Technologien der Industrie 4.0: Wohin geht die Reise?

04. September 2019 Rafal Jasinski

Die vierte industrielle Revolution ist geprägt von neuen Technologien und der Digitalisierung gesamter Branchen. Auf der ganzen Welt ziehen Unternehmen aus den Bereichen Herstellung, Lagerung und Logistik immer mehr neue Vorteile aus den wichtigsten Technologien der Industrie 4.0.

Die einzelnen Trends dieser technologischen Revolution ändern und entwickeln sich immer weiter. Heutzutage geht es um mehr als bloße Automatisierung. Was genau diese Trends und Technologien sind, soll dieser Artikel im Folgenden erörtern.

Was ist Industrie 4.0?

Der in Deutschland geprägte Begriff steht für die vierte industrielle Revolution als der nächste Schritt nach der Einführung der Dampfmaschine (die erste Revolution), elektrischer Gerätschaften (die zweite Revolution) und grundlegender EDV-Systeme in den Siebzigern (die dritte Revolution).

Jede Revolution brachte neue Vorteile und die Lösung bisheriger Probleme mit sich. Die heutigen, linearen Produktionsabläufe nutzen eingebettete Systeme, um Maschinen für verschiedene Aufgaben durch zweckgebundene Maßnahmen zu steuern – zum Beispiel die Geschwindigkeit eines Fließbandes oder die Steuerung von numerisch kontrollierter Maschinen. Solche Produktionssysteme erstellen eine begrenzte Anzahl Daten über Rohmaterialien, Prozessparameter und die endgültigen Produkte. Die gesammelten Daten werden nur periodisch analysiert, sodass jegliche Prozessoptimierungen stets verzögert eingeführt werden.

Der Zyklus der Industrie 4.0

Industrie 4.0 steht für die grundlegende Veränderung der Funktionsweise von Produktionsabläufen – sie beschreibt den Schritt von linearen Abläufen hin zur Integration von und Zugang zu Daten in Echtzeit.

Cyber-physische Systeme – bei denen digitale Computer an reelle Abläufe gekuppelt sind – ermöglichen die Sammlung, Integration und tiefgreifende Analyse von Daten aus den Maschinen und Systemen eines Unternehmens. So können physische Prozesse im digitalen Raum verwaltet werden. Anstelle reaktiv zu handeln, wie es bis Dato meist üblich war, können Unternehmen jetzt in Echtzeit agieren und Prozesse anpassen. Diese Systeme können sich automatisch optimieren und sich an neue Bedingungen unabhängig voneinander anpassen – so können ganze Produktionsabläufe konstant verbessert werden.

In diesem Zyklus fließen Daten und Maßnahmen fortwährend zwischen der physische und digitalen Welt. Der Zyklus besteht aus drei Phasen:

  • Physisch zu digital: Unternehmen sammeln Information aus der physischen Welt und erstellen digitale Einträge
  • Digital zu digital: Durch Advanced Analytics können – oft in Verbindung mit KI – wertvolle Einblicke erlangt werden
  • Digital zu physisch: Digitale Entscheidungen werden zu physischen Maßnahmen und Änderungen

Industrie 4.0 & das Internet der Dinge

Die Verbindung zwischen der physischen und digitalen Welt ist in der Industrie 4.0 von großer Bedeutung. Hierfür sind Sensoren ein absolutes Must, da sie die erforderlichen Daten präzise aufnehmen und sammeln.

Industrie 4.0 ist die Integration des Internets der Dinge (Internet of Things – IoT) innerhalb von Arbeitsabläufen. IoT ist ein wichtiger Baustein, der die Konnektivität zwischen Endgeräten ermöglicht. So kommen Technologien wie Advanced Analytics, künstliche Intelligenz und erweiterte Realität erst richtig zur Geltung. Das ist ein immenser Vorteil für additive Fertigung, Robotik und moderne Werkstoffe. Diese Integration erlaub es physischen Systemen, miteinander zu kommunizieren und zu kooperieren. Nicht nur zwischen Maschinen, sondern auch mit Menschen. Dabei handeln sie auf Basis von Einblicken, die auf dem sich aus den gesammelten Daten ergebenen Gesamtbild basieren.

Die folgende Illustration zeigt dies anhand von Beispielen von Technologien, die bei jedem Schritt des Zyklus angewandt werden.

Digital Twin – ein wesentliches Element der Industrie 4.0

Ein wesentlicher Bestandteil von Industrie 4.0 ist der Digital Twin. Das ist die neuste und am schnellsten wachsende Technologie, von der Unternehmen Vorteile ziehen können.

Kurz gesagt ist ein Digital Twin eine virtuelle Kopie eines physischen Objektes, Prozesses oder Produktes, die in Echtzeit aktualisiert wird. Über Digital Twins haben wir bereits einen Artikel veröffentlicht, doch es soll an dieser Stelle nochmal gesagt sein, dass man Digital Twins bei Einzelgeräten wie auch gesamten Produktionsanlagen anwenden kann kann. Ein Digital Twin kombiniert Daten aus verschiedenen Quellen – so wie Echtzeit-Datenmessungen durch IoT Sensoren, Metadaten, CAD Designs, Berichte und Dokumentationen, die während der Lebenszeit einer Anlage erstellt werden. Unternehmen können mit diesen Daten Simulationen machen, in Echtzeit auf Änderungen der Parameter reagieren und so Ausfälle vermeiden, Produktionsprozesse managen, Lieferketten optimieren und mehr.

Im zuvor erwähnten Zyklus ist der Digital Twin die Hauptverbindung zwischen der digitalen und physischen Welt. In Kombination mit prozessstarken Computern und fortschrittlichen Algorithmen für Echtzeit-Analysen erlauben sie fundamentale Design- und Prozessänderungen, die durch andere Methoden nicht zu erreichen sind.

Was kommt als nächstes? Wir bringen Digital Twin auf die nächste Ebene. Am Rethink! Smart Manufacturing Summit in Berlin am 30 September und 1 Oktober geben wir unsere Lösung bekannt. Wir werden darüber bald auch auf unserer Website posten.

Wozu wird Digital Twin genutzt?

Digital Twin kann für eine Reihe von Anlagen für verschiedene Zwecke benutzt werden. Zum Beispiel erlaubt die virtuelle Kopie einer Maschine innerhalb eine Produktionslinie die Überprüfung und Optimierung der Leistung des Geräts.

Doch das volle Potential von Digital Twin kommt erst zur Geltung, wenn es mit anderen virtuellen Kopien in einem jeweiligen Ablauf kombiniert wird – wenn also die Digital Twins von einzelnen Geräten miteinander interagieren. Sie tauschen Daten miteinander aus und erlauben die Gestaltung eines Gesamtbildes aller Abläufe und der einzelnen Abhängigkeiten innerhalb dieser Abläufe. All dies ermöglicht neue Use Cases und Verbesserungen.

Wertschöpfung 4.0

Dank der Digitalisierung des Betriebs, der Herstellung, der Lieferketten und Produktion können Unternehmen neue und einzigartige Erkenntnisse nutzen, um bessere Entscheidungen zu treffen – in jedem Fall ist das ein Mehrwert für diese Unternehmen.

In der Fertigungsbranche gibt es in Industrie 4.0 laut McKinsey acht wichtige Werttreiber, welche die Leistung eines Unternehmens untermalen. Es wurde festgestellt, dass die neuen Technologien grundlegende Verbesserungen in jedem dieser Werttreiber auslöst.

 

Untersuchen wir diese Punkte im Folgenden etwas näher.

Ressourcen/Prozesse – Die Lösungen der Industrie 4.0 verbessern die Effektivität von Fertigungsprozessen. ABB setzt beispielsweise ein computergestütztes System ein, um einen der Zementofenbetriebe seiner Kunden zu steuern und zu optimieren. Das System ahmt das Verhalten eines „idealen“ Zementwerks nach und berechnet anhand tatsächlicher Messgrößen die zur Erreichung der Zielleistung erforderlichen Prozessparameter. Der jeweilige Prozess wird dann in Echtzeit angepasst – infolgedessen konnten die Durchsatzerträge um 5% verbessert werden.

Anlagennutzung – Vorausschauende Instandhaltung bietet zum Beispiel einen Mehrwert, weil dadurch Stillstände oder Umrüstzeiten verkürzt werden können. GE10 bietet vorausschauende Wartung an, bei der IoT-Sensoren Daten über den Zustand der jeweiligen Maschine erfassen und melden. Advanced Analytics erkennt anhand dieser Daten frühzeitig Anzeichen für verschiedene Probleme und gibt an, welche Maschinen gewartet werden können oder müssen. Durch vorausschauende Wartung konnten Ausfallzeiten um 30-50% und die Lebensdauer eines Geräts um 20-40% reduziert werden.

Erhöhung der Arbeitsproduktivität – Wartezeiten können verkürzt oder die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht werden. Gut zu erkennen ist das am Beispiel von Etalex, einem Hersteller von Lagermöbeln, der Roboter zur Steigerung der Arbeitsproduktivität eingeführt hat. Diese Roboter unterstützen Mitarbeiter bei körperlichen Tätigkeiten. Diese Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine erhöhte die Produktivität um 40%, ohne dass dabei die Belegschaft vergrößert werden musste.

Optimierung von Lagerbeständen – Die Vorteile liegen zwar auf der Hand, sind aber sehr weitreichend. Ein gutes Beispiel hier sind die iBins von Wurth. Mithilfe intelligenter Kameras wird den Füllstand der Versorgungsboxen der Firma überwacht. Jede Box macht die nötigen Nachbestellungen automatisch, auf Basis von präzisen Daten. Durch die Echtzeitversorgung konnten die Lagerkosten um 20-50% gesenkt werden.

Qualitätsverbesserung – Toyota benutzt fortschrittliche Prozesssteuerungs- und Datenanalysetools zur Echtzeit-Fehlerverfolgung und -korrektur von Arbeitsabläufen. Diese Maßnahmen führten direkt zu einer Minimierung des Nacharbeitsaufwands und der Abfälle. Durch den Einsatz von Industrie 4.0 konnten Kosten um 20% gesenkt werden.

Übereinstimmung von Angebot und Nachfrage – Um den höchstmöglichen Mehrwert aus dem Markt zu holen, muss jedes Unternehmen die Anforderungen seiner Kunden verstehen. Industrie 4.0 liefert die Werkzeuge und Mittel, um das volle Potenzial aus dem Markt zu schöpfen. Erstausrüster im Automobilsektor verwenden beispielsweise Online-Konfigurationstools, um die Produkte und Optionen zu identifizieren, für die Kunden Geld ausgeben würden. So können unbrauchbare Optionen entfernt werden und Unternehmen konzentrieren sich nur auf das, was die Kunden wirklich möchten. Dadurch werden Zeit und Kosten für die Produktion gespart, da Experimente mit unnötigen Features gänzlich entfallen.

Time-to-Market – Je kürzer die Entwicklungszeit des Produktes, desto besser. In der Industrie 4.0 können Entwicklungsprozesse problemlos beschleunigt werden. Local Motors beispielsweise produziert Autos im 3D-Druck – die Designs stammen dabei aus einer Online-Community. Aufgrund dieser Innovationen konnte das Unternehmen den in der Branche üblichen Entwicklungszyklus von durchschnittlich sechs Jahren auf nur ein Jahr verkürzen. Darüber hinaus konnten sie die F & E-Kosten erheblich senken. Laut McKinsey kann so die Zeit bis zur Markteinführung um 30-50% verkürzt werden.

Service/Aftersales – Wartung und Reparaturen sind wichtige Faktoren bei Servicekosten, und daher bedeutet die Reduzierung dieser Kosten natürlich zusätzliche Wertschöpfung. So nutzt Secomea beispielsweise Fernwartung, eine Software, mit der Techniker vor Ort beim Kunden Fernverbindungen zu Industrieanlagen herstellen und Diagnosen durchführen können. Durch Fernwartung und vorausschauende Wartung konnten die Wartungskosten um 10-40% gesenkt werden.

Weitere Technologie- und Markttrends

Natürlich geht es bei Industrie 4.0 nicht nur um Digital Twins. Es gibt eine ganze Reihe neuer Lösungen, die sich rasant entwickeln. Im Folgenden erläutern wir die wichtigsten Trends.

Mehr als 50% der industriellen Anlagen vernetzt

Industrie 4.0 ist kein theoretisches Konzept, sondern ein echter Trend, der den Betrieb vieler Unternehmen grundlegend ändert. Immer mehr Fertigungsunternehmen erstellen industrielle Datensammlungslösungen. Laut eines Berichts von IoT Analytics werden 50% aller industriellen Anlagen bis 2020 mit einer Art Datensammlungssystem vernetzt sein. Die Prozentzahl der verbundenen Analgen wird weiter wachsen und soll ein Haupttreiber des Marktwachstums für industrielle Konnektivität sein.

Source: IoT Analytics – 5 Industrial connectivity trends driving the IT-OT convergence [IoT Analytics]

Edge-to-Cloud Connectivity

In den letzten Jahren sind die Systeme Enterprise Resource Planning (ERP), Manufacturing Execution System (MES) und Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) in die Cloud umgezogen. Aufgrund dessen sind neue Connectivity-Architekturen entstanden, die eine direkte Anbindung an die Cloud ermöglichen. Die traditionelle Kommunikation über SCADA- und MES-Systeme hängt von Open Platform Communications-Servern (OPC-Servern) ab. Fortschritte in den Connectivity Technologies (Connectivity Protocols), Computerhardware (kostengünstiges Edge-Computing, mit der Anwendungen ausgeführt und Edge-to-Cloud-Connectivity ermöglicht werden können) und Software (Software, die für Edge-Geräte entwickelt wurde – so klein wie ein Raspberry Pi), ermöglicht neue Architekturen, in denen Edge-Geräte eine direkte Verbindung mit der Cloud herstellen können.

Source: IoT Analytics – 5 Industrial connectivity trends driving the IT-OT convergence [IoT Analytics]

Edge-Computing

In den letzten Jahren wurde Enterprise Computing zunehmend Cloud-zentriert, und dafür gibt es viele Gründe. Cloud-Lösungen sind häufig kostengünstiger und leistungsfähiger und zudem einfacher einzusetzen, zu warten und zu skalieren. Das Speichern von Daten auf einem zentralisierten und dennoch leicht zugänglichen Server außerhalb des Unternehmens vereinfacht die Zusammenarbeit, ermöglicht das Remote-Arbeiten und verbessert die Flexibilität erheblich.

Die geschäftlichen Anforderungen entwickeln sich jedoch weiter. 5G und die zunehmende Popularität von IoT führen dazu, dass neben Echtzeitanalysen auch große Datenmengen erstellt werden. In der Folge suchen Unternehmen nach alternativen Lösungen. Trotz der vielen Vorteile der Cloud reicht die Latenz gehosteter Lösungen für einige Anwendungsfälle der Industrie 4.0 oft nicht aus. Wie bereits erwähnt, befasst sich ein Großteil von Industrie 4.0 mit der Bewertung von Daten mit hoher Geschwindigkeit, häufig mit Echtzeitreaktionen. In solchen Situationen kann die zusätzliche Verzögerung von Millisekunden pro Aktion letztendlich eine spürbare Beeinträchtigung der Verbesserung bewirken.

Die zeitkritische Verarbeitung von Daten benötigt Edge-Computing. Hier passieren Speicherung und Verarbeitung der Daten näher an dem Punkt, wo sie benötigt werden. Wenn die Rechenleistung so nah wie möglich an die Sensoren platziert wird, die die betreffenden Daten erfassen, wird die an die Cloud gesendete Datenmenge reduziert, was die Sicherheit vereinfacht und die Netzwerkantwortzeiten verkürzt.

AI und Advanced Analytics

Fortgeschrittene Analytik und künstliche Intelligenz werden immer leistungsfähiger und kosteneffizienter für Unternehmen. Cloud-Lösungen und andere verbesserte Computerfunktionen machen diese Technologien zugänglicher. Zahlreiche Unternehmen haben bereits erkannt, dass fortschrittliche Analytik und KI in der Fertigungsbranche einen erheblichen Mehrwert schaffen können. Beispiele hierfür sind vorausschauende Wartung, digitales Qualitätsmanagement und AI-gesteuerte Bedarfsprognosen. KI spielt eine Schlüsselrolle in der Smart Factory und hilft den Herstellern, die Nachfrage besser vorherzusagen und Ressourcen zuzuweisen.

Zusammenfassung

Industrie 4.0 ist ist eine komplette technologische Revolution, die IoT, Big Data, Analytics und maschinelles Lernen umfasst, um neue Möglichkeiten und Vorteile zu schaffen, die ohne diese Technologie nicht verfügbar wären.

Geschäftsperspektive

Industrie 4.0 stellt eine Möglichkeit für Unternehmen dar, ihren Betrieb zu digitalisieren und neue Vorteile wahrzunehmen. Digitale Lösungen können Daten schnell bewerten, Kosten reduzieren und Abläufe optimieren. In Branchen, wo selbst kleinste Änderungen große Auswirkungen auf Produktionsabläufe haben ist Industrie 4.0 keine Option, sondern wird immer mehr zur einem nötigen Investment.

Quellen

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