3 Industrie 4.0 – die vierte industrielle Revolution

Der Begriff Industrie 4.0 fand seine Prägung für die breite Masse im Veranstaltungsrahmen der Hannover Messe 2013. Mittlerweile findet der Begriff bei Anbietern von Soft- und Hardwarelösungen, in der Automatisierungsbranche, im Maschinen- und Anlagebau sowie in der Informations- und Kommunikationstechnik die gleiche Verwendung. Es herrscht ein gemeinsames Verständnis über die Möglichkeiten von Industrie 4.0 Technologien, insbesondere für die Fertigung und Logistik.[62] Der Begriff Industrie 4.0 wird oft in Verbindung mit der vierten industriellen Revolution gebracht. Es ist sinnvoll, zunächst die bereits erfolgten drei Revolutionen zu erläutern, auf diese die Vierte aufbaut.[63]

Die erste industrielle Revolution erfolgte Mitte des 18. Jahrhunderts. Auf Basis der Dampfmaschine fand eine Mechanisierung der Landwirtschaft sowie die Verarbeitung bzw. die Gewinnung von Rohstoffen statt. Produktionsstätten konnten durch die Ausweitung von Dampfschiffen, Kanälen und Eisenbahnen weiträumig vernetzt werden. In weitere Folge erfolgte Ende des 19. Jahrhunderts die großräumige Versorgung von Städten, Eisenbahnen sowie Fertigungsstätten mit Elektrizität. Diese zweite Revolution beinhaltet ebenfalls den Einsatz von Telegraphen, Telefonen und Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen und im Luftverkehr.[64]

Mitte der 70er Jahre gelang es, mittels Automatisierung, die Produktion und Produkte voranzutreiben.[65] Die Massenproduktion wurde von Computern unterstützt. Computergesteuerte Systeme übernahmen die Steuerung von Maschinen und Abläufen.[66] In Deutschland wurde dieser Abschnitt als Wirtschaftswunder bezeichnet. Neben der Automatisierung fand die Informations- und Kommunikationstechnologie ihren Einzug. Die Folge davon waren Effekte im Bereich der Rationalisierung und Serienfertigung mit Varianten.[67]

In der vierten Revolution weist vieles auf eine Umwälzung hin, wie sie damals in der zweiten und dritten Revolution stattgefunden hat.[68] Das heute zur Verfügung stehende Internet lässt eine weltweite Kommunikation bzw. Koordination von Wertschöpfungsnetzwerken zu. Die Steuerung der Maschinen von Fertigungssystemen erfolgt jedoch im Rahmen von abgeschlossenen Systemen hierarchisch. Sie sind damit von der weltweiten Vernetzung abgeschlossen.[69] Die nachstehende Abbildung fasst alle vier Stufen der industriellen Revolution mit ihren Schwerpunkten zusammen:

Abbildung 10: Die vier Stufen der industriellen Revolution[70]

Durch den Einsatz des Internets und Anwendungen aus den Netzdiensten ergeben sich komplett neue Produkte und Dienstleistungen.[71]

3.1 Ziele von Industrie 4.0

Das wesentliche Ziel ist die Nutzung von heutigen und zukünftigen Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) im Produktionsbereich.[72] Durch den technologischen Fortschritt der IKT sind im Bereich der Produktion bereits leistungsfähige und günstige Sensoren und Aktoren erhältlich.[73] Es wird eine großräumige Nutzung von echtzeitnahen Daten erwartet. Durch die Integration von Intelligenz in Produkte und deren Einsatz in der Fertigung, auch als „duale Strategie“ bekannt, werden ebenfalls Effekte erwartet. Durch die Vernetzung von Maschinen, Produkten und Behälter sind positive Auswirkungen in Bezug auf Kosten und Zeit anzunehmen.[74] Die erfolgreiche und wirtschaftliche Entwicklung von Produkten der Zukunft benötigt die Unterstützung von digitalen Tools und Informationstechnologien.[75]

IT-Infrastrukturen und Dienstleistungen sind im Sinne von Cloud Computing, also intelligenten Netzwerken, erhältlich. Leistungsstarke autonome Objekte verknüpfen sich miteinander und mit dem Internet. Dieser Bereich fällt unter den Begriff Embedded Systems. Die Verschmelzung von physikalischer und virtueller Welt wird Cyber Physical Systems (CPS) genannt.[76] Mit diesem Ansatz sind Aufträge in der Lage, sich autonom durch die komplette Wertschöpfungskette zu steuern.[77] Zusammengefasst beinhaltet die duale Strategie folgende Elemente:[78]

 Firmenübergreifender Aufbau von Wertschöpfungsketten und –Netzwerken (horizontale Integration)

 Digital durchgehendes Engineering über die komplette Wertschöpfungskette von Produkt und Produktionssystem

 Entwicklung und Umsetzung eines flexiblen und rekonfigurierbaren Fertigungssystems innerhalb des Unternehmens (vertikale Integration)

Für die Adaption der Informations- und Kommunikationstechnologie an Anwendungen in der Fertigung leiten sich weitere Ziele ab: Robustheit, Ausfallssicherheit, Informationssicherheit und Echtzeitfähigkeit;[79]

3.2 Annäherung an den Begriff Industrie 4.0

Der Begriff Industrie 4.0 findet sich in den unterschiedlichsten Ausprägungen in Bezug auf Zielrichtung und den Betrachtungsbereich wieder. Gegenwärtig ist keine allgemein gültige Charakteristik vorhanden.[80] Die Plattform Industrie 4.0 definiert den Begriff folgendermaßen:

„….Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten. Durch die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen entstehen dynamische, echtzeitoptimierte und selbst organisierende, unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie bspw. Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.“[81]

Auf dieser Definition aufbauend werden im Rahmen des Einflussbereiches von Industrie 4.0 die Technologiefelder erläutert, die davon stark geprägt sind (Abbildung 11). Die Charaktereigenschaften von Industrie 4.0 Technologien dienen der Vernetzung von Menschen, Maschinen, Objekten und IKT-Systemen. Eine klare Abgrenzung von Technologiefeldern und Einflussbereiche durch Industrie 4.0 ist jedoch nicht durchführbar. Die Einflüsse auf die Wertschöpfungskette durch diese Technologien wirken sich je nach Branche unterschiedlich aus.[82]

Abbildung 11: identifizierte Technologiefelder[83]

In den folgenden Abschnitten werden die Technologiefelder und weitere Begriffe in Zusammenhang mit Industrie 4.0 genauer erläutert.

3.3 Das Internet der Dinge

Den Namen “Internet der Dinge” gibt es schon seit ca. zehn Jahren und wurde aus dem englischen “Internet of Things“ (IoT) übersetzt. Mit IoT wurde eine neue Entwicklungsstufe des Internets benannt. Zu Beginn bot das Internet eine Form von Kommunikation zwischen Personen, die sich mittels Computern vernetzten. Mit dem Web 2.0 konnten sich beliebig viele Personen sozial vernetzen. Gegenwärtig lassen sich beliebige Geräte mit Schnittstelle zum World Wide Web untereinander verbinden. Obwohl dies vor zehn Jahren möglich war, konnte sich die Idee nicht durchsetzen. Mit dem Schlagwort Industrie 4.0 kommt IoT wieder ins Gespräch, wobei Industrie 4.0 einen Teil davon abbildet.[84] Treiber für den Trend bezüglich vernetzter Welten und Industrie 4.0 ist die schnelle Entwicklung von vernetzungsfähigen Dingen (Abbildung 12).[85]

Abbildung 12: Wachstumskurve vernetzter Geräte[86]

Mittels IoT können Computer und Informationssysteme „hören und sehen“. In naher Zukunft besitzen Objekte die Fähigkeit, Informationen über deren Umfeld selbständig und autonom an Systeme weiterzugeben. Für wirtschaftlich sinnvolle Bereiche, bietet eine Erhebung von detaillierteren Daten neue Möglichkeiten an Produkte, Prozesse und Dienstleistungen.[87]

3.4 Embedded Systems und Cyber Physical Systems CPS

Embedded Systems (eingebettete Systeme) kommen überall da vor, wo eine direkte Interaktion mit der Umgebung erfolgen soll. Die Automobilindustrie stellt ein großes Anwendungsgebiet für solche Systeme dar. Heutzutage finden sich in Fahrzeugen bis zu 100 eingebettete vernetzte Systeme wieder, die mittels unterschiedlichen Datenbussystemen verbunden sind. Dabei werden Steuerungsfunktionen für Fensterheber, Sitzverstellung usw. übernommen. Für die Verarbeitung von Steuerung und...