In Deutschland zählt die Automobilindustrie zu den bedeutendsten Zweigen der Industrie und ist somit ausschlaggebend für die Gesamtwirtschaft. Der Erfolg der Branche kommt von hoher Qualität, Zuverlässigkeit und Funktionalität der Produkte sowie zusätzlichen Dienstleistungen, die sich von der Konkurrenz weltweit unterscheiden. Einen weiteren Beitrag zum Erfolg leistet ein sicherer Entwicklungs- und Herstellungsprozess, in dem Automatisierung eine wichtige Rolle spielt. Neben dem Einsatz von IT-Werkzeugen ist auch Software zentral. Industrie 4.0 zielt auf intelligente Produkte, Methoden, Prozesse und eine wirkungsvolle Vernetzung ab: Smart Factory. Die notwendigen Entwicklungs- und Herstellungsprozesse und die stetig steigende Komplexität der gefertigten Produkte sind bisher nicht handhabbar: Es müssen neue Ansätze und Geschäftsmodelle gefunden werden. Für die deutsche Automobilbranche wird durch den Einsatz von Industrie 4.0 ein zusätzliches Wertschöpfungspotenzial in Höhe von ca. 15 Milliarden Euro bis 2025 erhofft. Erwartet wird dieses Ergebnis aus der Integration von Echtzeitdaten an den Schnittstellen, wandlungsfähigen Fertigungssystemen, intuitiven Schnittstellen von Mensch und Maschine sowie einer flexibleren Automatisierung.

Textprobe: Kapitel 3.5. Smart Factory der Zukunft: Cyber Physical Systems finden sich in unterschiedlichen Anwendungen wie in der Fernbetreuung und –diagnose im Gesundheitsbereich (Smart Health), Energieversorgung mittels intelligenter Energienetze (Smart Grids), nachhaltige Mobilitätskonzepte (Smart Mobility, Smart Logistics), oder in der intelligenten vernetzten Produktion (Smart Factory) wieder. In der Smart Factory können Menschen, Maschinen und Ressourcen wie in einem sozialen Netzwerk kommunizieren. Das auf CPS basierende intelligente vernetzte Produktionssystem ist wie ein Netzwerk aus Social Machines zu sehen. Dabei werden zwischen den vernetzten intelligenten Maschinen und Objekten Daten über Aufträge und Zustände ausgetauscht. Gemeinsam werden dann Prozesse und Termine koordiniert. Intelligente Produkte (Smart Products) besitzen die Kenntnis über ihren Herstellungsprozess und ihre zukünftige Verwendung. Der Fertigungsprozess wird dabei aktiv durch Informationen wie Datum der Herstellung, vorzunehmende Parametereinstellung, Lieferort usw. unterstützt. Smart Products liefern Daten zur Erschaffung eines virtuellen Abbildes. Auf dem Produkt lassen sich Arbeitspläne und bereits erfolgte Abläufe hinterlegen. Die Smart Factory besitzt Schnittstellen zu Smart Mobility, Smart Logistics und zu Smart Grid und wird somit zum wichtigen Partner in künftigen Infrastrukturen[…]. In Zukunft werden sich etablierte Wertschöpfungsketten verändern und neue Geschäftsmodelle entstehen. In der Smart Factory werden individuelle Kundenwünsche umgesetzt und innerbetriebliche Fertigungsprozesse optimiert. Die entstehenden Produktionsanlagen können mittels CPS fast in Echtzeit auf Veränderungen des Marktes und der Supply Chain reagieren. Die Kooperation erfolgt über Unternehmensgrenzen (horizontale Integration) hinweg. Neben der Möglichkeit einer raschen Fertigung nach kundenindividuellen Anforderungen ist eine Optimierung innerbetrieblicher Prozesse über globale Netzwerke unterschiedlicher miteinander kooperierender Betreiber möglich[…]. Industrie 4.0 bedeutet neben der Realisierung von horizontalen Wertschöpfungsnetzwerken die Gestaltung von Geschäftsprozessen über die gesamte Wertschöpfungskette. Es erfolgt eine genaue Koordinierung von Prozessen nicht nur innerhalb des Unternehmens, sondern ebenfalls zwischen allen Unternehmen, die entlang der Wertschöpfungskette liegen. Durch die Verknüpfung von Produkten und Produktionsressourcen ist zu jeder Zeit ein detailliertes Bild der Fabrik abrufbar. Neben wichtigen Daten über das Produkt sind wichtige Informationen über Partnerunternehmen und Liefernetzwerke verfügbar. Darauf aufbauend lassen sich Fertigungsabläufe planen und steuern. Aufgrund aktueller Daten aus relevanten Fertigungsprozessen kann auf außerbetriebliche unvorhergesehene Geschehnisse rasch und genau reagiert werden. Beispielsweise werden durch Verkehrsstau ausgelöste Lieferverzögerungen mittels Funkchips in den Transsporteinheiten an die Fertigungsleitstelle weitergeleitet. Die Produktionsplanung kann aufgrund der Echtzeitdaten den Produktionsplan frühzeitig abändern. Für die vertikale Integration stellt die Smart Factory selbst den Rahmen der Gestaltung. Die Koordination von Prozessen erfolgt über sämtliche Steuerungsebenen hinweg. Relevante Daten werden automatisch durch alle Ebenen binnen kürzester Zeit weitergeleitet[…]. Unterschiedliche IT-Systeme sind auf den verschiedenen Hierarchieebenen integriert. Dazu zählen unter anderem die Aktor- und Sensorebene, Steuerungsebene, Produktionsleitebene, Manufacturing and Execution Ebene und Unternehmensplanungsebene. Zukünftig sind Produktionsstrukturen nicht vorab definiert. In der Smart Factory erfolgt die optimierte Fertigung eines kundenindividuellen Produktes indem ein ideales Produktionssystem intelligent zusammengestellt wird. Dabei werden Faktoren wie Produkteigenschaft, Kosten, Logistik, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Zeit und Nachhaltigkeit berücksichtigt. Das rasche und einfache Austauschen von Maschinen und Komponenten erfolgt durch Plug&Produce. Dabei werden Maschinen und Komponenten, die über standardisierte Schnittstellen und Protokolle für Interaktionen verfügen, einfach ausgetauscht und konfiguriert. Die nötige Konfiguration der lernfähigen Maschinen und Komponenten wird mittels Kommunikation mit anderen Maschinen und Komponenten vollzogen. Die für die Erfüllung der Aufgaben benötigte Konfiguration und Vorgehensweise sind in den intelligenten Maschinen hinterlegt und werden bei Bedarf abgerufen und eingestellt. Ziel der miteinander verknüpften Maschinen und Objekte ist ein Erzielen des Gesamtoptimums hinsichtlich Durchlaufzeit, Qualität und Auslastung. Das Zusammenspiel zwischen intelligenter Automatisierung und der Erfahrung des Menschen reduziert allmählich organisatorische Verluste in der Fertigung. Mitarbeiter erhalten produktionsrelevante Daten über mobile Assistenzsysteme. Auf Basis dieser Informationen sind Mitarbeiter in der Lage, Optimierungen durchzuführen. In Bedarfsfällen können über diese Systeme Trainingsmöglichkeiten abgerufen werden, um die Aufgabenerfüllung optimal zu unterstützen. Die Produktionssteuerung besitzt die Möglichkeit, schnell auf Mitarbeiteranliegen zu reagieren. Menschen in der Smart Factory erhalten Unterstützung in der Form von Low Cost Automation, um physische Belastungen zu reduzieren. Diese simple und unkomplizierte Automation kann z.B. ein Montage-Handlingsassistent sein, der die Manipulation von schweren Objekten erleichtert. Auf Basis von CPS können Roboter über Sensoren akustische und optische Informationen aufnehmen, verarbeiten und weitere Vorgänge schlussfolgern. Die Handhabung von komplexen Abläufen und Systemen wird durch die Unterstützung von Augmented Reality deutlich vereinfacht. Informationen aus dem virtuellen System werden über eine Datenbrille in das reale Umfeld des Unternehmens projiziert. Mitarbeiter erhalten Wissen durch Trainings on the Job/on the fly. Beispielsweise werden während der Rüst-Phase in der Fertigung echtzeitnahe Informationen aus der virtuellen Realität eingespielt, um Rüst-Vorgänge schneller zu optimieren. Einen hohen Stellenwert bei der Verknüpfung von Produkten, Objekten, Menschen und Maschinen, besitzt die Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI-Human-Machine-Interaction). Die aus dem Consumer Bereich stammenden mobilen Tablet-PCs verfügen über neue Ansätze. Neben der Leichtbauweise, hohen Rechenleistung und eingebauter Kamera verfügen sie über unterschiedliche Schnittstellen wie Bluetooth, USB, WLAN, 3G uvm. und können in Netzwerke integriert werden. Einfach bedienbare Schnittstellen steigern nicht nur die sichere Bedienung von Anlagen und Maschinen, sondern auch die Akzeptanz von Industrie 4.0 Technologien sowie die Mitarbeitermotivation. […] Der Datenaustausch zwischen Maschinen wird Machine-to-Machine (M2M) Kommunikation genannt. M2M setzte sich früher als Industrie 4.0 in der industriellen Welt durch, da die Endgeräte nicht auf eine Vernetzung mittels Internet angewiesen sind. Die Verbindung lässt sich über Kabel und Schaltungen aufbauen. Diese Art von Kommunikation gibt es schon seit Zeiten der Automatisierung. Jede Roboterstraße und über Computer gesteuerte Fertigungszentren weisen diese Kommunikationsart auf. Im Rahmen von Industrie 4.0 erfolgt die Vernetzung zusätzlich über Drahtlose Dienste und standardisierte Protokolle. Anstatt das Teiloptima einzelner Maschinen zu erreichen, wird mittels M2M darauf abgezielt, ein Gesamtoptimum hinsichtlich Auslastung, Produktivität, Ressourceneffizienz usw. zu erreichen. Die Idee der Social Machines ist daran eng gebunden. Maschinen werden, durch Nutzung von gemeinsamen Daten und Kommunikation, intelligent. Über Plug&Produce findet ebenfalls eine standardisierte, leichte und flexible Verbindung von Maschinen und Modulen statt. Vor allem in Bereichen mit hohem Automatisierungsgrad wie in der Produktion wird durch M2M hohes Innovationspotenzial gesehen. In Anbetracht von M2M gilt es noch einige wichtige Fragen bezüglich Standards, Schnittstelle, Protokoll und Sicherheit zu beantworten. Netzbetreiber und Anbieter von Infrastrukturen müssen sich großen Herausforderungen stellen. Industrie 4.0 benötigt Daten in Realtime und das weltweit! 3.6. Robuste Netze: Die für die intelligente Vernetzung der Smart Factory benötigte Technologie wird aus kabel- und funkgestützten Kommunikationsnetzwerken gebildet, die hochgradig verfügbar und echtzeitfähig sind. Die bereits heute bekannten Breitbandnetzwerke für das Internet bilden die Grundlage für Anwendungen im Kontext von Industrie 4.0. Sie müssen dem Umfeld hohe Datenübertragungsraten bei einer hohen Menge an Daten bereitstellen. Der großflächige Einsatz von CPS erfordert eine Infrastruktur, die einen bedeutend schnelleren und qualitativ besseren Austausch an Daten ermöglicht. Für den Einsatz von Industrie 4.0 müssen bestehende Kommunikationsnetzwerke hinsichtlich Ausfallssicherheit, Qualität und Bandbreite ausgebaut werden. Im schnelllebigen Umfeld der Fertigung und Logistik ist das funkbasierte Netzwerk von besonderer Bedeutung. Dabei werden für den innerbetrieblichen Anwendungsbereich Wireless Local Area Networks (WLAN) eingesetzt. Außerbetriebliche Bereiche bedienen sich existierenden Mobilfunknetzwerken. Bei beiden Technologien besteht jedoch noch weiterer Entwicklungsbedarf in Richtung Bandbreite, Stabilität, Verfügbarkeit und Sicherheit, um diese im industriellen Bereich anzuwenden. Durch die Verfügbarkeit der leistbaren und weiträumigen Infrastruktur für die Vernetzung der Fertigung ergeben sich weitere Möglichkeiten, als nur eine reine Maschinenvernetzung. Dieser Vernetzungsansatz bringt funktionelle Erweiterungen mit sich. Zum Beispiel besitzt der Kunden die Möglichkeit, sich jederzeit den Produktionsstatus eines Fahrzeuges mittels Internet anzeigen zu lassen. Ersatzteilbestellungen erfolgen autonom, also ohne menschliche Einwirkung.

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Paul Vo wurde 1980 in Linz in Österreich geboren. Das Studium von Operations Management an der Fachhochschule in Steyr schloss der Autor im Jahre 2015 mit dem akademischen Grad Master of Science in Engineering erfolgreich ab. Praktische Erfahrungen im Bereich Operations Management konnte der Autor als Werksleiter bei einem renommierten Baumaschinenunternehmer sowohl im Inland als auch international sammeln.