Industrie 4.0 - Kompaktwissen

Leo Bartevyan,
IT Systems Engineer,
Digital Factory Solutions, CENIT AG., L.Bartevyan@cenit.de

Kontakt:
Dr.-Ing. Annette Schmelzle
DLG-Fachzentrum Lebensmittel
A.Schmelzle@DLG.org

100 n. Chr. entdeckte Heron von Alexandria das Prinzip der Dampfkraft (Aeolopile). Aber es verliefen fast 1.600 Jahre bis die Dampfkraft industriell genutzt wurde. Erst James Watt verhalf ihr 1769 zum Durchbruch, indem er die damalige Technik mit einer Fliehkraftsteuerung koppelte. Dieser erste Regulator war entscheidend für den industriellen Einsatz. Er ist zudem ein gutes Beispiel für ein einfaches kybernetisches System. Damals wie heute sind innovative Technologien die Basis.  Doch erst die Steuerung war und ist es, die über den Erfolg entscheidet. Werner von Siemens überführte 1866 das Prinzip der Dampfmaschine in den Generator. Die Elektrifizierung machte Energie nun transportierbar und schuf die Grundlage für ganz neue Maschinentypen auf der Basis von Elektromotoren.

Parallel und weitestgehend unbemerkt entwickelten sich bereits 1833 in England die ersten Ansätze der industriellen Massenfertigung bei der Produktion von Schiffszwieback. Ablauf und Technik der Schlachthöfe, die sich in Cincinnati seit 1870 etablierten, inspirierten den jungen Henry Ford das Prinzip der Fließbandfertigung auf die Herstellung der bis dahin rein manuell gefertigten Automobile zu übertragen. 1913 lief der erste Ford vom Band und eine neue Organisationsform der Produktion ging um die Welt. Zwischen Entdeckung der Basistechnologie und deren industriellen Einsatz lagen somit etwa 90 Jahre.

Tim Berners-Lee hadert bis heute mit der Bezeichnung Web 2.0. Hatte er doch das World-Wide-Web von Anfang an darauf hin ausgelegt, dass Nutzer eigene Inhalte (Content) erstellen können. Der erste Browser war auch gleichzeitig als Editor konzipiert. Trotzdem hat sich „2.0“ als Begriff für eine neue und deutlich verbesserte Technologie so weit etabliert, dass er letztendlich auch Pate für die Wortschöpfung Industrie 4.0 gestanden hat. Im Kern geht es um die steigende Bedeutung der Information, den Inhalt oder kurz: Content. Der Nutzer trägt ganz entscheidend zum Mehrwert bei, indem er eigene Inhalte schafft und sie der Allgemeinheit zur Verfügung stellt. Wikipedia ist ein erfolgreiches Beispiel dafür. Der Name setzt sich zusammen aus Wiki, dem hawaiischen Wort für ‚schnell‘, und encyclopedia, dem englischen Wort für ‚Enzyklopädie‘. Ein Wiki ist ein Webangebot, dessen Seiten jeder leicht und ohne technische Vorkenntnisse direkt in einem Webbrowser bearbeiten kann. Die frei lizenzierte Online Enzyklopädie lebt von den Inhalten der Benutzer. Jeder Nutzer kann dort auch Inhalte bearbeiten und verändern. Was im ersten Moment nach einem großen Chaos klingt, organisiert sich jedoch erstaulich gut und trägt zu einem global wachsenden Wissen bei. Ein paar Regeln und Rahmenbedingungen sind jedoch unerlässlich, damit You Tube, Instagram und Konsorten funktionieren. Die „Netiquette“ soll dabei das Miteinander regeln und für eine Art Minimalstandard sorgen (RFC 1855). Sie wird in der Regel durch die Nutzungsbedingungen der Webseiten und sozialen Netzwerke/Plattformen erweitert und angepasst.

Oft werden diese beiden Begriffe synonym verwendet, dabei ist die Digitalisierung die Basis für eine digitale Transformation. Anhand der Digitalfotografie kann man beide Prozesse sehr gut verfolgen und unterscheiden. Alles begann mit einem lichtempfindlichen Datenchip gegen Ende der 1960er Jahre. Die Auflösung war sehr klein und die notwendigen Apparate sehr groß und unhandlich. Die erste tragbare Kamera, die als Vorreiter der Digitalkamera angesehen werden kann, wurde deshalb auch als „portable all electronic still camera“ bezeichnet und 1975 von Steve Sasson bei Kodak entwickelt. Sie blieb aber nur ein Prototyp. Es ist eine Ironie der Geschichte, dass das Unternehmen, das als erster digitale Kameratechnik entwickelte, 2012 die Produktion einstellen und sich komplett aus der Fotografie zurückziehen musste. Man hatte das Potenzial der eigenen Entwicklung verkannt und den Markt nicht gesehen. Sony stellte 1981 mit der „Mavica“ eine eigene Entwicklung nach demselben Funktionsprinzip vor, die allgemein als erste „Ur-Digitalkamera“ gilt. Der Name der Kamera lehnte sich an das Speichersystem in Form eines Magnetbandes an. Die Aufnahme war zwar „digital“, aber eine digitale Speicherung der Daten wurde erst zehn Jahre später Realität. Doch dann ging alles sehr schnell. 1991 wurde mit JPEG eine Norm für eine standardisierte Bildkompression verabschiedet: der Standard war der Durchbruch für die Digitalfotografie! Plötzlich war es möglich digitale Aufnahmen so zu komprimieren, dass man sie speichern und sogar per E-Mail verschicken konnte. Schritt für Schritt folgte dann eine beeindruckende digitale Transformation. Im Jahr 2000 brachte Sharp das erste Mobiltelefon mit integrierter Digitalkamera auf den Markt und 2007 folgte mit dem iPhone eine ganz neue Ära der Smartphones. Digitale Schnappschüsse und Videos sind nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken. Plattformen wie Facebook, Twitter, Flickr oder Instagram sind neue eigenständige Entwicklung aus der Digitalisierung hervorgegangen. Begriffe wie  „Selfie“, „Emoji“, „Likes“ oder „Follower“ wurden zu Zeugnissen einer Zeitenwende und neuen digitalen Selbstverwirklichung. Digitale Fotos und Videos, weltweit und Echtzeit verfügbar, können Freude bereiten, Menschenleben retten, Verbrechen aufklären oder Revolutionen auslösen. Die Transformation brachte auch neue Geschäftsfelder hervor und Bekanntes zurück. Ein Unternehmen aus Oldenburg gilt heute als größter Anbieter von Fotobüchern in Europa. Das Fotoalbum zum Anfassen ist wieder da und sehr beliebt, nur eben „digital transformiert“.

In einem virtuellen Store kann man alles rund um die Uhr einkaufen. Auch frische Lebensmittel, die entweder fertig verpackt abgeholt oder geliefert werden.  Vielleicht demnächst auch per Drohne. Doch auch die Produkte werden individueller. Das Verbraucherverhalten ändert sich. Individuelle Lifestyle-Produkte brauchen neue und flexible Produktionsprozesse. Man stellt sich heute schon sein eigenes Müsli zusammen oder bestellt sein privates und individuell etikettiertes „Geburtstagsbier“. Das fordert organisatorische und technische Veränderungen bei der Fertigung.

Smart Grid, Smart Objects und Smart Factory stehen exemplarisch für den wichtigsten Paradigmenwechsel kommender Entwicklungen. Wie die Kybernetik in Form des Fliehkraftreglers bei der Dampfmaschine elementare Steuerungsfunktionen übernahm und damit ein neues industrielles Zeitalter einleitete, so stehen nun intelligente Technologien zur Verfügung, die eigenständige, auch hoch komplexe Regelungsaufgaben übernehmen können: Netze, die sich selber regulieren, Objekte, die ihren Weg eigenständig finden oder Fabriken, die sich in Teilen selbst steuern. Das klingt im ersten Moment genauso verrückt, wie eine Enzyklopädie, bei der sich jeder einbringen kann. Und doch liegt genau darin die große Stärke.

Die resiliente Fabrik

Ein dezentrales und selbst organisierendes System muss dabei nicht besser oder produktiver sein als ein klassisches System, das alle Optimierungsmöglichkeiten für eine Serienproduktion ausgeschöpft hat. Autonome Systeme brauchen im Regelbetrieb sogar mehr Transporteinheiten als unter der Regie eines leistungsstarken MES, und womöglich brauchen sie auch noch länger für einen Auftrag.

Aber sie sind wesentlich flexibler und redundanter, so dass Langzeitbetrachtungen unter der Berücksichtigung natürlicher Schwankungen deutlich zu Gunsten autonomer Systeme ausfallen. Ein dezentrales selbstorganisierendes System kann autonom und agil auf unerwartete Ereignisse reagieren. Es entsteht eine fehlertolerante, agile und lernfähige Fabrik: die resiliente Fabrik.

Die bisherige Trennung in die Anwendungsbereiche:

• PLM (Produktentwicklung bis Produktionsfreigabe)
• ERP (Enterprise ResourcePlanning zur Steuerung der Produktion)
• Digitale Fabrik (Fertigungsplanung und Simulation der Produktion)
• MES (Manufacturing Execution Systems zur Überwachung von Fertigungsanlagen)
• SCADA /SPS / CNC für Anlagensteuerung auf Signalebene

erschwert eine effiziente Nutzung der Digitalisierung im Sinne einer autonomen und flexiblen Produktion.

Hier soll die Orchestrierung von oben nach unten (vertikaler Ansatz) den Weg zu Cyber-Physischen Produktionssystemen (CPPS) ebnen. Sie beschreibt das Aufsetzen und Vernetzen von einzelnen Softwarediensten zu einem reinen Geschäftsprozess. Die Funktionen APO, OEE, AutoID, RFID, OLP oder CIM können unternehmensintern in führende EPR Systeme integriert oder mit externen Diensten abgedeckt werden. Unterstützend dazu verfolgt AutomationML (Markup Language) den Ansatz ein gemeinsames und durchgängiges Format für alle Anlagendaten von der Topologie über 3D-Geometrie und Kinematik bis hin zu Abläufen und logischen Abhängigkeiten zu schaffen. AML (IEC62714) möchte damit der produktiven Industrie ein umfassendes Datenformat für den Anlagenbau der Fertigungs- und der Prozess­industrie als offenen und XML-basierten Standard zur Verfügung stellen.

Je weiter das Internet und seine smarten Objekte in das alltägliche Leben und in produktionsrelevante Systeme vordringen, desto wichtiger wird es, sich über die Sicherheitsstandards Gedanken zu machen. Dabei geht es um weit mehr als um Netiquette, denn entscheidend ist der Unterschied zwischen einer abgestürzten  App auf dem Smartphone und dem Versagen eines Reaktorkühlsystems.

Der Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien (BITKOM) unterscheidet daher auch zwischen der Betriebssicherheit (Safety) und der Angriffssicherheit (Security): „Neben der Betriebssicherheit, die gewährleistet, dass Produktionssysteme und Produkte keine Gefahr für Menschen und Umwelt darstellen, gewinnt ein zweiter Sicherheitsaspekt enorm an Bedeutung: die Angriffssicherheit. Anlagen und Produkte, aber auch Daten und Know-how müssen verlässlich vor unbefugtem Zugriff und Missbrauch geschützt werden.“ Die Fälle Stuxnet, Duqu und Flame haben gezeigt, dass Schadsoftware nicht vor Steuerungssystemen halt macht. Hier unterscheiden sich die Ansätze der USA und die von Industrie 4.0. Während die Betriebssicherheit auf Maschinen- und Feldbusebene in Deutschland einen sehr hohen Stellenwert haben und auf umfassendes Potenzial zugrückgreifen können, kommen führende Lösungen für IT- und Betriebssysteme aus den USA. Die Annäherungen an die Cyber-Physischen-Produktionssysteme erfolgen von unterschiedlichen Ausgangspositionen und bieten die Chance, Kenntnisse über Produktions- und Automationsprozesse als Wettbewerbsvorteil zu nutzen.