Industrie 4.0 » Digitale Vernetzung und Transformation
In einer Welt, die sich unaufhörlich weiterentwickelt und verändert, steht die Industrie vor einer Revolution wie nie zuvor. Industrie 4.0, auch bekannt als die vierte industrielle Revolution, ist der Schlüsselbegriff, der die Zukunft der Fertigungs- und Produktionsbranche definiert. Die Entwicklung geht über reine Automatisierung hinaus und umfasst die vollständige digitale Vernetzung und Transformation von Produktionsprozessen. Dabei spielen folgende Themen eine wichtige Rolle:
Industrie 4.0 ist gekennzeichnet durch die Integration von digitalen Technologien in alle Aspekte der Industrie, angefangen beim Anlagenbau bis hin zur Wartungsplanung. Das Ziel: Der Abbau von Silos und die Vernetzung von Teams, smarten Geräten und Abläufen über die gesamte Unternehmens- und Produktionslandschaft hinweg.
Das Herz der Vierten industriellen Revolution ist dabei Künstliche Intelligenz (KI). Dank ihr können Unternehmen und Hersteller die riesigen Datenmengen aus aller Welt (Big Data), die heutzutage zur Verfügung stehen, nicht nur sammeln, sondern auch nutzen. Dabei umfasst Industrie 4.0 allerdings nicht nur eine dedizierte Technologie, sondern zeichnet sich vielmehr durch eine ganze Reihe an Systemen, Tools und Innovationen aus – wie etwa industrielle IoT-Netzwerke, Augmented Reality, Cobots (kollaborative Roboter), Automation & Robotik, oder Condition Monitoring.
Diese ermöglichen es Unternehmen, ihre Produktionsprozesse zu optimieren sowie Effizienz und Flexibilität zu steigern und schaffen unterm Strich intelligente Fabriken.
Die Basis: Vier Prinzipien von Industrie 4.0
Dank der Verschmelzung von digitalen und physischen Technologien ist es der Industrie 4.0 möglich, den Industriesektor zu revolutionieren – geleitet von vier Prinzipien:
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Konnektivität:
In der Industrie 4.0 sind Maschinen, Anlagen, Sensoren und Menschen miteinander verbunden und können nathlos Informationen austauschen. Dies erleichtert nicht nur eine präzisere und zeitnahe Entscheidungsfindung, sondern führt auch zu einer verbesserten Überwachung, Steuerung und Optimierung der Produktionsprozesse.
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Informationstransparenz:
Dank der Fortschritte in der Sensortechnologie und Datenerfassungsmethoden haben Unternehmen heutzutage Zugang zu riesiegen Mengen an Betriebs- und Leistungsdaten. Mit diesen lässt sich eine virtuelle Replik der physischen Welt erschaffen – ein Digitaler Zwilling, der ein besseres Verständnis und eine genauere Modellierung der Prozesse ermöglicht.
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Technische Unterstützung:
Werden Systeme mit künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen ausgestattet, sind sie in der Lage, Menschen zu helfen, gut informierte Entscheidungen zu treffen und komplexe Probleme zu lösen. Auch können sie für menschliche Arbeitskräfte potenziell gefährliche oder unangenehme Aufgaben übernehmen.
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Dezentralisierte Entscheidungen:
Waren bisher ausschließlich Menschen in der Lage, eigenständig einfache Entscheidungen zu treffen, besitzen nun auch cyber-physische Systeme diese Fähigkeit. Dies resultiert in gesteigerter Flexibilität und schnelleren Reaktionen innerhalb von Produktionsprozessen.
Technische Grundpfeiler der digitalen Industrietransformation
Grundsätzlich kann man sagen, basiert die Industrie 4.0 auf verschiedenen wichtigen Pfeilern, die die Grundlage für die digitale Transformation der industriellen Landschaft bilden. Hier sind einige der wichtigsten:
Vernetzung und Digitalisierung
Ein wesentlicher Punkt der Industrie 4.0 ist, dass verschiedenste Komponenten innerhalb eines industriellen Systems miteinander vernetzt sind und nahtlos kommunizieren können. Diese Vernetzung erlaubt – in Verbindung mit Digitalisierung – eine umfassende Datenerfassung in Echtzeit. Diese Daten können dann mithilfe von fortschrittlichen Analytik- und KI-Technologien ausgewertet werden, um fundierte Entscheidungen zu ermöglichen.
Das können auf horizontaler Ebene Produktionsprozesse sein, die über mehrere Produktionsstätten und über die gesamte Supply Chain hinweg miteinander verbunden sind. Andererseit können Informationen auch vertikal über alle Unternehmensebenen fließen, von der Fertigung bis in die Führungsetage und wieder zurück. So werden Daten- und Wissenssilos reduziert und die Abläufe rationalisiert.
Die intelligente Kommunikation zwischen Maschinen und Systemen verbessert die Effizienz und sorgt für mehr Flexibilität und Reaktionsfähigkeit. Durch die Digitalisierung werden physische Prozesse und Informationen in digitale Daten umgewandelt, wodurch eine präzise Überwachung, Analyse und Optimierung möglich wird.
Big Data und Analytik
In der Industrie 4.0 werden umfangreiche Daten aus verschiedenen Quellen gesammelt, darunter Anlagen, Ausrüstungsteile und IoT-fähige Geräte. Diese Datenerfassung erstreckt sich über sämtliche Aspekte der Fertigung und darüber hinaus, einschließlich globaler Geschäftsbereiche.
Die Rolle von Big Data besteht darin, diese riesigen Mengen an Daten zu verwalten, zu speichern und zu verarbeiten. Dies ermöglicht es Unternehmen, wertvolle Erkenntnisse aus den Informationen zu gewinnen, sei es in Bezug auf Effizienzsteigerungen, Qualitätsverbesserungen oder innovative Produktentwicklungen. Analytik, insbesondere KI-gestützte Analysen und maschinelles Lernen, spielt eine zentrale Rolle bei der Extraktion von relevanten Mustern, Trends und Prognosen in Echtzeit.
Die gewonnenen Erkenntnisse aus Big Data und Analytik dienen dazu, fundierte Entscheidungen zu treffen und Automatisierungslösungen in der Fertigung und im Supply Chain Management zu verbessern. Auf diese Weise tragen Big Data und Analytik dazu bei, die Effizienz, Agilität und Innovationsfähigkeit von Unternehmen in der Industrie 4.0 zu steigern.
Automatisierung und Robotik
Unter Automation verstehen Fachleute die maschinelle Durchführung von Aufgaben, für die zuvor ein Mensch erforderlich war. Durch Automatisierung können wiederholbare und zeitaufwändige Aufgaben präzise und effizient ausgeführt werden. Roboter können kontinuierlich arbeiten, ohne Ermüdung oder Fehleranfälligkeit, was zu einer insgesamt gesteigerten Produktionsleistung führt. Robotik hingegen beschreibt im Wesentlichen den Entwicklungsprozess von Robotern unterschiedlichster Funktion und Größe. Von Drohnen für die Bestandsüberwachung bis zu autonomen mobilen Robotern, die Bestückungsvorgänge durchführen.
Industrie-Roboter sind oft so konzipiert, dass sie flexibel auf verschiedene Aufgaben reagieren können. Durch Programmierung und Anpassungsfähigkeit können sie sich schnell an wechselnde Produktionsanforderungen anpassen. Durch die Vernetzung und Integration von Daten in Echtzeit können Industrieroboter nicht nur autonom komplexe Aufgaben ausführen, sondern auch nahtlos in intelligente Fertigungssysteme eingebunden werden.
>> Mehr Informationen in unserem Ratgeber zum Thema Robotik.
Cobots
Kollaborative Roboter, auch als Cobots bekannt, sind darauf ausgelegt, sicher mit Menschen zu interagieren. Diese Form der Robotik ermöglicht eine direkte Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine, was besonders in Umgebungen mit variablen oder komplexen Aufgaben von Vorteil ist.
Außerdem sind Cobots auch für kleine und mittelständische Betriebe erschwinglich, die so ebenfalls die Vorteile der Automation nutzen können, ohne dabei eine Kostenexplosion befürchten zu müssen. Ihre einfache Integration und Anpassungsfähigkeit führen zu geringeren Implementierungskosten und schnelleren Return on Investment (ROI). Insgesamt tragen Cobots dazu bei, die Agilität und Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen in der Industrie 4.0 zu stärken.
Cyber-physische Systeme (CPS)
Cyber-physische Systeme (CPS) ermöglichen die nahtlose Verbindung von physischen und digitalen Komponenten.
Eine intelligente Fertigungszelle, beispielsweise, besteht aus Produktionsmaschinen und Robotern (physisch), die entsprechend programmiert und mit Sensoren ausgestattet sind sowie Zugriff auf eine vernetzte Produktionsdatenbank haben (digital). Über das IIoT sind die verschiedenen Komponenten der Zelle vernetzt und können miteinander kommunizieren.
CPS erlauben eine präzise Überwachung und Steuerung von Produktionsanlagen. Durch die Integration von Datenanalysen und künstlicher Intelligenz können Prozesse in Echtzeit optimiert werden, um Effizienz und Produktivität zu steigern. Sie sind zudem äußerst flexibel und können sich schnell an veränderte Anforderungen und Produktvarianten anpassen, was in einer zunehmend individualisierten Produktion von Vorteil ist.
Industrielles Internet der Dinge (IIoT)
Das Industrial Internet of Things (IIoT) bezieht sich auf die Integration von internetfähigen Sensoren, Geräten und Systemen in industrielle Prozesse. Es betont die Vernetzung von physischen Geräten über das Internet, um Echtzeitdaten zu sammeln und zu überwachen. Dabei werden Anlagen, Systeme, Daten und Software miteinander verbunden. So können verschiedenste Daten miteinander verknüpft und ausgewertet werden, um die Produktion effizienter zu machen.
Das IIoT kann als Teilbereich von CPS betrachtet werden, da es eine der Technologien ist, die in die Schaffung von cyber-physischen Systemen integriert werden können. Das IIoT gilt als Grundlage für die Vernetzung und Interkonnektivität in der Industrie – und damit als ein Schlüsselfaktor der digitalen Transformation.
Augmented Reality (AR)
Augmented Reality (zu deutsch: erweiterte Realität) überlagert üblicherweise eine reale Umgebung mit digitalen Inhalten. Mit Hilfe spezieller Brillen oder mobiler Geräte lassen sich IIoT-Daten in Echtzeit visualisieren.
So können Techniker beispielsweise Reparatur- oder Montageanleitungen, Diagramme oder Anweisungen direkt auf den physischen Geräten sehen. Das erleichtert Wartungs- und Reparaturarbeiten, da relevante Informationen in Echtzeit bereitgestellt werden.
Auch lassen sich Informationen über den Fertigungsprozess direkt auf Maschinen oder Produktionslinien projizieren, was die Überwachung von Produktionsparametern erleichtert und es ermöglicht, auf Abweichungen sofort zu reagieren. Virtuelle Schulungen können direkt auf die Arbeitsumgebung des jeweiligen Mitarbeiters zugeschnitten werden und sie erhalten Anleitungen für komplexe Aufgaben in Echtzeit.
AR ist noch im Entstehen, hat aber große Auswirkungen auf Wartung, Service und Qualitätssicherung sowie auf die Ausbildung und Sicherheit der technischen Fachkräfte.
>> Mehr Informationen in unserem Ratgeber zu Augmented Reality.
Simulation / digitale Zwillinge
Eng mit dem Thema Augmented Reality (AR) verbunden, ist die Simulation eines sogenannten digitalen Zwillings. Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Repräsentation eines physischen Objekts (Maschine, Produkt), Systems oder Prozesses. Er wird durch die kontinuierliche Erfassung und Aktualisierung von IIoT-Sensordaten in Echtzeit erstellt.
Dieser digitale Zwilling ermöglicht es, das reale Objekt oder System virtuell abzubilden und in der virtuellen Welt zu analysieren, zu überwachen und zu simulieren. Oft wird AR genutzt, um die Informationen und Analysen aus dem digitalen Zwilling in die reale Welt zu projizieren. Ein Anlagenbetreiber kann mithilfe eines digitalen Zwillings beispielsweise ein bestimmtes fehlerhaftes Teil identifizieren, potenzielle Probleme vorhersagen, die Betriebszeit verbessern sowie verschiedene Szenarien und Bedingungen simulieren.
Neben der Konfiguration und Wartung von Maschinen kann ein digitaler Zwilling auch die Zusammenarbeit verschiedener Teams vereinfachen. Durch die Visualisierung von Prozessen, Anlagen oder Produkten können Diskussionen und Planungen effektiver durchgeführt werden. Dies fördert eine ganzheitliche und interdisziplinäre Herangehensweise in der Industrie 4.0.
IT-Sicherheit und Datenschutz
Die Integration digitaler Technologien in der Industrie 4.0 bietet beeindruckende Möglichkeiten, birgt jedoch auch neue Herausforderungen. Die umfassende Konnektivität, eine Schlüsselstärke dieser Revolution, stellt eine erhebliche Angriffsfläche dar. Potenzielle Angreifer, von Einzelpersonen bis hin zu staatlichen Stellen, haben in den letzten Jahren exponentiell zugenommen, und die Ausnutzung von Schwachstellen in vernetzten Systemen ist zu einer ernsthaften Bedrohung geworden.
Daher ist in der Industrie 4.0 eine effektive Cybersicherheit von größter Bedeutung.
Eine umfassende Strategie sollte regelmäßige Risikobewertungen, ein ganzheitliches Risikomanagement sowie entscheidende Netzwerksicherheitsmaßnahmen wie Firewalls und Intrusion Detection-Systeme umfassen. Identitäts- und Zugriffsmanagement, Verschlüsselung von Datenübertragungen und Sicherheitsbewusstseins-Schulungen sind zentrale Aspekte. Klare Incident Response-Pläne, regelmäßige Software-Updates, Zugangskontrolle für IIoT-Geräte sowie die Einhaltung von Sicherheitsstandards und Datenschutzgesetzen bilden eine robuste Verteidigungslinie gegenüber den wachsenden Cyberbedrohungen in der Industrie 4.0.