Schöne neue Welt: Industrie 4.0


Titelthema a:lot 18 - Frühling 2016

Seit der Begriff „Industrie 4.0“ vor knapp fünf Jahren in die Öffentlichkeit kam, hat er eine inflationäre Entwicklung genommen. Keine Technikmesse, auf der er nicht diskutiert wird, kein Fachmagazin, das sich nicht auf die eine oder andere Weise damit auseinandersetzt. Trotzdem (oder gerade deswegen) bleibt Industrie 4.0 für viele Geschäftsführer und Mitarbeiter klein- und mittelständischer Betriebe aus der Elektronikfertigung abstrakt. Was ist zu beachten? Was wird sich konkret ändern?

Kritiker behaupten, dass es Industrie 4.0 gar nicht gibt. Einige von ihnen sehen die heutigen Entwicklungen lediglich als Konsequenz und Fortsetzung der dritten industriellen Revolution (siehe Infokasten). Eine vierte stünde uns also erst noch bevor. Andere Kritiker sind der Meinung, der Stellenwert einer Veränderung lasse sich erst nachträglich und nicht im laufenden Prozess feststellen. Ob wir uns jetzt also tatsächlich in einer industriellen Revolution befinden, nämlich der vierten, müssten folglich nachfolgende Generationen beurteilen. Genau dieses Denkmuster will Industrie 4.0 unter anderem überwinden: Prozesse sollen nicht mehr im Nachhinein bewertet und angepasst werden, sondern während sie stattfinden, und zwar vollautomatisch.
Tatsächlich beschäftigt sich seit einigen Jahren eine wachsende Schar von Wissenschaftlern, Ingenieuren, Kaufleuten, Gewerkschaftern, Journalisten und Politikern mit dem Thema Industrie 4.0. Einmal in die Welt gesetzt, ist der Begriff zum Inbild unserer Zukunft geworden. Wenn wir sie erfolgreich und angenehm gestalten wollen, so die Annahme, geht das nur mit Industrie 4.0. Dabei geht es vor allem darum, die Wettbewerbsfähigkeit im internationalen Vergleich, insbesondere mit den USA und einigen fernöstlichen Ländern, aufrechtzuerhalten. Industrie 4.0 soll gewährleisten, dass Deutschland nicht nur den Anschluss nicht verliert, sondern zu einem Vorreiter und Marktführer wird.

Die Elektronikfertigung ist doppelt gefordert

Auch und besonders die Elektronikfertigung steht im Zeichen von Industrie 4.0. Zum einen, weil ihre eigenen Produktions- und Prozessabläufe entsprechend angepasst werden müssen, wenn die deutschen Unternehmen international wettbewerbsfähig bleiben wollen. Zum anderen ist die Elektronikindustrie in besonderer Weise gefordert, die Voraussetzungen für eine Umsetzung der Vorgaben und Ziele von Industrie 4.0 zu schaffen. Nicht zuletzt deshalb haben der Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e. V. (BITKOM), der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) und der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (ZVEI) eine gemeinsame Geschäftsstelle „Plattform Industrie 4.0“ gegründet, die sich ausschließlich mit diesem Thema beschäftigt.
Diese Plattform baut auf den Grundlagen auf, die die „Forschungsunion Wirtschafts-Wissenschaft zu Industrie 4.0“ erarbeitet hat. Konkret sollen die Ergebnisse in Richtung Industrie vorangetrieben werden und zwar in acht Handlungsfeldern. Diese können zum Teil von Unternehmern schon jetzt konkret angegangen beziehungsweise umgesetzt werden. Bei einigen sind jedoch übergreifende Lösungen nötig und abzuwarten. Insbesondere wenn gesamteuropäische Standards angestrebt werden, kann dieser Prozess sich noch lange hinziehen.


Was ist Industrie 4.0?

„Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend individualisierten Kundenwünschen und erstreckt sich von der Idee, dem Auftrag über die Entwicklung und Fertigung, die Auslieferung eines Produkts an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen.
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 beispielsweise Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.“
Umsetzungsstrategie Industrie 4.0, Ergebnisbericht der Plattform Industrie 4.0


1. Standardisierung, offene Standards für eine Referenzarchitektur
Ein wichtiger Bestandteil bei der Umsetzung von Industrie 4.0 ist eine übergreifende Vernetzung auf allen Ebenen. Das betrifft Systeme, technische Einrichtungen und Unternehmen. Ein solches Netzwerk kann nur dann funktionieren, wenn alle daran Beteiligten in einer standardisierten Weise miteinander kommunizieren und die Schnittstellen vereinheitlicht sind. Ein babylonisches Sprach-gewirr oder eine individuelle Abschottung führen zwangsläufig zum Scheitern.

2. Beherrschung komplexer Systeme
Ein wesentlicher Baustein auf dem Weg zu Industrie 4.0 sind cyber-physische Systeme (CPS). Dabei handelt es sich um Netzwerke eingebetteter Systeme, die mit Sensoren und Aktoren ausgestattet sind. Sämtliche an der Wertschöpfungskette beteiligten Elemente werden mit solchen kleinen Computern ausgestattet, die wiederum über das Internet der Dinge (IoT – internet of things) miteinander verbunden sind und in Echtzeit kommunizieren. Auf diese Weise verbinden sich physische und digitale Welt miteinander. Diese automatische Steuerung ist in mehrerlei Hinsicht eine äußerst komplexe Herausforderung. Um sie zu beherrschen, müssen Auto-matisierungen für zahlreiche Tätigkeiten genutzt und geschaffen werden. Datenmengen, Informationsflüsse und Entscheidungs-kriterien müssen sicher gehandhabt und beherrscht werden.

3. Flächendeckende Breitband-Infrastruktur
Für den Datenaustausch zwischen Gebäuden, Objekten, Anlagen, Materialien usw. muss eine sichere Breitbandkommunikation auf Basis funkgestützter Technologien möglich sein. Da immer mehr kabelgebundene Geräte auf die Wirelesstechnik umgestellt werden, sind die Netze oftmals überlastet. Mit dem europäischen Funkstandard EN 300328, der Anfang 2015 in Kraft getreten ist, soll dieses Problem insbesondere im Hinblick auf Industrie 4.0 behoben werden. Einzelne Unternehmen müssen dafür Sorge tragen, dass sie eine lückenlose und stabile Wireless-Umgebung schaffen.

4. Sicherheit
Nach einer Studie des Verbands der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) aus dem Jahr 2015 stellt die Frage der Sicherheit das größte Hindernis bei der Umsetzung von Industrie 4.0 dar. 70 Prozent der Befragten gaben an, dass sie Bedenken im Hinblick auf die IT-Sicherheit haben. Das Ziel muss deshalb sein, die Betriebssicherheit, den Datenschutz und die IT-Sicherheit für alle beteiligten Unternehmen zu gewährleisten. Eine wichtige Herausforderung ist dabei, die Office-IT und die Produktions-IT miteinander zu verknüpfen, weil es zwischen beiden im Rahmen von Industrie 4.0 zahlreiche Schnittstellen gibt. Experten empfehlen deshalb, die Trennung der beiden Bereiche aufzuheben, indem ein Experte oder eine Abteilung damit beauftragt wird, die IT-Sicherheit im gesamten Unternehmen zu überwachen.

5. Arbeitsorganisation und Arbeitsplatzgestaltung
Macht Industrie 4.0 die menschliche Arbeitskraft überflüssig? Experten verneinen das, weisen jedoch darauf hin, dass die Arbeitsplätze komplett anders gestaltet sein werden. Die Automatisierung wird weiter voranschreiten, mobile Leichtbauroboter und intelligente Assistenzsysteme werden die menschlichen Arbeitskräfte zukünftig unterstützen (s. a:lot 17, Winter 2015, S. 20). Menschen werden bei Industrie 4.0 vor allem als Planer und Entscheider gefordert sein. Die extrem hohe Flexibilität der Fertigung bietet den Mitarbeitern dabei neue Möglichkeiten, ihre persönlichen Anliegen zeitlich flexibler einzubringen, ohne dass dadurch Zusatzkosten entstehen.

6. Aus- und Weiterbildung
Die Mensch-Maschine-Interaktion wird komplett neue Arbeitsplätze und –weisen schaffen. Die Mitarbeiter müssen rechtzeitig darauf vorbereitet und ständig weitergebildet werden, um den neuen Herausforderungen gewachsen zu sein.

7. Rechtliche Rahmenbedingungen
Die konsequente Umsetzung von Industrie 4.0 wirft vollständig neue Rechtsfragen auf, die möglichst rasch, umfassend und einheitlich geklärt werden müssen. Dabei darf es nicht nur um nationale Rahmenbedingungen gehen, sondern mindestens um europäische. Beispielsweise muss geklärt werden wie digitale Güter geschützt werden können. Außerdem bedarf es eines Vertragsrechts für Verträge, die zwischen Maschinen geschlossen wurden. Auch sind zahlreiche Fragen der Haftung zu klären, wenn Schäden entstehen, bei denen einzig und alleine Maschinen oder Systeme die Entscheidungen getroffen haben.

8. Ressourceneffizienz
Der verantwortungsvolle Umgang mit allen Ressourcen, also nicht nur Roh-, Hilfs und Betriebsstoffen, sondern auch mit personellen und finanziellen Ressourcen, muss auch bei der Umsetzung von Industrie 4.0 eine wesentliche Bedingung sein.

Von der Vision in die Wirklichkeit

Diese gewaltigen Aufgaben könnten dazu verleiten, Industrie 4.0 als Vision anzusehen, deren Umsetzung noch Jahrzehnte dauern wird. Tatsächlich haben zahlreiche einzelne Elemente des Gesamtkonzepts längst Einzug in viele Produktionen gehalten. Nach der oben erwähnten Studie des VDE waren drei Viertel der Befragten überzeugt davon, dass die Smart Factory bis 2025 real sein wird. Wer sich also noch nicht konkret mit dem Thema auseinandergesetzt hat, sollte keine Zeit verlieren, um nicht den Anschluss zu verpassen.
Beim Smart Electronic Factory e.V. (www.smart-electronic-factory.de), einer Informations- und Demonstrationsplattform für die Industrie 4.0, ist die Umsetzung der Vision schon heute weit fortgeschritten. Der Zusammenschluss einiger mittelständischer Unternehmen hat sich zum Ziel gesetzt, „Industrie 4.0-Szenarien, mit Fokus auf mittelstandtaugliche Lösungen, in der realen Produktion von Unternehmen umzusetzen“. An der 2014 gegründeten Initiative wirken verschiedene Soft- und Hardware-Hersteller sowie universitäre Einrichtungen mit. Gemeinsam haben sie beim EMS-Dienstleister Limtronik eine Industrie 4.0-Evaluierungsumgebung geschaffen, die in ihrer Art bisher einzigartig ist. Die Smart Electronic Factory bietet sowohl der Industrie als auch den Forschern die Möglichkeit, die einzelnen Prozesse bei der Schaffung einer Industrie 4.0-Umgebung besser zu verstehen und laufend zu optimieren.


Warum 4.0?

Seit der Industrialisierung werden verschiedene Phasen unterschieden, die jeweils durch epochale Erfindungen eingeläutet wurden. Den Beginn der Industrialisierung kennzeichnet die Mechanisierung durch den Einsatz von Wasser- und Dampfkraft. Als zweite industrielle Revolution wird die Massenfertigung mit Hilfe des Fließbands sowie unter Einsatz elektrischer Energie bezeichnet. Die weitere Automatisierung der Fertigung durch den Einsatz von Mikroelektronik (NC- und CNC-Steuerungen) wird als digitale Revolution oder auch dritte industrielle Revolution bezeichnet. Mit Industrie 4.0 wird nunmehr die vierte industrielle Revolution beschrieben, bei der Produktion sowie Informations- und Kommunikationstechnik zusammenwachsen.


Und was ist der Nutzen?

Indem die Fertigungsstraßen sich selbst den sich ändernden Produkt- und Auftragsanforderungen anpassen, wird die Produktion sehr viel flexibler, ohne dadurch wesentliche Mehrkosten zu verursachen. Es werden keine starren Fertigungseinheiten für Großserien mehr erforderlich sein, weil die Produktionsumgebung sich ohne aufwendige physische Umbauten auf alle Anforderung selbstständig einstellt. Individuelle Kundenwünsche können auf diese Weise auch in kleiner Stückzahl nicht nur besser und schneller umgesetzt werden, sie verur-sachen darüber hinaus auch keine wesentlich höheren Kosten.
Gleichzeitig wird die Fehlerquote in der Fertigung nahezu auf null gesenkt. Da alle Informationen stets in Echtzeit zur Verfügung stehen und ständig miteinander ausgetauscht und abgeglichen werden, können die Systeme sehr flexibel auf Störungen reagieren und aufgrund der großen Datenbasis die richtigen Entscheidungen für einen optimalen Produktionsablauf treffen. Auf diese Weise wird die Effizienz in der Produktion steigen, die Ressourcen, wie Maschinen, Energie und Material, werden optimal genutzt.

Text: Volker Neumann


Buchtipp: Industrie 4.0 im internationalen KontextIndustrie 4.0 wird die gesamte Wertschöpfungskette entscheidend verändern. Weltweite Initiativen bilden sich, um Produktionsmethoden durch globale Vernetzung zu revolutionieren und die Effizienz zu steigern und ebnen so den Weg zur intelligenten Fabrik. Das Buch stellt die wichtigsten Bestandteile und wesentliche Aspekte des Gesamtkonzepts vor und beantwortet die Frage, wie intelligente Produkte hergestellt werden können.
(Manzei, Christian; Schleupner, Linus; Heinze, Ronald/Hrsg., Industrie 4.0 im internationalen Kontext: Kernkonzepte, Ergebnisse, Trends, VDE Verlag 2016, 261 Seiten, Festeinband, 59,- Euro, ISBN 978-3-8007-3671-3)


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