TrendDie vierte industrielle Revolution

Industrie 4.0

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Christoph Hammerschmidt

Christoph Hammerschmidt

freier Journalist

Unter dem Schlagwort »Industrie 4.0« wird mit Hochdruck an der Fabrik und an Produktionsprozessen der Zukunft gearbeitet. Übersetzt man das Konzept, regelt künftig verteilte Intelligenz statt zentraler Rechner die Abläufe. Mit rund 250 Millionen Euro Fördergeld will der Bund deutsche Ingenieurkunst und IT-Know-how global zukunftssicher machen.

23. November 2012

Fabriken, die sich kontinuierlich selbst konfigurieren, Werkstücke, die der Maschine mitteilen, was sie doch bitte schön jetzt als Nächstes tun soll – und das alles ganz ohne einen Zentralrechner, organisiert von der chaotisch anmutenden dezentralen Intelligenz der Maschinen und der Werkstücke: Willkommen im Land der nächsten industriellen Revolution.

»Die Verbindung aus Embedded Systems und moderner Produktionstechnik, von virtueller und realer Fertigungswelt, revolutioniert die gesamte Wertschöpfungskette«, ist sich Wolf-Dieter Lukas, Leiter der Abteilung Schlüsseltechnologien im Bundesministerium für Bildung und Forschung, sicher. Industrie 4.0 ist laut Lukas das wichtigste Technik-Projekt der Bundesregierung. Die Bundesministerien für Forschung und für Wirtschaft haben ein ressortübergreifendes Förderprogramm aufgelegt, das großzügig mit Geld ausgestattet ist. Die Fördermittel sollen Deutschland zum Leitmarkt für cyberphysikalische Systeme (CPS) machen.

Von den Synergieeffekten, die durch die Kombination aus dezentraler Steuerung, moderner Vernetzung und dem Einsatz von cyberphysikalischen Systemen entstehen, erhoffen sich Politik und Wirtschaft einen Produktivitätssprung. »Dazu brauchen wir die Effizienz- und Produktivitätsgewinne, die sich mit diesen Technologien realisieren lassen«.

Beispielsweise soll die Umgestaltung stramm zentral gesteuerter Fertigungsstraßen zu flexibel agierenden Systemen mit dezentraler Intelligenz die Herstellung auch kleiner und kleinster Stückzahlen ebenso wirtschaftlich machen wie diejenige von Großserien und damit den Taylorismus überwinden. Die Flexibilisierung werde so weit gehen, dass Änderungswünsche sogar nach Produktionsbeginn möglich sind. Das geht natürlich nur, wenn klassische Manufacturing Execution Systems (MES) und Warenwirtschaftsprogramme nicht verschwinden, sondern eher noch ausgebaut werden. Experten erwarten, dass diese Applikationen künftig einen Durchgriff bis auf die Sensorebene erhalten werden. Die Aufgabe der direkten Prozess- und Ablaufsteuerung in der Fertigungshalle, dem »Factory Floor«, übernehmen allerdings agile, dezentrale Systeme. Die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) werden grundlegend umgestaltet – oder sie landen gleich dort, wo viele Zentralrechner mittlerweile angekommen sind: im Museum.

Die tragende Rolle der Fabrik der Zukunft, der »Smart Factory«, haben deren Vordenker den cyberphysikalischen Systemen zugedacht. Dabei handelt es sich um Verbünde von Systemen mit eingebetteter Intelligenz, wie sie uns täglich in tausenderlei Geräten mit elektronischer Steuerung begegnen – allerdings weit komplexer und ausgestattet mit der Fähigkeit, selbsttätig zu kommunizieren, also Daten mit einem oder mehreren Partnern auszutauschen. Dieser Datenaustausch findet, so eine weitere Vorgabe, typischerweise über Standardverfahren statt. Hierbei steht das Internet Protocol (IP) im Mittelpunkt. »Das Internet Protocol als weltweit anerkannter Standard ersetzt viele unterschiedliche Feldbusse«, erläutert Lukas. Damit wird das »Internet der Dinge«, eine weitere Zukunftsvision aus den Labors der Wissenschaft in aller Welt, zum integralen Bestandteil des Konzepts »Industrie 4.0«.

Doch wovon reden die Wissenschaftler, wenn sie den Ausdruck cyberphysikalische Systeme in den Mund nehmen? »CPS  in der Produktion sind eingebettete informationstechnische Systeme in Materialien, Bauteilen oder Geräten, die damit anderen CPS oder der Umgebung Informationen liefern«, definiert Thomas Rosenbusch vom Karlsruher Institut für Technologie. Konkret geht es darum, etwa Halbfertigprodukte mit Intelligenz auszustatten, mit einem Datenspeicher in erster Linie, der alle erforderlichen Informationen über das Werkstück, seine Bestimmung sowie Produktionsschritte und -verfahren mit sich trägt. Somit kennt das intelligente Produkt seine individuelle Konfiguration, seinen Auftraggeber, seinen momentanen Zustand sowie seinen Zielort. Dieser Speicher kann in Form eines Chips an dem Werkstück angebracht werden und über eine eingebaute RFID-Antenne mit den Maschinen entlang seines Wegs kommunizieren. Nach jedem Prozessschritt wird der Inhalt aktualisiert.

Der Einsatz solcher smarten Bauteile und Materialien in der Produktion wird, da sind sich Forscher und Ingenieure einig, enorme Auswirkungen haben: In der so bestückten Smart Factory wird die Produktion schneller und gleichzeitig flexibler vonstattengehen. Die miteinander im Datenaustausch befindlichen Halbfertigprodukte und Maschinen können den Ablauf kontinuierlich und auf Basis von künstlicher Intelligenz etwa in der Robotik selbstlernend optimieren. Der Ressourceneinsatz soll effektiver werden, die Transparenz steigen: Genau wie heute schon jeder Versender eines Pakets bei manchen Logistikdienstleistern jederzeit den Verbleib der Sendung verfolgen kann, können Produktionsmitarbeiter, Zulieferer und möglicherweise sogar Kunden in einer Smart Factory den Durchlauf der Güter durch den Fertigungsprozess in Echtzeit verfolgen.

Wie so etwas in der Praxis aussehen könnte, zeigte das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) auf der Hannover Messe im Frühjahr 2012. Auf einer nach den Prinzipien von Industrie 4.0 konzipierten Fertigungslinie produzierten die Wissenschaftler kleine elektronische Schlüsselfinder – jedes Teil versehen mit dem Namen des Empfängers, um die Möglichkeit der Individualisierung zu verdeutlichen. Auf mehreren Bearbeitungsstationen frästen und schraubten Roboter die kleinen Werkstücke zusammen. Entscheidend daran: Die Zusammenarbeit der Roboter wurde von keiner Zentralstation gesteuert, sondern vom Werkstück selbst. Über einen RFID-Chip mit eingespeicherten Produktionsdaten meldete sich jedes Teil bei dem entsprechenden Roboter an, wurde bearbeitet, das elektronische Produktgedächtnis im RFID-Chip aktualisiert, und der Schlüsselfinder wanderte weiter zur nächsten Station.

An vielen Baustellen der Industrie 4.0 wird bereits mit Hochdruck gearbeitet.  Über die Kommunikationsarchitektur solcher Systeme zerbrechen sich beispiels- weise Gelehrte am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz den Kopf. »Letztlich werden wir keine klassischen Steuerungssysteme mehr brauchen«, sagt Detlef Zühlke, Leiter des DFKI-Forschungs-bereichs Innovative Fabriksysteme. »Eine Netzwerkstruktur ersetzt das steuernde Element. Das könnten beispielsweise Service-oriented Architectures (SOA) sein, aber auch Agentensysteme sind dazu geeignet.«

»Das Gute an Industrie 4.0 ist«,  so resümiert Professor August-Wilhelm Scheer, »dass dieses Konzept weniger auf einer organisatorischen Idee basiert als vielmehr auf einer verfügbaren Technologie. Insofern ist bei diesem Ansatz auch eine wesentlich höhere Realisierungschance gegeben als bei früheren Ideen wie dem Computer-integrated Manufacturing (CIM).« Das sei eine große Chance für Deutschland. Während andere Staaten traditionelle Industrien an Asien abgegeben hätten, könne Deutschland hier die industrielle Weiterentwicklung bestimmen. Scheer dazu: »Insofern kann man mit gutem Gewissen von einer vierten industriellen Revolution sprechen.« 

Historie

1.0 | Ende 18. Jahrhundert
Erste industrielle Revolution durch die Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe  von Wasser- und Dampfkraft.

2.0 | Beginn 20. Jahrhundert
Zweite industrielle Revolution durch die Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit Hilfe von elektrischer Energie.

3.0 | Beginn 70er Jahre
Dritte industrielle Revolution durch den Einsatz von Elektrotechnik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion.

4.0 | Heute
Vierte industrielle Revolution auf Basis cyber- physikalischer Systeme.

Ausgabe 2012/02

Ausgabe 2012/02

Dieser Artikel erscheint auch in unserem IT-Magazin <atFERCHAU>. Möchten Sie weitere spannende Artikel lesen?

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