Blick in die Zukunft: Industrie 4.0

Blick in die Zukunft: Industrie 4.0Die Fusion von Produktionsstechnik, Informationstechnologie und Internet Von Walter SimonMan stelle sich eine fast menschenleereFabrikhalle vor, in der Fahrroboter wie vonGeisterhand gesteuert Fertigungsanlagenund Abfüllstationen anfahren, um Rohlinge,Halb- oder Fertigprodukte anzuliefern oderabzuholen. Die zu erledigenden Arbeitsschrittewurden nicht in die Maschine einprogrammiert,sondern kommen von demWerkstück, das zu bearbeiten ist. Dieser Rohlingist „intelligent“. Der Kunde kann den Produktionsstandseines Auftrages online kontrollierenund sich beruhigt zurücklehnen.„Alles paletti“. Die Produktionsdaten gehenautomatisch in die Tablets oder Smartphonesder Mitarbeiter einschließlich der LKW-Fahrer,damit diese entsprechend disponierenkönnen. Natürlich „denkt“ auch die Maschinemit und gleicht den Auftrag mit dem nochvorhandenen Material und gibt Order an dasjeweilige Transportsystem, Nachschub beizubringen.In der Buchhaltung wird der Auftragautomatisch fakturiert.Industrie 4.0 ermöglicht die vertikale Integrationvon technischen und kaufmännischenAufgaben und Prozessen. Tritt nun aber dochein Problem auf, beispielsweise der Ausfalleines Fertigungsroboters, ergeht Meldung andas Werkstück, das sich nun eine andere Fertigungsstationsucht, soweit diese verfügbarist. Auch das geschieht vollautomatisch. Istdas Fertigungsmodul nicht „ansprechbar“,prüft das intelligente Produkt, ob gegebenenfallsder übernächste Produktionsschrittvorgezogen werden könnte. Das war und istheute noch Sache der Fertigungsplanung. Im4.0-Zeitalter prüft und entscheidet der eingebetteteMikroprozessor darüber. Er klärtmittels M2M-Kommunikation (Mensch-zu-Maschine) in Sekundenschnelle die Situa tionund trifft seine Entscheidungen. Das sichbisher passiv verhaltende Material bekommteine aktive Rolle.Das Attribut „intelligent“ wird dem Produktdurch einen erbsengroßen Mikroprozessorverliehen, der sich im oder am Produkt befindet.Hierfür hat sich der Begriff „eingebetteteSysteme“ (Embedded Systems, ES)durchgesetzt. Der Chip kann als eine ArtFingerabdruck im Produkt verbleiben, sodass es lokalisierbar oder identifizierbar ist.Im Haushalt findet man solche ES an Heizkostenerfassungsgeräten,die nicht mehrabgelesen werden brauchen, weil sie denVerbrauch funkgesteuert, beispielsweise anTechem, melden.Eingebettete Systeme sind Kombinationenaus Kleinstcomputer und Software,die in andere Systeme (Geräte) eingebettetdiese kontrollieren, steuern und regeln.Beispiele: Herzschrittmacher, implantierteBiosensoren, Mikrowellen-Geräte, ABS,Handys, NavigationssystemeIndividualisierung des Produktsund Dezentralisierungder FertigungAufbau einesEingebettetenSystemsPlötzlich meldet sich ein guter Kunde miteinem Sonderwunsch, der schnellstens erfülltwerden soll. Er benötigt 500 Produkte,beispielsweise Kurbelwellen. Die Produktionarbeitet gerade an einem Auftrag für einenanderen Abnehmer mit einer Losgröße von10 000 Stück. Im Normalfall ist es fast unmöglich,den Sonderauftrag in die laufendeProduktion einzuschleusen, ohne das immenseKosten entstehen. Es gilt die Regel:Je mehr identische Produkte im Fertigungsfluss,um so geringer die Kosten (economyof scale).In der 4.0-Produktion wären sogar Losgrößenvon 1 – also Unikate – machbar. Eineindividuelle Fertigung erscheint möglich. EinRohling wird mit einem Chip ausgestattetund sucht sich seinen Weg durch die Produktion.Leider steht keine Maschine für dievolle Bearbeitungszeit zur Verfügung. DerRohling hilft sich, indem er die Leerlaufzeitenan anderen Maschinen nutzt. DasUnikat wird rechtzeitig fertig. Wir beschreiteneine Schleife von der Einzel- zur Serienfertigungzurück zur Einzelfertigung, letztereohne Produktivitätsverlust.Heute noch werden die Abläufe zentral vonder Produktionsleitung gesteuert und der Arbeitsvorbereitungkoordiniert. Im nächstenJahrzehnt geht die Initiative vom Werkstückbeziehungsweise dem eingebetteten Chipaus, in dem das Fertigungsprogramm für dieMaschine nebst virtuellen Zeichnungen gespeichertist. Das Produkt dient als Informationsträger,auf dem alle Prozessparametergespeichert sind. Die von der ISO 9001 geforderteRückverfolgbarkeit von Produktenwird hier bestens gewährleistet. Es steuertsich selbst durch die Produktion. Wir gehenin das Zeitalter dezentraler Fabrikation.In der „integrierten 4.0-Fabrik“‚ wird nichtmehr sequentiell, also der Reihe nach gear-38Industrial Engineering 2/2013www.refa.de

M ANAGEMENTSTRATEGIENbeitet, wie man es vom Fließband her kennt,sondern entkoppelt, flexibel und integriert.Sie besteht aus Fertigungsinseln, Anlagenoder Robotern, die eine Vielzahl von Operationenausführen können. Die Kommunikationerfolgt funkgesteuert über das Internet,da eine Verkabelung der Fabriksysteme vonder Menge her kaum denkbar wäre. DerMate rialtransport erfolgt über funk- undsensorgesteuerte Transportsysteme.All dies deutet auf einen Paradigmenwechselhin. Hierfür wurde der Begriff „Industrie 4.0“kreiert. Diese IT-affine Nummerierung weistauf den Charakter der 4.0-Version industriellerFertigung hin. Sie wird nicht durchWasser- und Dampfkraft oder Elektrizitätgetrieben, sondern durch das Internet.Die IKT als Auslöser und Treiberder Industrie 4.0Ein Cyber-physical System ist ein Verbundvon mechanischen und elektronischenKomponenten, die über ein Netzmiteinander kommunizieren und sich koordinieren.Bei diesen Komponenten handeltes sich in der Regel um eingebetteteSysteme, die jetzt im Verbund wirken.Die Fertigungssysteme und Produkte der„smart factory“, so eine der Bezeichnungenfür die zukünftige Produktionsweise, sindmit eingebetteten Systemen ausgestattet,die vernetzt funktionieren. Man spricht von„cyber-physical systems“ (CPS). Da diesesaus mehreren, oftmals autonomen Einzelteilenbesteht, wird es als „system of systems“charakterisiert. Hier gilt die aristotelischeErkenntnis, nach der das Ganze mehr als dieSumme seiner Teile ist.Immer mehr drahtlose IKT-Komponentendringen in den Alltag der Menschen und dieBerufswelt ein. Diese sind als Bestandteilvon „Dingen“ (Produkte, Gegenstände, Objekte)drahtlos vernetzt und in der Lage, ihreUmwelt zu erfassen und interaktiv zu reagieren.Das Internet besteht also nicht mehrnur aus Menschen, sondern auch aus Dingen– darum der Begriff „Internet der Dinge“.Beim Internet der Dinge werden Gegenständejedweder Art durch Programmierbarkeit,Speichervermögen und Sensorenintelligent, kommunikations- und steigerungsfähig.Grundlage ist RFID (Radio FrequencyIdentification).Industrie 1.0 Industrie 2.0 Industrie 3.0 Industrie 4.0Ende 18. JahrhundertMechanische Produktionsanlage(Webstühle)Wasser- undDampfkraftBeginn 20.JahrhundertMassenproduktion(Fließband)Elektrische EnergiePhasen und Paradigmen der industriellen EntwicklungIm klassischen Computing waren reale undvirtuelle Welt strikt getrennt. Das dinglicheInternet hat den Prozess der Verschmelzungbeider Welten in Gang gesetzt. Die Fusionwird über die beschriebenen CPS hergestellt,durch das Zusammenspiel von eingebettetenSystemen, Anwendungsgeräten und IKT-Infrastrukturen. Um zweckorientiert zusammenzuwirken,erhalten Gegenstände eine„persönliche“ Internet-Adresse, die für dieInteraktion auf der Basis von Internetprotokollennotwendig ist.Die Voraussetzungen hierfür sind durch dasneue Internetprotokoll IPv6 gegeben. Warenbis vor kurzem nur 4,3 Milliarden Internetadressenmöglich, sind es jetzt 340 Sextillionen(nummerisch: 340.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000).Während das Internet die infrastrukturelleGrundfunktion der Übertragung bietet,ermöglicht das Internet der Dienstespezielle online-Anwendungen, die miteigenen IP-Protokollen in einem Netzwerkfunk tionieren.Mit den neuen Dienstangeboten „2.0“können technische, soziale, wissensbasierteund freundschaftliche Beziehungenzwischen Benutzern aufgebaut werden(Social Media).Das Internet für sich allein ermöglicht keinepraktische Nutzung. Millionen von Computernsind lediglich ein „leeres“ Netzwerk.Es bedarf entsprechender Dienste, die gewünschteAufgaben erledigen. Im World WideWeb werden Webseiten übertragen. Outlookermöglicht den Empfang und Versand von E-Mails. Wer über eBay ein- oder verkauft oderbei Google sucht, bewegt sich im Internet derDienste. Er nutzt einen Dienst, ohne die Softwareinstallieren zu müssen. Die wird aus der„Wolke“ (Cloud) abgerufen. Hier spricht manvom „Internet der Dienste“‘.Beginn 1970er-JahreAutomatisierungdurch Elektronikund ITComputer IntegratedManufacturing –ein 4.0-Vorläufer-Flop21. JahrhundertInformatisierungdurch Internetund CPSFabrikmanager, denen die CIM-Erfahrung(Computer Integrated Manufacturing) ausden 1980er-Jahren noch in den Knochensteckt, meinen, in der 4.0-Industrie ,,altenWein in neuen Schläuchen“ zu erkennen.CIM scheiterte an der fehlenden oder unausgereiftenIKT-Technik. Hinzu kam die Visioneiner menschenleeren Fabrik, die Ängsteund Gegenwehr auslöste. Heute befindenwir uns, zumindest was die Technik angeht,in einer komfortableren Situation. Das,was benötigt wird, ist im Privatbereich derMenschen längst im Einsatz, beispielsweiseMultimedia, Social-Media- und Cloud-Technologien, Tablets und Smart-Phones. Siekönnten auch der Industrie im 4.0-KontextNutzen bieten. Außerdem verfügt die deutscheIndustrie über langjährige Erfahrungenmit eingebetteten Systemen und entsprechendesSoftware-Know-how. Seit gut 15Jahren gibt es Ideen und Lösungen, die demGedankengut der 4.0-Produktionsweise entsprechen.So werden in Autofabriken die imFertigungsfluss befindlichen Fahrzeuge miteinem RFID-Transponder (Radio FrequencyIdentification) ausgestattet, mit denen derProduktionsleitstand in Echtzeit über denFertigungsfortschritt informiert wird.Aufgrund dieses technologischen Reifegradesin Verbindung mit dem hohen Potenzial unseresMaschinen- und Werkzeugbaus sollIndustrie 4.0, so der Wunsch der Bundesregierung,den Status einer Leuchtturmtechnologie„made in Germany“ bekommen.Von der Wertschöpfungskette 3.0zum Wertschöpfungsnetzwerk 4.0Industrie 4.0 soll nicht nur die Produktivitätvorantreiben, sondern auch die Chance zuneuen Geschäftsmodellen bieten. Schon heutebeherbergen viele Industrieunternehmenwww.refa.de Industrial Engineering 2/2013 39

M ANAGEMENTSTRATEGIENunter ihrem Dach interne und externe Dienstleister,etwa im Marketing, Rechnungswesen,Vertrieb und Personalbereich. Viele Dienstleistungensind um einen Industriearbeitsplatzherum angesiedelt. Insbesondere im IKT-Bereichwird sich eine Vielzahl neuer Dienstleistungsjobsentwickeln. Hier ist, so wie seitvielen Jahren, der größte Zuwachs zu erwarten,insbesondere im Softwarebereich. Wenndie virtuelle mit der realen Welt immer mehrverschmilzt und Daten immens an Bedeutunggewinnen, könnte die Datenverarbeitung alsSekundärmarkt fast wichtiger werden als derPrimärmarkt selbst.Es bieten sich auch Chancen für vielfältigeDienstleistungen. Das beschleunigt denWandlungsprozess vom Produktherstellerhin zum produzierenden Dienstleister. Denkbarwäre, dass Fabriken nicht mehr produktorientiert,etwa als Telefonfabrik gebautwerden, sondern als Anbieter verwandterProduktionstechnologien. Für die Herstellungverschiedener Produkte ließe sich dasWerk jeweils schnell umrüsten. Das Wissenund Können, über das früher der schwäbischeMetallfacharbeiter oder der SolingerBesteckmacher verfügten, geht auf IKT-Fertigungskomponentenüber.Verursacher des industriellen 4.0-Sprungesist das Internet. Das Internet ist der Auslöserund (An-)treiber des industriellen Fortschritts.Man agiert in einem Netz. Wer aneinem Tornetz unten zieht, verformt dessensymmetrische Struktur. Jeder Knotenim Netz hängt mit allen anderen Knotenzusammen. Darum wird auch die informationstechnischeVernetzung mit Zulieferern,Kunden und sonstigen Geschäftspartnern zueinem wichtigen Wettbewerbsfaktor.Jede Änderung am Produkt oder im Produktionsverlaufzieht aufwändige Tätigkeitenbei allen Geschäftspartnern nach sich. Dieseerfordern den Einsatz abgestimmter, verzahnterIKT-Systeme. Man befindet sich ineinem Wertschöpfungsnetzwerk. So bedenkeman, dass 250 Systemlieferanten an derHerstellung der BMW-7er-Reihe mitwirken.78 % der Wertschöpfung an PKWs wird vonden Zulieferern geleistet und nur 22 von denHerstellern selbst.Im 4.0-Rahmen funktioniert die Zusammenarbeitzwischen den Automobilherstellernund deren Zulieferern aber nur, wenn dieKompatibilität der verschiedenen Dateiformateder Beteiligten gegeben ist. Die Partnereines Wertschöpfungsnetzwerkes müssensich verständigen und Daten austauschenkönnen. Sie benötigen Softwaresysteme,die als „Simultandolmetscher“ für die verschiedenenSoftwaresysteme und Datenformatefungieren – oder eben einheitlicheSoftwareprogramme. Hier liegt gegenwärtignoch eines der zu lösenden Hauptprobleme.Es geht aber nicht nur um die Orchestrierungder Softwareanwendungen. Der Erfolgvon Industrie 4.0 steht und fällt mit demZusammenwachsen von Maschinenbau, Automatisierung,Elektronik und IKT. Keine derGruppen kann das Thema allein bewältigen.Zu bewältigen wären aber noch andereProbleme, beispielsweise die mangelndeRechtssicherheit, ausreichende Bandbreiten,die Datensicherheit bei unternehmensübergreifendenNetzwerken, die Akzeptanz der4.0-Version industrieller Arbeit und die Qualifikationder beteiligten Mitarbeiter.Gewinner und VerliererDer Begriff „Vierte industrielle Revolution“klingt sehr brachial. Vielleicht sollte man denBuchstaben „R“ streichen, so dass „Evolution“übrig bleibt. Bestimmte Entwicklungenkönnten sich aber als Folge des MoorschenBeschleunigungsgesetzes und der Halbwertzeitdes Wissens sprunghaft vollziehen.Auch Lean Management war zunächst einschwaches Signal im Business-Äther, wurdeschnell stärker und ist heute Industriealltag.Alles, was dauert, währt zu lange, vor allem,wenn die Schätzungen des aus 4.0 resultierendenProduktivitätsfortschritts zutreffen:30 % Produktivitätsfortschritt (!) im Kontextvon Industrie 4.0 bedeutet aber auch,menschliche durch maschinelle Arbeit zuersetzen. Das impliziert einen weiterenRückgang des prozentualen Anteils der inder Industrie beschäftigten Menschen. Von1991 bis 2007 fiel dieser Anteil von 29 auf20 % und wird bis 2020 nach Schätzungendes Autors nochmals um 5 Punkte sinken,ohne Berücksichtigung der aus Industrie 4.0resultierenden Zusatzeffekte.Nach einer volkswirtschaftlichen Faustregelsteigt die Arbeits losigkeit um ein Prozentpro drei Prozent gewachsener Wirtschaftsleistung.Gleichwohl wird der Anteil wissensbasierterTätigkeiten in der Industriezunehmen, in F&E, Konstruktion, Marketing,Personal und Rechnungswesen.Fast zeitgleich zu Beginn der Diskussionum Industrie 4.0 gaben zwei renommierteArbeitsmarktforscher des Massachusetts Instituteof Technology, McAfee und Erik Brynjolfson,ihre Untersuchungsergebnisse überden Zusammenhang von Digitalisierung undArbeitsabbau bekannt. Sie kamen zu demErgebnis, dass die digitale Revolution mehrJobs vernichten würde, als sie neue schaffe.Die Ökonomen warnten vor tektonischenVerschiebungen in der Arbeitswelt.Natürlich wissen die MIT-Forscher, dass diedigitale Revolution weltweit neue Arbeitsplätzeschuf. Jede Arbeit brachte neue Arbeithervor. Aber was ist, wenn auch die neu geschaffeneArbeit größtenteils informatisiertund automatisiert verrichtet wird? Viele ITbasierteTätigkeiten befassen sich letztendlichmit Algorithmen. Je nach dem Grad ihrerStrukturierung können solche Jobs auch voneiner Maschine verrichtet werden. Die Listeder Tätigkeiten, in denen Maschinen bessersind als Menschen, wird immer länger. DerKampf „Mensch gegen Technik“ könnte zugunstender Technik entschieden werden.Literatur[1] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie(BMWi): AUTONOMIK für Industrie 4.0 Produktion, Produkte,Dienste im multidimensionalen Internet der Zukunft.Berlin, 2012[2] Promotorengruppe Kommunikation der ForschungsunionWirtschaft – Wissenschaft: Kagermann, H.; Wahlster,W.; Helbig, J.: Deutschlands Zukunft als Produktionsstandortsichern. Umsetzungsempfehlungen fürdas Zukunftsprojekt Industrie 4.0. Abschlussbericht desArbeits kreises Industrie 4.0, Berlin, 2013[3] Simon, W.: GABALs großer Methodenkoffer Zukunft:Grundlagen und Trends, Offenbach: Gabal, 2011[4] Simon, W.: Abschied von der Normalarbeit. Berufsweltund Arbeitsplatz im Umbruch. Auerbach: Verlag WissenschaftlicheScripten, 2012 V ERFASSERProf. Dr. Walter SimonLeiter des Corporate University CentersBad NauheimKontakt: prof.simon@online.dewww.profsimon.dewww.virtual-uni.deWalter Simon moderiert das Diskussionsforum„Von CIMsalabim zu Industrie 4.0“auf dem 39. Deutschen Industrial-Engineering-Kongressam 7. November 2013in Darmstadt. Weitere Informationen:www.refa.de/events+foren40Industrial Engineering 2/2013www.refa.de