Industrie 4.0: Willkommen in der Smart Factory

Industrie 4.0 ist das Internet der Dinge für Produktion und vernetzt die gesamte Wertschöpfungskette. Das heißt: Sie vernetzt Maschinen, Produkte, Menschen und Systeme, sodass weitgehend automatisierte Prozesse möglich sind. Für Unternehmen wird die Produktion in einer Smart Factory effizienter, flexibler und kostengünstiger. Das verändert allerdings auch die Anforderungen am Arbeitsmarkt: Routine-Aufgaben fallen weg und schaffen Platz für neue, anspruchsvollere Tätigkeiten. Der Mensch spielt weiterhin eine zentrale Rolle. Unternehmen stehen vor vielen Herausforderungen: Wie werden beispielsweise ältere Maschinen internetfähig und wie lassen sich vernetzte Systeme gegen Hacker absichern?

Roboter bewegen sich autonom durch die Werkhallen und transportieren Produktionsmaterialien von A nach B. Produkte kommunizieren mit Maschinen und leiten ihren nächsten Fertigungsschritt selbst ein. Und wenn Geräte feststellen, dass sie gewartet werden müssen, verständigen sie automatisch den Service-Techniker. Willkommen in der Smart Factory!

Die vierte Industrielle Revolution, kurz: Industrie 4.0, hat begonnen. Nach der Dampfmaschine, dem Fließband, der Elektronik und IT kommen jetzt intelligente, vernetzte Systeme. Sie verändern grundlegend die Art und Weise, wie wir produzieren. Ein Großteil der Prozesse über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg kann künftig automatisiert ablaufen. Maschinen werden in der Lage sein, miteinander zu kommunizieren und selbstständig Entscheidungen zu treffen. Über Sensoren – ihre Sinnesorgane – sammeln sie Daten, die sie vorgefiltert an eine Plattform weitergeben. Diese bildet quasi das Gehirn. Dort fließen die Maschinendaten mit Informationen aus andern Quellen zusammen. Dazu gehören etwa Business-Anwendungen zur Ressourcenplanung (ERP) oder der Umgebung. Sie werden ausgewertet, sodass sich daraus Handlungen ableiten.

Beispiele für Industrie 4.0

Bisher nutzen die meisten Unternehmen Industrie-4.0-Technologie, um ihre Produktion schneller und kostengünstiger zu gestalten oder Ausschuss zu reduzieren. Durch die Analyse von Maschinendaten sind sie etwa in der Lage, Fehlerquellen aufzudecken. So stand ein europäischer Flugzeugbauer vor der Frage, warum er bei der Montage von Flügeln in seinem Hamburger Werk derart große Toleranzabweichungen verzeichnete. Die Antwort war verblüffend: Die Probleme traten immer bei abnehmender Flut auf. Das fand der Hersteller heraus, indem er in einer Big-Data-Analyse Maschinendaten mit Umgebungsdaten in Korrelation setzte. Daraufhin konnte er seinen Produktion entsprechend anpassen.

Viele Unternehmen setzen zudem vorausschauende Wartung ein, Predictive Maintenance genannt. Dabei werten sei kontinuierlich Maschinendaten aus und gleichen diese mit Mustern aus der Vergangenheit ab. So erkennen Firmen, unter welchen Bedingungen üblicherweise Störungen auftreten, und können Service-Arbeiten durchführen, bevor es zu teuren Ausfällen kommt. Ein Beispiel ist das BASF-Werk in Ludwigshafen: Um die Instandhaltung der Produktionsanlagen, Pumpen, Motoren und Wärmetauscher besser planen zu können, hat BASF ein Frühwarnsystem entwickelt. Dieses analysiert Echtzeit-Daten und historische Daten und kann so vorhersagen, wann Wartungsarbeiten nötig sein werden. Das Prinzip einer Smart Factory ist jedoch nicht lokal beschränkt, sondern kann Maschinen auf der ganzen Welt an verschiedenen Standorten miteinander vernetzen – zu einer riesigen, virtuellen Fabrik. So übertragen bei Infineon zum Beispiel Standorte in Asien ihre Testergebnisse direkt an das Werk in Dresden, wo sie in die Produktion einfließen.

Industrie 4.0 in der Automobilindustrie

Auch die Automobilindustrie setzt Industrie 4.0 bereits erfolgreich ein. Bei Daimler sieht man sich Maschinendaten zum Beispiel daraufhin an, um die Qualität in der Zylinderkopfproduktion zu verbessern. So können die Verantwortlichen frühzeitig Abweichungen und Unregelmäßigkeiten im Fertigungsprozess feststellen und schnell eingreifen. Dadurch senken sie die Fehlerrate und gestalten den Produktionsprozess wirtschaftlicher. Einen anderen spannenden Ansatz verfolgt Volkswagen: Die AG nutzt in einem Industrie-4.0-Projekt RFID-Technologie (Radio Frequency Identification), um Bauteile in Versuchsfahrzeugen schneller zu erfassen. Die Komponenten werden bereits von den Lieferanten mit RFID-Chips versehen. In der Fahrzeugerprobung erkennen Ingenieure mühelos die verbauten Prototypenteile und können sich Detailinformationen anzeigen lassen, die sie für die Entwicklung brauchen. So stehen ihnen die richtigen Informationen am richtigen Ort zur richtigen Zeit zur Verfügung.

Industrie 4.0 in der Logistik

In der Logistik helfen Industrie-4.0-Technologien, Transportwege zu optimieren, Lagerkapazitäten passgenau auszuschöpfen und vorausschauend zu planen. Zu sehen ist das etwa im Hamburger Hafen: Dort werden jährlich 140 Millionen Tonnen Ware umgesetzt. Bis im Jahr 2030 dürfte sich diese Zahl verdoppeln. Dafür gibt es im Hafen jedoch nicht genügend Platz. Deshalb stand die Hamburg Port Authority vor der Herausforderung, Container schneller zu verlagern.

In einem Industrie-4.0-Projekt wurden Menschen, LKW, Container, Schiffe, Kräne und Verkehrsleitsysteme miteinander vernetzt. Sie alle kommunizieren miteinander und liefern geschäftsrelevante Daten. Das Resultat: LKW kommen so schneller ans Ziel und Fahrer wissen, wo sie rascher entladen können. Schiffsführer können ihre Touren im Voraus planen. Das alles hat die Abläufe vereinfacht, wodurch der Hamburger Hafen Waren schneller umsetzt.

Vernetzte Produktion ist Pflicht

Industrie 4.0 bedeutet nicht, auszureizen, was technisch möglich ist. Unternehmen müssen ihre Produktion vielmehr vollständig digitalisieren, um sich am Markt zu behaupten, denn der internationale Wettbewerbsdruck ist groß. Prozesse zu optimieren und Kosten zu sparen wird daher zur Königsdisziplin. Zudem versetzen intelligente, vernetzte Systeme Unternehmen in die Lage, auch kleinere Stückzahlen nach individuellen Kundenwünschen rentabel zu produzieren. Dadurch haben sie die Chance, sich von „Billiganbietern“ abzuheben, die mit Massenproduktion den Markt bedrängen.

Auch der demografische Wandel macht es erforderlich, die Produktion zu optimieren. Denn unsere Gesellschaft wird zunehmend älter, während der Anteil der Erwerbstätigen sinkt. Das lässt sich auch durch Zuwanderung nicht ausgleichen. Das Statistische Bundesamt hat berechnet, dass die Zahl der Menschen in Deutschland mit einem Alter von 67 Jahren und mehr bis zum Jahr 2040 um 42 Prozent ansteigen wird, auf mindestens 21,5 Millionen. Die Zahl der 20- bis 66-Jährigen wird dagegen voraussichtlich nach um 11 bis 25 Prozent sinken, je nach Zuwanderungsrate. Die Experten sind sich daher einig: Wenn wir unseren Wohlstand erhalten wollen, müssen wir die Arbeitswelt künftig noch effizienter gestalten und die verfügbaren Arbeitskräfte besser einsetzen.

Edge Computing

Edge Computing

Bei Industrie-4.0-Projekten fallen Unmengen an Daten an, die ausgewertet werden müssen – am besten in Echtzeit. Sie alle erst ins zentrale Rechenzentrum zu übertragen, kostet allerdings Zeit, Geld und viel Speicherplatz. Daher analysieren viele Unternehmen Daten bereits am Entstehungsort in der Nähe des vernetzten Systems – also „at the Edge“, auf Deutsch: am Rand. Unwichtige Informationen werden bei diesem Vorgang sofort wieder gelöscht. Nur relevante Daten fließen ins zentrale Rechenzentrum. Ein Beispiel: Wenn das Förderband stoppen soll, sobald die Temperatur zu hoch wird, ist die Information „normale Temperatur“ nicht wichtig. Erst wenn die Sensoren Abweichungen messen, müssen diese analysiert werden.

Was macht Industrie 4.0 mit den Arbeitsplätzen?

Doch was passiert mit den Menschen, wenn Maschinen mehr und mehr Aufgaben übernehmen? Viele Arbeitnehmer machen sich Sorgen um ihren Arbeitsplatz. Jochen Hanebeck, Vorstandsmitglied bei Infineon, sieht die Entwicklung gelassen: „Die Hälfte aller Arbeitnehmer ist mit Sicherheit von der Digitalisierung betroffen. Dass in Summe Arbeitsplätze wegfallen, sehen wir nicht.“ Ein Musterbeispiel ist die Halbleiterfertigung von Infineon in Dresden. Hier stellt das Unternehmen Chips auf 200-Millimeter und auf 300-Millimeter-Wafern her. Die 300-Millimeter-Linie wurde von Beginn an auf eine vollautomatisierte Fertigung angelegt. Die ältere 200-Millimeter-Linie hingegen wurde in den vergangenen Jahren schrittweise immer stärker automatisiert und vernetzt.

Sie verfügt mittlerweile über einen Automatisierungsgrad von rund 90 Prozent. So konnte der Fertigungsstandort seine Produktivität seit Gründung Mitte der Neunziger Jahre um 70 Prozent steigern. Gleichzeitig blieb die Zahl der Beschäftigten in den vergangenen zehn Jahren konstant bei ca. 2.000 Mitarbeitern. Im Dresdner Werk haben Digitalisierung und Vernetzung die Wettbewerbsfähigkeit erhalten, für Wachstum gesorgt und einen wesentlichen Beitrag zur langfristigen Sicherung des Standorts geleistet.

Zu einer vielversprechenden Prognose kommt auch eine Studie der Boston Consulting Group. Ihr zufolge trägt Industrie 4.0 jährlich ein Prozent zum deutschen Bruttoinlandsprodukt bei und sorgt dafür, dass bis zum Jahr 2025 rund 390.000 neue Arbeitsplätze entstehen. Künftig werden demnach mehr hochkomplexe Tätigkeiten gefragt sein, vor allem in den Bereichen IT, Datenanalysen und Wartung. Wovon es weniger geben wird, das sind vorwiegend einfache Routineaufgaben. Und denen trauert auch nicht unbedingt jeder nach. Denn wenn der Roboter schwere Kästen durch die Gegend schleppt, schonen menschliche Mitarbeiter nicht nur ihre Gesundheit, sondern haben auch mehr Zeit, sich um anspruchsvollere Dinge zu kümmern.

Arbeitnehmern fordert diese Entwicklung die Bereitschaft ab, sich ständig weiterzuentwickeln. Ein erfolgreiches Beispiel ist Uwe Häßler: Der gelernte Elektriker fing 1990 als Facharbeiter beim Maschinenbauunternehmen Harting Applied Technologies an und wechselte 2001 in die SPS-Programmierung. Heute entwickelt er Industrie-4.0-Systeme und IT-Schnittstellen. „Vor drei Jahren, als ich mit dem Forschungsprojekt begonnen habe, waren all die Dinge, die damals angesprochen wurde, für mich unvorstellbare Visionen“, sagt Uwe Häßler. „Damals habe ich gesagt, das geht nie. Heutzutage gehöre ich selber zu denjenigen, die sagen: Ja, das geht. Und ich entwickle selber Visionen.“

Vorsicht vor Hackern

Und wie steht es mit der Sicherheit? Keine unberechtigte Frage, denn jedes vernetzte Gerät bietet auch neue Angriffsflächen für Hacker. Solange Produktionsmaschinen von der IT getrennt waren, konnte man sie relativ einfach nach außen hin abschirmen. In der vernetzten Welt von Industrie 4.0 gibt es dagegen viele potenzielle Einfallstore. Cyberkriminelle könnten Produktionsanlagen in ihre Gewalt bringen, Maschinen manipulieren oder Industriespionage betreiben. Einen kleinen Vorgeschmack gab es bereits: Im Mai 2017 befiel der Kryptotrojaner Wannacry unter anderem Rechner des National Health Service in Großbritannien, des Autobauers Renault in Frankreich sowie der Deutschen Bahn. Die Schadsoftware verschlüsselte die Systeme, sodass sie vorübergehend ausfielen. Auf diese Weise wollten die Hacker Lösegeld erpressen.

Um sich zu schützen, müssen Unternehmen bei Industrie-4.0-Projekten daher von Anfang an die Sicherheit berücksichtigen. Dazu gehört zum einen, Systeme immer auf dem neuesten Stand zu halten und Sicherheits-Updates einzuspielen. Zum anderen kann eine Kombination aus Software- und Hardware-basierten Sicherheitslösungen für den Schutz von vernetzten Maschinen und Kommunikationsknoten sorgen. Beispiele sind die OPTIGA TPM-Chips von Infineon. Sie lassen sich in Router, Industrie-PCs oder komplexe Steuereinheiten einbauen und dienen den Kommunikationspartnern im Netz als Ausweis der Geräte. Damit authentifizieren sie sich im Netzwerk und sichern die Datenübertragung.

M2M-Kommunikation

M2M-Kommunikation

Zu den Voraussetzung für Industrie 4.0 gehört, dass Maschinen Informationen miteinander austauschen können. Diese Machine-to-Machine-Kommunikation, kurz M2M, ist jedoch nur möglich, wenn die Geräte auch dieselbe Sprache sprechen. Das ist gar nicht so einfach, denn es gibt viele verschiedene Protokolle – also Sprachen – für die Sensordatenkommunikation. Experten ringen noch um einheitliche Standards. In Europa haben sich weitgehend die Protokolle OPC UA und MQTT durchgesetzt, in den USA dagegen eher DDS.

Alte Maschinen fit fürs Internet machen

Neben der Sicherheit stehen Unternehmen bei ihren Industrie-4.0-Projekten vor einer grundlegenden Herausforderung: Wie bringen sie ihre Maschinen überhaupt ins Internet? Hersteller bieten heute zwar neue Geräte an, die bereits IoT-Module integriert haben. Doch die wenigsten Fabriken entstehen auf der grünen Wiese. Sie arbeiten mit einer historisch gewachsenen Produktionsstraße, die Maschinen verschiedenen Alters enthält. Solche Geräte sind teuer und können nicht auf einen Schlag ausgetauscht werden. Während wir uns als Konsumenten alle drei Jahre ein neues Smartphone oder einen neuen PC kaufen, sind Industriemaschinen oft 20 Jahre oder länger im Einsatz.

Um diese älteren Geräte fit für Industrie 4.0 zu machen, muss man Sensoren, Software und eine IoT-fähige Industriesteuerung nachrüsten. Dafür hält der Markt sogenannte Retrofitting-Lösungen parat. So konnte das IoT-Gateway von Bosch Rexroth sogar eine pedalbetriebene Drehbank aus dem Jahr 1887 ins Internet bringen. Ein Sensor überwacht dabei die Drehzahl der Drehbank und überträgt diese Daten an ein Vermittlungsgerät, das IoT-Gateway. Dieses ist wiederum mit anderen Unternehmenssystemen vernetzt. Auf einem Monitor kann der Arbeiter an der Drehbank die übertragenen Daten in Echtzeit sehen. So weiß er, ob er schneller oder langsamster treten muss, um die optimale Drehzahl einzuhalten.

Die Zukunft hat begonnen

Bisher haben erst rund ein Fünftel der deutschen Unternehmen Industrie-4.0-Projekte realisiert. Das zeigt die aktuelle Studie „Industrie 4.0 – Wo steht Deutschland“ von IDG Research Services. Zwei Drittel der befragten Unternehmen gehen jedoch davon aus, dass Industrie 4.0 in den nächsten drei Jahren für sie wichtig oder sehr wichtig wird.

Goldgräberstimmung herrscht bei den Hardware- und Software-Hersteller sowie bei IT-Dienstleistern. So prognostiziert der Branchenverband Bitkom, dass der Umsatz mit Industrie-4.0-Lösungen bis 2018 um mehr als ein Fünftel auf sieben Milliarden Euro steigen wird. Jochen Hanebeck, Vorstandsmitglied bei Infineon, sieht Deutschland sehr gut aufgestellt: „Grundsätzlich sind wir in Deutschland und Europa für Industrie 4.0 hervorragend positioniert. Wir haben die gesamten Wertschöpfungsketten und wir beherrschen es, sehr komplexe Produkte in höchster Qualität zu produzieren. Kurz: Im Dinge-Machen sind wir gut.“

Industrie 4.0 ist das Internet der Dinge für die Produktion und vernetzt die gesamte Wertschöpfungskette. Man spricht deshalb auch vom Industrial Internet of Things (IIoT). Intelligente Maschinen tauschen Informationen miteinander aus und organisieren sich selbst. Prozesse über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg sind vernetzt und lassen sich automatisieren. So wird die Produktion insgesamt effizienter und flexibler. Das bringt weitreichende Veränderungen mit sich. Deshalb steht der Betriff Industrie 4.0 kurz für die vierte industrielle Revolution.

Derzeit haben rund ein Fünftel der deutschen Unternehmen erste Industrie 4.0-Projekte realisiert. Vorreiter sind große Firmen mit einem IT-Budget von mehr als zehn Millionen Euro. Besonders aktiv ist bisher die Halbleiterindustrie. Auch die Holz- und Möbelindustrie sowie der Maschinenbau bauen bereits auf Industrie 4.0-Projekten auf. (Quelle: „Industrie 4.0 – Wo steht Deutschland“ )

Mit der Erfindung des mechanischen Webstuhls 1784 begann die erste Phase der industriellen Revolution. Mechanische Produktionsanlagen wurden durch Wasser- oder Dampfkraft angetrieben. Die Einführung der Elektrizität als Antriebskraft Ende des 19. Jahrhunderts läutete die zweite Phase ein. So machte das erste Fließband in den Schlachthöfen von Cincinnati 1870 arbeitsteilige Massenproduktion möglich. Die dritte Phase begann mit dem Einsatz von IT und Elektronik in der Produktion in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts. 1969 gab es die erste speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die eine weitere Automatisierung ermöglichte. Heute befinden wir uns am Beginn der vierten industriellen Revolution, in der vernetzte, intelligente Systeme in einer Smart Factory agieren.

Erstmals kam der Begriff auf der Hannover Messe 2011 auf. Branchenverbände und ihre Mitgliedsunternehmen, die Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF) sowie für Wirtschaft und Energie (BMWi) schlossen sich zusammen, um den Aufbruch ins vierte industrielle Zeitalter voranzutreiben. April 2013 gründeten sie die Plattform Industrie 4.0, die Unternehmen bei ihrer Digitalisierung unterstützen.

Dank Industrie 4.0 sind Unternehmen in der Lage, ihre Produktion zu optimieren und sich im internationalen Wettbewerb zu behaupten. Datenanalysen machen alle Prozessschritte transparent. Die Fertigung wird stärker automatisiert, flexibler und kostengünstiger. Unternehmen können zudem auch kleinere Mengen nach individuellen Anforderungen effizient produzieren. Gleichzeitig stellen Industrie 4.0 und IoT hohe Anforderungen an die Sicherheit, denn mit jedem vernetzten Gerät entsteht auch ein neues potenzielles Einfallstor für Hacker.

Die Digitalisierung und Industrie 4.0 verändern den Arbeitsmarkt: Viele Routineaufgaben werden wegfallen. Dafür entstehen aber auch neue Jobs. Gefragt sind künftig komplexere, anspruchsvollere Tätigkeiten, zum Beispiel im Bereich der Datenanalyse oder Wartung. Der Mensch steht weiterhin im Mittelpunkt. In der Halbleiterfertigung von Infineon in Dresden beispielsweise ist die Zahl der Mitarbeiter in den vergangenen Jahren in etwa konstant geblieben, bei einer Automatisierung von rund 90 Prozent in der 200-Millimeter-Fertigung und nahezu 100 Prozent in der 300-Millimeter-Fertigung. Die Automatisierung erhält die Wettbewerbsfähigkeit und schafft so die Voraussetzungen für Wachstum und Arbeitsplatzsicherheit.

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