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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

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