für mittlere und kleinere Firmen, allerdings bietet es schon heute Möglichkeiten für innovative Mittelständler, mit kleineren Projekten Erfahrungen in diesem Umfeld zu sammeln. Die Konzepte von Industrie 4.0 werden Einzug in die Industrie halten, sei es, dass nur Teillösungen oder spezielle Aspekte umgesetzt werden oder dass die Vorteile der IT-Vernetzung im Vordergrund stehen. So werden auch Zulieferer, beispielsweise der Automobil- oder der Anlagenindustrie, früher oder später mit den Industrie 4.0-Konzepten konfrontiert und müssen sich mit den neuen Anforderungen auseinandersetzen.
