Industrie 4.0 und cyberphysische Systeme

In diesem Artikel soll es um das Thema der Industrie 4.0 gehen. Es wird geklärt, worum es bei diesem Thema im Kern geht und warum es für Industrieunternehmen relevant ist, sich damit zu beschäftigten.

Im Laufe der Zeit gab es mehrere industrielle Revolutionen. Die erste begann im 18. Jahrhundert mit der Dampfmaschine. Anschließend folgte die Mechanisierung, welche ein weiteres Mal sämtliche industrielle Produktionsprozesse grundlegend veränderte und einen großen Einfluss auf das Leben der Menschen hatte. Die dritte Revolution fand statt, als elektronische Hilfsmittel und Datenverarbeitungssysteme im Zuge der Digitalisierung ihren Weg in die Produktion verwendet wurden.

Die vierte industrielle Revolution

Nun also die vierte industrielle Revolution. Industrie 4.0. Die zentrale Komponente bei der Industrie 4.0 sind die sogenannten „cyberphysischen Systeme“ (CPS). Der Kernpunkt bei einem cyberphysischen System ist die Integration von rechnerischen Fähigkeiten mit physischen Fähigkeiten. Ein cyberphysisches System kann mit der Umwelt über Sensoren und Kommunikationsschnittstellen interagieren und die Umwelt über Aktoren beeinflussen. Zusätzlich dazu können CPS ihre eigenen Fähigkeiten durch ihre rechnerische Leistungsfähigkeit verbessern und ausbauen [1].

Ein Beispiel für ein cyberphysisches System könnte eine „intelligente“ Produktionsmaschine sein, welche über eine Schnittstelle mit den anderen Maschinen eines entsprechenden Produktionsprozesses verbunden ist. Dann kann die Maschine beispielsweise abhängig von der Materialqualität die optimalen Produktionsschritte ausführen und die dazugehörigen Informationen an die nachfolgenden Teile der Wertschöpfungskette kommunizieren.

Industrie 4.0 als Netzwerkansatz

Im Zusammenhang mit der Industrie 4.0 sollen die cyberphysischen Systeme durch ihre Kommunikationsschnittstellen Teil eines interoperablen und verteilten Netzwerks sein. Diese Netzwerke aus cyberphysischen Systemen sollen dann mit ihrer Umwelt und untereinander kommunizieren, Daten austauschen, sowie gemeinsame Entscheidungen als Netzwerk treffen.

Dies kann bedeuten, dass beispielsweise bei einem Maschinenausfall in einem Produktionssystems das Netzwerk automatisch reagiert. Es kann einen neuen Plan berechnen, um den Ausfall abzufangen und kann außerdem berechnen, wie die nun entstandene Überlast optimal auf die verbleibenden Maschinen verteilt werden könnte. Des Weiteren könnte die gerade entstehende Verknappung bestimmter Produktionsmittel oder Produktionsprodukte an weitere Stationen in der Wertschöpfungskette auch bei anderen Unternehmen kommuniziert werden. Bei einem Produktionsausfall seitens eines Zulieferers etwa, könnte die Information in Echtzeit an den Kunden weitergegeben werden. Dessen Systeme könnten dann automatisch die ausfallenden Lieferungen einplanen und Alternativen bei einem anderen Zulieferer zubuchen. Dadurch können die Kosten für Lagerbestände und Ausfallzeiten minimiert werden.

Dezentralisiertes Architekturkonzept

Die Verwendung der cyberphysischen Systeme impliziert gleichzeitig eine neue allgemeine Architektur und damit einen Paradigmenwechsel in der industriellen Fertigung. Das neue Architekturmodell ist rechts in Abbildung 1 zu sehen:

Paradigmenwechsel von der Automationspyramide zu den CPS

Abbildung 1: Paradigmenwechsel von der Automationspyramide zu den CPS

Die zentralisierte vertikale Automatisierungspyramide nach Polke 1994 [3] (links in Abbildung 1) aus der dritten industriellen Revolution mit ihren vier Abstraktionsleveln des Feldgerätlevels, des Prozesslevels, des Fabrikfloorlevels und des Unternehmenslevels ist in Abbildung 1 links im Bild zu sehen. Zugeordnet zu jedem der Level ist eine IT-Lösung. Auf dem Feldlevel ist dies etwa eine SPS / PLC (speicherprogammierbare Steuerung / programmable logic controller). Auf dem Prozesslevel gibt es SCADA-Systeme, um mehrere Feldgeräte und die dazugehörigen Produktionsschritte zu verwalten. Auf dem Level einer ganzen Anlage oder Fabrik gibt es MES (Manufacturing Execution System), welche wiederum die SCADA-Systeme steuern und auf dem Unternehmenslevel eine zentrale Ressourcenplanung über ein ERP-Tool (Enterprise Resource Planning) zur Verwaltung der MES.

Wie rechts in Abbildung 1 zu sehen ist, werden mit dem neuen Ansatz die unteren drei Ebenen des Fabrikfloor, Prozess und Feldgerät auf der technologischen Seite zu dem oben beschriebenen Netzwerk aus cyberphysischen Systemen vereint. Dieses vernetzte System innerhalb einer Fabrik übernimmt laut Brettel et. al [2] gleichzeitig die Aufgaben von MES, SCADA und SPS.

Damit können nun sämtliche Produktionsdaten in einem System gesammelt und in Echtzeit verwertet werden.

Intelligente Produkte

Zusätzlich zu den cyberphysischen Systemen gibt es nach dem Referenzarchitekturmodell RAMI [5] noch den Begriff des „intelligenten Produkts“ („smart product“), welches ebenfalls einen neuen Ansatz in der Industrieproduktion darstellt. Dieses intelligente Produkt wird im Kontrast zu einem gemeinen Produkt nicht passiv durch den Produktionsprozess auf seiner Produktionslinie bewegt, sondern ist sich der für seine Fertigstellung nötigen Schritte bewusst. Damit kann es mit den Maschinen kommunizieren und zusammen mit dem Netzwerk aus cyberphysischen Systemen einen optimalen Produktionsprozess für sich selbst berechnen.

Dies ist insbesondere dann relevant, wenn sehr stark personalisierte Produkte in sehr kleinen Losgrößen wirtschaftlich gefertigt werden sollen. Profitieren könnten davon beispielsweise Unternehmen, die On-Demand-Fertigung nutzen.

Auch könnte der Ansatz des sogenannten „Rapid Prototyping“ von diesen intelligenten Produkten profitieren. Dabei wird innerhalb kurzer Zeit eine große Anzahl an Prototypen entwickelt und hergestellt, welche jeweils iterativ verbessert werden. Dieser Ansatz ist bereits aus der agilen Softwareentwicklung bekannt. Schließlich wird auch beim Rapid Prototyping eine große Menge an individuellen Produkten gefertigt werden. Die bei gemeiner Produktion anfallenden Umrüstkosten der Fertigungsmaschinen für jede Iteration des Prototypen wären unter Zuhilfenahme intelligenter Maschinen und Produkte vernachlässigbar.

Fazit

Zusammenfassend noch einmal die wichtigsten Punkte der Industrie 4.0 und seine Implikationen:

  • Es soll ein Netzwerk aus cyberphysischen Systemen geben, welches autonom Entscheidungen treffen kann und Informationen über die gesamte Wertschöpfungskette und alle beteiligten Unternehmen hinweg teilt und verarbeitet.
  • Industrie 4.0 impliziert eine verteilte und dezentralisierte Architektur, die einen Bruch mit der klassischen vertikalen Automationspyramide darstellt.
  • Intelligente Produkte können in Kombination mit den cyberphysischen Systemen eine äußerst hohe Flexibilität und Interoperabilität ermöglichen.

Fakt ist, dass diese neuartige Art der Organisation der Maschinen innerhalb einer Fabrik und die vorgeschlagene Kommunikation der Produktionssysteme in unterschiedlichen Unternehmen der Wertschöpfungskette höchstwahrscheinlich signifikant zu einer Effizienzsteigerung und damit zu sinkenden Herstellungskosten seitens der Industrieunternehmen führen kann. Allerdings kann die neue Idee nur ihre volle Wirkung entfalten, wenn auch alle Unternehmen der Wertschöpfungskette diese Systeme verwenden. Dieser Übergang kann aufgrund der hohen Investitionskosten für einige Unternehmen zunächst unattraktiv sein, insbesondere wenn noch nicht so viele Teilnehmer ihrer Wertschöpfungskette auf die neuen Systeme setzen. Doch die Vorteile der vernetzten Wertschöpfungskette und der erhöhten Flexibilität durch die Planungsoptimierung in Echtzeit durch das verteilte Netzwerk werden in Zukunft wohl eher noch relevanter werden.

Ein anderer Punkt ist die Idee des „intelligenten Produkts“. Während diese möglicherweise auf absehbare Zeit nicht wirklich umsetzbar ist, ist der Ansatz, Produktionsdaten beispielsweise mit RFID-Chips direkt mit den Produkten zu verbinden und während des Produktionsprozesses bei jeder Maschine einzulesen und abzurufen, heute verbreitet [4].

Quellen

[1] Radhakisan Baheti and Helen Gill. 2011. Cyber-physical systems. Impact Control Technol. 12, (2011), 161–166.
[2] Malte Brettel, Niklas Friederichsen, Michael Keller, and Marius Rosenberg. 2014. How virtualization, decentralization and network building change the manufacturing landscape: An Industry 4.0 Perspective. Int. J. Mech. Ind. Sci. Eng. 8, 1 (2014), 37–44.
[3] Martin Polke. 1994. Prozessleittechnik (2nd ed.). Oldenbourg Verlag, München, Wien.
[4] Takayuki Shibata, Tatsuya Tsuda, Seiichi Araki, and Katsumi Fukuda. 2006. RFID-based production process monitoring solutions. NEC Tech J 1, 2 (2006), 77–81.
[5] VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. 2015. Statusreport Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (english).

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