Internt der Dinge Industrie 4.0 - die Antwort auf IoT?

IoT nicht gleichzusetzen mit Industrie 4.0
IoT nicht gleichzusetzen mit Industrie 4.0

Das Internet der Dinge ist nicht gleichzusetzen mit Industrie 4.0, doch handelt es sich dabei um ein wichtiges Kernthema der vierten industriellen Revolution. Ein Überblick über Begriffsherkunft, Projekte, Statistiken und Forschungsaktivitäten rund um Industrie 4.0.

Das Internet der Dinge bestimmt die elektronische Zukunft. Erstmals wird das Internet nicht mehr nur eine rein virtuelle Welt sein, sondern in Interaktion mit Menschen und ihrer Umgebung, dem echten Leben, treten. In diesem Sinn liest man häufig auch von intelligenten Geräten. Ein Beispiel: Im Alltag werden viele Haushaltsgeräte nicht mehr mechanisch gesteuert, sondern eine MCU übernimmt z.B. bei Waschmaschinen die Drehzahlsteuerung, erfasst die Wäschemenge in der Trommel und berechnet die nötige Menge an Waschpulver. Mit Hilfe des Internet of Things, kurz IoT, kann der Smartphone-Nutzer dann über eine App den Waschgang starten und verfolgen.

Mit dem IoT wird die Vernetzung der Welt weiter vorangetrieben. Das Internet wandelte sich von einem reinen Informationsmedium zum interaktiven Medium. In Zukunft wird sich die virtuelle Welt immer mehr mit der physikalischen Welt verbinden: Cyber-Physical Systems, kurz CPS, ist hier das Schlagwort, d.h. die Vernetzung von eingebetteten Informations- und Kommunikationstechnologien untereinander und mit dem Internet. Die virtuelle Welt im Internet und die physikalische Welt wachsen hier zusammen. Aus deren technischer und wirtschaftlicher Verschmelzung ergibt sich letztendlich die Vision vom Internet der Dinge. Das Internet der Dinge ist jedoch nicht nur im privaten Bereich zu finden. Für die zahlreichen Projekte, die meiste ein „Smart“ im Namen führen, ist das IoT nicht selten eine Voraussetzung für ein Gelingen. Als Beispiele sind hier Smart Cities, Smart Buildings oder auch das Smart Grid zu nennen. Auch im Automotive-Bereich spielt das IoT eine zentrale Rolle, wenn es darum geht, den Verkehrsfluss effizienter und sicherer zu gestalten, indem die Fahrzeuge untereinander vernetzt sind – Smart Mobility ist das Schlagwort. Im Bereich der Industrie und der Logistik hat sich der Begriff Industrie 4.0 durchgesetzt. Die vierte industrielle Revolution hat somit begonnen (Kasten).

Kasten: Die industriellen Revolutionen im Überblick

Als industrielle Revolutionen werden in der Regel tiefgreifende und dauerhafte Veränderungen von gewerblichen Produktionsformen und damit einhergehende Änderungen der Arbeitsbedingungen sowie der wirtschaftlichen und auch sozialen Verhältnisse bezeichnet.

Die erste industrielle Revolution fand am Ende des 18. Jahrhunderts statt und breitete sich von England über Westeuropa, die USA und später auch über den Rest der Welt aus. Unter dieser industriellen Revolution versteht man die Einführung von mechanischen Produktionsanlagen, darunter Dampfmaschinen, den Jacquardwebstuhl oder auch Erfindungen wie die Gasbeleuchtung, mit der Anfang des 19. Jahrhunderts viele Straßen europäischer Großstädte erhellt wurden.

Die zweite industrielle Revolution beginnt im deutsch- und französischsprachigen Raum bereits Ende des 19. Jahrhunderts, genauer gesagt Ende der 1870er Jahre, und fällt in die Hochindustrialisierung in Deutschland; im angloamerikanischen Raum wird damit der Übergang zur Massenproduktion und zu industriellen Organisationsformen wie dem Fordismus in den 1920er Jahren bezeichnet. Im Allgemeinen wird die zweite industrielle Revolution mit dem Beginn der Massenproduktion mit Hilfe von elektrischer Energie gleichgesetzt und zeitlich dem Anfang des 20. Jahrhunderts zugeordnet.

Die dritte industrielle Revolution ist im Prinzip mit der digitalen Revolution gleichzusetzen. Diese basiert auf der Entwicklung und Einführung von Mikrochips und ist etwa in der Mitte der 1970er Jahre anzusiedeln; aus dieser Zeit stammt auch das Mooresche Gesetz.

Im Rahmen dieser Revolution wurden die Informations- und Kommunikationsprozesse digitalisiert und somit endgültig das digitale Zeitalter eingeläutet. In der Industrie wurden Produktionsprozesse mit Hilfe von Elektronik und Informationstechnologien mehr und mehr automatisiert.

Der Begriff Industrie 4.0

Ursprünglich wurde der Begriff Indus­trie 4.0 in Deutschland mit der Acatech-Studie „agendaCPS“ im Jahr 2011 ausgelöst. In der Studie „Agenda Cyber-Physical Systems“ wird der Weg von Embedded-Systemen hin zu Cyber-Physical Systems beschrieben und neben den Entwicklungsmethoden auch einige Anwendungsbereiche benannt, darunter auch Smart Mobility, Smart Grid und die „intelligente“ Fabrik. Letztere sorgte auch über die Studie hinaus für Diskussionsstoff. Die Forschungsunion widmete sich der Frage, wie eine vernetzte, echtzeitfähige und adaptive Produktion aussehen könnte.

Und so könnte sie aussehen: Die Produkte werden in Echtzeit und nach Bestellung hergestellt. Sobald ein Auftrag beim Hersteller eingeht, wird eine individuelle Bestellkarte angefertigt, die neben technischen Informationen auch den Auftraggeber und die Lieferadresse enthält. Auf der Fertigungslinie wird z.B. ein Etikett am Rohling von der Produktionsstation ausgelesen und nach dem jeweiligen Wunsch bearbeitet. Sollte etwas für einen späteren Produktionsschritt fehlen, so wird die gewünschte Teilkomponente bestellt. Ein weiterer Vorteil: Das Produkt lässt sich über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg verfolgen.

Der „Arbeitskreis Industrie 4.0“, der Ende 2011 von der Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft initiiert wurde, arbeitete an den weiterführenden strategischen Umsetzungsempfehlungen für das „Zukunftsprojekt Industrie 4.0“. Darin werden die Voraussetzungen für das vierte industrielle Zeitalter ebenso beleuchtet wie die Auswirkungen auf Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft. Der Abschlussbericht wurde der Bundesregierung auf der Hannover-Messe 2013 übergeben. Im Zuge dessen hat der Bund im Rahmen seiner High-Tech-Strategie einige Projekte angeregt, darunter auch das ressortübergreifende „Zukunftsprojekt Industrie 4.0“. Mit dem Projekt werden Forschung und Entwicklung in verschiedenen Bereichen gefördert, u.a. die Entwicklung von cyber-physikalischen Systemmodulen, die Integration heterogener IT-Systeme in die Produktion sowie die Standardisierung von Soft- und Hardware-Schnittstellen zur Realisierung der Interoperabilität zwischen Produktionssystemen.

Plattform Industrie 4.0

Mit der Übergabe der Umsetzungsempfehlungen fiel zugleich der Startschuss für die von den Verbänden VDMA, ZVEI und Bitkom getragene „Plattform Industrie 4.0“. Ihr Ziel: das im Abschlussbericht beschriebene Innovationspotenzial zu konkretisieren, ein Konzept zur Umsetzung zu erarbeiten und so den Wirtschaftsstandort Deutschland zu stärken.

Im April 2014 hat der von der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften Acatech koordinierte wissenschaftliche Beirat der Plattform Indus­trie 4.0 ein Whitepaper vorgelegt, in dem 17 Thesen als Momentaufnahme formuliert wurden. Sie sollen einer Verwässerung des Begriffs Industrie 4.0 vorbeugen und gleichzeitig konkrete Chancen aufzeigen. Zudem sollen sie eine Hilfestellung geben, die zahlreichen Angebote, die unter dem Begriff Industrie 4.0 beworben werden, kritisch analysieren zu können. In den folgenden Monaten soll das Whitepaper zu einer Roadmap ausgebaut werden. Die 17 Thesen wurden vom Beirat drei Bereichen zugeteilt: Mensch, Technik und Organisation.

Der Bereich Mensch umfasst vier Thesen. Hier geht es dem Beirat um die Arbeits-, Ausbildungs- und Lerngestaltung von Mitarbeitern. Die Industrie 4.0 wird dabei als soziotechnisches System gesehen [1], welches die Chance bietet, das Aufgabenspektrum der Mitarbeiter zu erweitern, deren Qualifikation und Handlungsspielraum zu erhöhen und ihren Zugang zu Wissen zu verbessern.

Im Bereich Technik steht die Planbarkeit der Prozesse im Mittelpunkt. Da das Produkt und nicht mehr das System der Informationsträger ist, müssen dieses und seine Komponenten überall adressier- und identifizierbar sein – und das über den gesamten Lebenszyklus. Das birgt neue Anforderungen an Ressourcenplanung, Vernetzung, Sicherheitsanforderungen usw. Am Anfang steht allerdings die Definition, welche Komponenten zur Industrie 4.0 zählen und welche Potenziale sie bieten. Da hier viele Aspekte mit hineinspielen, umfasst der Bereich Technik neun Thesen.

Die vier Thesen aus dem Bereich Organisation beschäftigen sich mit Wertschöpfungsnetzen und Geschäftsprozessen. Hier werden vor allem wirtschaftliche und rechtliche Themen behandelt. Ein wirtschaftlicher Paradigmenwechsel wird beschworen. Die Plattform Industrie 4.0 hat im Rahmen des Whitepaper auch einen Zeitplan für einzelne Forschungsfelder aufgestellt. In Bild 1 wird die Migrationsstrategie einzelner Forschungsfelder gezeigt und in welchem Zeitrahmen sie angegangen werden müssen [1]. Jeder Pfeil steht dabei für ein Themenfeld, das noch bearbeitet werden muss.