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IM SCHWERPUNKT | Industrie 4.0
Ausblick:
Produktionsprozesse
im Jahr 2030
Dieter Spath, Sebastian Schlund, Stefan Gerlach, Moritz Hämmerle und Tobias Krause, Fraunhofer IAO
1. Was ist Industrie 4.0?
Momentan ist wieder einmal zu hören, dass sich in
Deutschland eine Revolution anbahnt. Und überraschenderweise sind die Revolutionäre diesmal keine
Studenten, sondern Industrievertreter und führende
Köpfe der deutschen Forschungslandschaft. Dies
erklärt auch, dass statt von gesellschaftlichen Umwälzungen von einem Zusammenwachsen intelligenter
Produktionstechnik mit eingebetteten Steuerungen
und neuen Interaktionsformen die Rede ist. Nach
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Mechanisierung, Industrialisierung und Automatisierung spricht man in diesem Zusammenhang von der
vierten industriellen Revolution (Abbildung 1).
Die Forschungsunion als eines der zentralen innovationspolitischen Beratungsgremien der Bundesregierung im Rahmen der Hightech-Strategie erarbeitet
Zukunftsthemen, mit denen Deutschland einen Spitzenplatz bei der Lösung globaler Herausforderungen
einnehmen soll. Für sie bedeutet ein erfolgreicher
Produktionsstandort zu bleiben, „die vom Internet
getriebene 4. Industrielle Revolution mit zu gestalten
und autonome, selbststeuernde, wissensbasierte und
sensorgestützte Produktionssysteme zu entwickeln, zu
vermarkten und zu betreiben.“ [1]
Auslöser und Enabler dieses Paradigmenwechsels in
der Produktion ist die flächendeckende Durchdringung von Produkten und Produktionstechnik mit
Cyber-Physischen Systemen (CPS). „Cyber-Physical Systems stehen für die Verbindung von physikalischer und informationstechnischer Welt. Sie
entstehen durch ein komplexes Zusammenspiel von
Bildnachweis: Fotolia
Produktionssysteme der Zukunft müssen als hochinteraktive sozio-technische Systeme verstanden werden.
Produkte und Produktionsverfahren mit eingebetteter
Intelligenz werden durch Internettechnologien vernetzt,
können interagieren und revolutionieren die Produktionssteuerung. Dennoch kommt dem Menschen auch in
der Produktion der Zukunft eine zentrale Rolle zu. Es
werden völlig neue Formen von hybriden Produktionsund Arbeitssystemen in hochflexiblen, dezentral gesteuerten und wandelbaren Wertschöpfungsstrukturen entstehen.
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eingebetteten Systemen, Anwendungssystemen und
Infrastrukturen (...), Kommunikationsnetze und
ihre Verknüpfungen mit dem Internet auf Basis ihrer
Vernetzung und Integration und der Mensch-Technik-Interaktion in Anwendungsprozessen.“ [3] CPS
werden verknüpft zu technischen Systemen, die über
eine eigene Intelligenz in Form von dezentraler Sensorik und gegebenenfalls Aktorik verfügen und darüber hinaus durch Internettechnologien miteinander
verbunden sind. Unter den 50 Milliarden Geräten,
die laut Ericsson-Vorstand Hans Vestberg im Jahre
2020 miteinander vernetzt sein werden, wird voraussichtlich bereits ein signifikanter Anteil solcher CPS
zu finden sein. [4]
Möglich gemacht wird die Vernetzung dieser dezentralen intelligenten Systeme durch die flächendeckende Verfügbarkeit der technischen Infrastruktur
in Form von industriell einsetzbaren (Funk-) Internetverbindungen und bezahlbarer Technik. Logisch
werden die Systeme durch die konsequente Anwendung von dezentralen Steuerungsprinzipien wie Multiagentensystemen gekoppelt, die sich am schon lange
propagierten „Internet der Dinge“ orientieren. [5]
Dies ermöglicht die Integration von realer und virtueller Welt. Produkte, Geräte und Objekte mit eingebetteter Software wachsen zu verteilten, funktionsintegrierten und rückgekoppelten Systemen zusammen.
Die Liste denkbarer Anwendungen ist lang. So könnte
sich ein Produktionsauftrag, vom Kunden ausgelöst,
selbstständig durch die Wertschöpfungskette steuern.
Dabei reserviert er Bearbeitungsschritte, Anlagen und
Materialien und kontrolliert die Ausführung automatisch. Er erkennt drohende Verzögerungen der Lieferung, organisiert soweit möglich zusätzlich benötigte
Kapazitäten und meldet unvermeidbare Verzögerungen direkt dem entsprechenden Kunden. Die verwendeten Produktionsanlagen tauschen untereinander
Zeichnungen aus und organisieren ihre Auftragsreihenfolge genauso wie Wartungs- und Instandhaltungsbedarfe untereinander.
Die Bedeutung für die beteiligten Industrien stellt
diese Entwicklung in eine Reihe mit den drei vorausgegangenen industriellen Revolutionen. Die
technologische Perfektion der Produktionsanlagen
in Kombination mit einer stärkeren Integration der
Mitarbeiter, Kunden und Benutzer der Produkte
ermöglicht völlig neue Geschäftsmodelle. Produktion
nach dem 4.0-Prinzip schafft die Voraussetzungen
dafür, dass traditionelle Strukturen abgelöst werden
können, die auf zentralen Entscheidungsmechanismen und starren Grenzen einzelner Wertschöpfungsschritte aufbauen. Diese werden ersetzt durch flexibel
konfigurierbare Leistungsangebote und interaktive,
kooperative Entscheidungsmechanismen.
2. Was hat der Mensch damit (noch) zu tun?
Die Diskussion um die Ausgestaltung von „Industrie 4.0“ hat gerade erst begonnen. Ausgehend vom
Grundgedanken des „Internet der Dinge“ geht das
Verständnis traditionell von automatisierter Selbststeuerung aus. „Industrie 4.0 bedeutet konsequente
Automation“, so Dr. Bettenhausen, Vorsitzender
der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA). [6] Das Ziel ist dabei der
„wunschgemäße, sichere, zuverlässige und effiziente
Betrieb von Anlagen“. Bei aller Euphorie über die
neuen Möglichkeiten der Automatisierung wird es die
menschenlose Produktion jedoch auch in absehbarer
Zukunft nicht geben. Die Rolle des Menschen in der
Produktion wird sich zwar deutlich verändern, aber
KURZ UND BÜNDIG
„Industrie 4.0“ steht für das Zusammenwachsen von
intelligenter Produktionstechnik mit eingebetteten
Steuerungen und kooperativen, vernetzten Interaktionsformen. Nach Mechanisierung, Industrialisierung
und Automatisierung erfährt die Produktion einen
Paradigmenwechsel hin zur dezentralen, vernetzten
Intelligenz und Steuerung – die 4. industrielle Revolution. Die reale und die virtuelle Welt werden zu einem
Internet der Dinge, Daten und Dienste verbunden.
Ankündigung Leitstudie Industrie 4.0
Mit der Umfrage „Produktionsarbeit der Zukunft“
wird bis zum 20. September untersucht, wie Menschen in Zukunft in der Produktion arbeiten werden:
www.produktionsarbeit.de
Stichworte: Produktionsmanagement, Industrie 4.0,
Cyber-Physische Systeme, Kapazitätsflexibilität
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Der Mensch als Sensor
Im Kontext der „Industrie 4.0“
werden Objekte dezentral mit
Sensorik ausgestattet und somit
in die Lage versetzt, Informationen über ihren Zustand
sowie
Umfeldinformationen
aufzunehmen, zu verarbeiten
und in Echtzeit zu kommunizieren. Dennoch bleiben auch
zukünftig „sensorische Lücken“
nicht aus. Das liegt schon allein
daran, dass, trotz der Einbindung von Prinzipien künstlicher
Intelligenz und selbstlernender
Systeme, immer noch Bereiche
Die 4. industrielle Revolution findet auf Basis von Cyber-Physischen Systemen statt
(in Anlehnung an DFKI [2]) - siehe auch Abb. 4 auf S. 29; Anm. d. Red.
bestehen bleiben, die menschliche Fähigkeiten erfordern, um
weiterhin von zentraler Bedeutung bleiben. Sowohl
komplexe Situationen zu bewältigen. Gleiches gilt
die spezifischen Fähigkeiten als auch die Bedürfnisse
für Systeminformationen, die bei Auslegung der CPS
der beteiligten Menschen müssen eingebunden und
(noch) nicht berücksichtigt wurden – sei es aufgrund
berücksichtigt werden. Dem Produktionsarbeiter der
von Änderungen der Umwelt oder zu geringer EinZukunft kommen drei wesentliche Funktionen zu:
trittswahrscheinlichkeiten. So wird dem Menschen
zukünftig die Rolle zukommen, mögliche Lücken
Der Mensch als Entscheider
einer durch CPS überwachten Wertschöpfungskette
Der Paradigmenwechsel von einer zentralen zu einer
mit Informationen zu schließen.
grundsätzlich dezentralen Steuerung der Produktion,
durch netzwerkartige Abstimmungen der einzelnen
Der Mensch als Akteur
Objekte untereinander, wird Konflikte erzeugen. BeiIm Gegensatz zur Vision der vollautomatisierten
spiele dafür sind gegenläufige Prioritäten einzelner
Fabrik wird der menschlichen Arbeit auch zukünfAufträge und der Umgang mit knappen Ressourcen
tig ein hoher Stellenwert zukommen. Dies betrifft
sowie Grauzonen automatisierbarer Steuerungsloinsbesondere Hochlohnstandorte wie Deutschland,
giken. In diesen Situationen wird dem Menschen
deren Arbeitsinhalte tendenziell von hoher Komweiterhin die Aufgabe zukommen, operativ steuernd
plexität, Kundenindividualität und unregelmäßiger
einzugreifen. Da diese Eingriffe in einem laufenden,
Wiederholbarkeit geprägt sind. Zukünftig wird sich
selbststeuernden System hoch zeitkritisch sein werdie Produktion noch stärker kundenauftragsorienden, sind Möglichkeiten und Hilfsmittel erforderlich,
tiert entwickeln. Die Anforderungen an die zeitlium schnelle Entscheidungen qualifiziert zu treffen.
che, inhaltliche und räumliche Flexibilität der MitBeispielsweise wird eine ungeregelte, selbstständige
arbeiter werden signifikant steigen. Eine Produktion
Reservierung von Kapazitäten durch jeden Einzelaufnach dem 4.0-Prinzip bedeutet eine weitgehende
trag zu Auslastungsspitzen einzelner Anlagen führen.
Aufnahme des Kundentakts. Durch den Einsatz von
Durch die Zuweisung von Prioritäten, die Vorhaltung
Mobilgeräten können zum Beispiel Kundenaufträge
von Anlagenkapazität für Eilaufträge sowie eine stärin Echtzeit Mitarbeitergruppen zugewiesen werden,
kere Vernetzung von Alternativkapazitäten kann diedie ihre Arbeitszeiten untereinander abstimmen.
ses Problem weitestgehend vermieden werden. AllerÜber die gleichen Medien stehen den Mitarbeitern
dings werden auch zukünftig nur wenige Systeme auf
auf die jeweilige Arbeitsaufgabe abgestimmte Aufalle Eventualitäten ausgelegt sein. Daher muss die
tragsinformationen und kontextbasierte Anleitungen
Möglichkeit einer Übersteuerung durch menschliche
zur Verfügung. Intelligente, mobile Assistenten unterEingriffe weiter gegeben sein.
stützen die Mitarbeiter bei Wechseln der Einsatzorte
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Bildnachweis: Bernd Müller für das Fraunhofer IAO
IM SCHWERPUNKT | Industrie 4.0
IM SCHWERPUNKT | Industrie 4.0
und Arbeitsumgebungen. Diese vielfältigen Möglichkeiten, die sich aus einer konsequenten Nutzung und
Verbindung von mobilen Endgeräten, Echtzeitinformationen und vernetzten Steuerungen mit virtuellen
Informationswelten ergeben, führen zu neuen Formen hochflexiblen Arbeitens. Dabei entspricht der
Einsatz der Kapazitäten exakt dem Kundenbedarf,
wofür alle Akteure ihre Situation austauschen.
Vor dem Hintergrund der geschilderten Rolle des
Menschen erscheint die Bezeichnung „Industrie 4.0“
an sich gut gewählt, trägt der Begriff doch das „.0“
der „Mitmach-Web-Generation“ sozialer Netzwerke
im Namen und verweist auf die Durchdringung der
Industrie mit interaktiver, vernetzter und mobil verfügbarer IT-Unterstützung.
3. Wie sieht die Zukunft der Produktionsarbeit
aus?
Trotz aller Automatisierung: Der Mensch wird auch
in den Produktionsprozessen der Zukunft weiterhin
zentrale Funktionen übernehmen. Auch wenn sich
im Jahr 2030 Objekte selbstständig und dezentral durch die Wertschöpfungskette steuern, werden
menschliche Tätigkeiten, Sinneswahrnehmungen
und Entscheidungen für den Produktionsprozess
entscheidend bleiben. Allerdings wird die Produktionsarbeit voraussichtlich anders als heute aussehen.
Der Betrieb von Produktionen nach dem 4.0-Prinzip ermöglicht eine echtzeitorientierte Beschäftigungsplanung für die Produktionsarbeiter. Mit Hilfe
vernetzter, mobiler Steuerungssysteme lassen sich
Arbeits- und Einsatzzeiten in einer neuen Dynamik abstimmen, so dass erstmals eine weitgehende
Orientierung von Mitarbeiterkapazitäten am echten Marktbedarf ermöglicht wird. Diese Dynamik schafft eine neue Verträglichkeit zwischen den
betrieblichen Erfordernissen von Produktivität, Lieferzeiten und Produktvarianz und den Zielen und
Bedürfnissen der Beschäftigten hinsichtlich Vereinbarkeit von Familie und Beruf und zunehmender
Gesundheitsorientierung. Es entstehen völlig neue
Formen von hybriden Produktions- und Arbeitssystemen in hochflexiblen, dezentral gesteuerten und
wandelbaren Wertschöpfungsstrukturen. Echtzeitfähige und mobile Planungs- und Steuerungssysteme
reduzieren die heutigen Koordinationsaufwände
bei höherer Entscheidungssicherheit. Zudem unter-
stützen sie Konzepte, die es ermöglichen, zukünftig
wieder mehr im urbanen Raum zu produzieren und
somit Wohnen, Freizeit und Arbeit zu vereinen als
auch Nachhaltigkeit und Stoffkreisläufe zu fördern.
Die Mitarbeiter werden verstärkt Mobilgeräte und
andere Kommunikationsmöglichkeiten nutzen und
besser mit Objekt- und Anlagendaten vernetzt sein.
Zusätzlich wird die menschliche Arbeit durch Assistenzsysteme, Virtualisierung und neue Human-Maschine-Interfaces unterstützt und erleichtert. Insbesondere die Entwicklungen im Bereich der Social
Media bieten Möglichkeiten für neue Formen der
Interaktion, Kommunikation und Zusammenarbeit
zwischen Gruppen von Menschen, Maschinen und
intelligenten Objekten.
4. Was muss passieren, damit solch ein Szenario
Wirklichkeit wird?
Die Abstimmung eines Auftrags mit den benötigten Materialien, Anlagen, Werkzeugen und anderen
Hilfsmitteln erfordert eine standardisierte Struktur
des Datenaustauschs und der Entscheidungsfindung. Darüber hinaus müssen die Informationen
der beteiligten Objekte in Echtzeit vorliegen. CPS
und mobile Kommunikationstechnologien sollen
dafür sorgen, dass Menschen unmittelbar und flexibel auf anfallende Entscheidungssituationen reagieren können und Mitarbeiter über werkergerechte
Interaktionsformen in die Steuerungsverfahren eingebunden werden.
Eine entscheidende Rolle für die Umsetzung von
Industrie 4.0 spielt dabei die effiziente Nutzung von
Qualifikationen und Kapazitäten der Mitarbeiter.
Produktionssysteme der Zukunft müssen als hochinteraktive sozio-technische Systeme verstanden
werden. Wissensarbeit wird die Produktion immer
mehr durchdringen, besonders im Hochlohnland
Deutschland. Damit können die Herausforderungen
aus dem demografischen Wandel, der zunehmenden
Problematik der Verfügbarkeit von qualifiziertem
Personal und den wachsenden Bedürfnissen nach
gesunden Arbeitsbedingungen, einer ausgewogenen Work-Life-Balance bzw. Work-Life-Integration
sowie dem Arbeiten im urbanen Raum bewältigt
werden. Dies erfordert die Vernetzung von CPS mit
Human-Systemen und neuen Interaktionsformen.
Unterstützend wirken dabei mobile Endgeräte, zum
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Beispiel in Form von Smartphones, Pad-Computern
und neuen Formen der Nutzung von Mobilgeräten. Darüber hinaus sind Qualifizierungsmaßnahmen für die Mitarbeiter und die Schaffung übergreifender Standards unverzichtbar. Dieser gesamte
Transformationsprozess auf eine Produktion nach
dem 4.0-Prinzip wird nicht von heute auf morgen
vonstattengehen. Er bedarf eines vorausschauenden
Technologiemanagements, um eine zielgerichtete
Transformation der bestehenden Produktionsanlagen zu gewährleisten.
Richtig eingesetzt bringt die Produktionsarbeit der
Zukunft Vorteile für alle Beteiligten:
- Dem Kunden: dank einer drastischen Reduktion
der Lieferzeiten.
- Den Mitarbeitern: durch die Anpassung starrer
Arbeitszeitmodelle an individuelle Präferenzen
oder Lebenssituationen.
- Dem Unternehmen: durch die Steigerung seiner
internationalen Wettbewerbsfähigkeit.
- Der Gesellschaft: indem der Mitarbeitereinsatz
produktiver gemanagt wird, insbesondere in Verknüpfung mit einer sinnvollen Nutzung anfallender „Leerlaufzeiten“.
Noch ist die Vision „Industrie 4.0“ für viele weit entfernt. Genau genommen sind wir aber schon mittendrin in der vierten industriellen Revolution: Aktuelle
Fabrikanlagen implementieren schon CPS-Technologien. Nach und nach werden immer mehr Voraussetzungen geschaffen und Schritt für Schritt zur
großen Vision verknüpft. Deutschland verfügt über
die besten Voraussetzungen die 4. industrielle Revolution entscheidend zu prägen und voranzutreiben. Die
deutsche Wirtschaft sollte diese Chance unbedingt
nutzen – vor allem für die Menschen, deren Arbeit
damit in vielerlei Hinsicht eine neue Qualität erreichen könnte.
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LITERATUR
[1] Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft (Hrsg.): Bericht der Promotorengruppe Kommunikation: Im Fokus:
Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 – Handlungsempfehlungen zur Umsetzung.
Berlin. 2012. Seite 14.
[2] Dr. Schlick, Jochen/ Stephan, Peter: Die vierte industrielle Revolution
wird kommen. http://www.konstruktion.de/topstory/die-vierte-industriellerevolution-wird-kommen. 11.07.2012.
[3] Geisberger, Eva/Broy, Manfred (Hrsg.): AgendaCPS: integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems. Berlin, Heidelberg (u.a.). 2012. Seite 17.
[4] Dr. Schmidt, Holger: Internet der Dinge – Die vierte industrielle Revolution. http://www.focus.de/digital/internet/ netzoekonomie-blog/internet-derdinge-die-vierte-industrielle-revolution_aid_ 766599.html. 11.07.2012.
[5] Bullinger, Hans-Jörg/ten Hompel, Michael (Hrsg.): Internet der Dinge:
www.internet-der-dinge.de. Berlin; Heidelberg (u.a.). 2007.
[6] Dr. Bettenhausen, Kurt: Die Aufmerksamkeit für Industrie 4.0 ist richtig und wichtig. http://www.elektronikpraxis.vogel.de/hf/articles/367792/.
11.07.2012.
SUMMARY
”Manufacturing 2020 – Towards a fourth Industrial Revolution“
The digital enrichment of manufacturing equipment and products offers a new
form of vertical and horizontal integration of factory IT systems. The Internet
of Things and the Internet of Services are entering the manufacturing domain.
Products are getting smart; machines are exchanging information; real world
manufacturing processes and their digital counterpart within simulation
systems are merging more and more. Context sensitive assistance puts the
human operator back into the center of our factories. After the mechanization
of manufacturing, the introduction of assembly lines and the upcoming usage
of IT Systems the Internet of Things and the Internet of Services do have the
potential to trigger a fourth industrial revolution.
Keywords: Production Management, Industry 4.0, Cyber-Physical Systems,
Capacity Flexibility
IM SCHWERPUNKT | Industrie 4.0
SERVICE
AUTOREN
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.
Dieter Spath
Leiter des Fraunhofer-Instituts für
Arbeitswirtschaft und Organisation
IAO und des Instituts für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IAT der
Universität Stuttgart mit gemeinsam ca. 500 Mitarbeitern. Neben Technologiemanagement und einer konsequenten Innovationsorientierung liegen die Schwerpunkte auf der ganzheitlichen Berücksichtigung von
Mensch, Organisation und Technik. Professor Spath ist
Vizepräsident der acatech und Mitglied hochrangiger
Institutionen, unter anderem der CIRP und der WiGeP.
Dr.-Ing. Sebastian Schlund
Leitet die Abteilung Produktionsmanagement am Fraunhofer IAO. Die
Abteilung entwickelt Lösungen für
eine schlanke Auftragsabwicklung
bei variantenreicher Einzel- und Kleinserienproduktion.
Dr.-Ing. Stefan Gerlach
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im
Bereich Produktionsmanagement.
Schwerpunkt seiner wissenschaftlichen Tätigkeit bildet der bedarfsgerechte IT-Einsatz in einer schlanken Produktion.
Dipl.-Ing. Moritz Hämmerle
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im
Bereich Produktionsmanagement.
Schwerpunkt seiner wissenschaftlichen Tätigkeit bildet die Kapazitätsplanung durch Entwicklung und Einsatz von
Methoden zur Kapazitätsflexibilisierung.
Dipl.-Wirtsch.-Inform.
Tobias Krause
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im
Bereich Produktionsmanagement.
Schwerpunkt seiner wissenschaftlichen Tätigkeit bildet der Einsatz von IT-Technologie in
der Produktion.
KONTAKT
Sebastian.schlund@iao.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft
und Organisation IAO
Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart
Tel.: +49 (0)711 / 970-2065
www.iao.fraunhofer.de
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