CPG Newsletter: Industrie 4.0

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Industrie 4.0 – Möglichkeiten und Herausforderungen

Was ist die Industrie 4.0?

Der Begriff Industrie 4.0 bezieht sich auf eine vierte industrielle Revolution, die auf der digitalen Transformation der Gesellschaft aufbaut. Die erste industrielle Revolution beschreibt die Mechanisierung und Nutzung von Wasser- und Dampfkraft. Die zweite industrielle Revolution meint sowohl die Elektrifizierung der Industrie der 1870er und 1880er Jahre als auch die Massenproduktion die am besten durch das Aufkommen der klassischen Fließbandarbeit der 1920er symbolisiert wird. Die dritte industrielle Revolution fand durch die Einführung von Elektronik und IT in Form der Automatisierung der Produktion statt.

Die Bundesregierung hat im November 2011 den Aktionsplan zur Hightech-Strategie 2020 verabschiedet. Darin wird das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 vorgestellt, das zuvor von der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft initiiert wurde. 

Eine einheitliche Definition für den Begriff Industrie 4.0 liegt allerdings noch nicht vor. Es geht bei Industrie 4.0 um die Fortführung der digitalen Transformation der Industrie, die bereits in den 1980er Jahren begonnen hat. Allerdings ist die Nutzung digitaler Technologien nur ein erster Schritt hin zu einer Industrie 4.0. 

Die Industrie 4.0 ist vor allem eine Zukunftsvision, bestehend aus vielen einzelnen Elementen. Einige dieser Elemente werden heute auch schon umgesetzt und haben bereits positive Auswirkungen. Kommen diese über das ganze Netz aus Zulieferern, Produktion und Vertrieb durchgängig zum Einsatz und werden sie zum Teil vernetzt, entsteht etwas Neues – die Industrie 4.0. Wie diese genau aussehen wird lässt sich heute erst erahnen.

In der Zukunft werden intelligente Fabriken selbstständig die Prozessabläufe für die Produktion leiten. Dabei kann die Kommunikation der Maschinen über einen Standort hinausgehen. Das System kann direkt Kundenwünsche entgegennehmen oder Anpassungen von Aufträgen an Zulieferer vornehmen. 

Durch die schnelle Reaktionszeit eines solchen Systems können Produkte zunehmend individuell angefertigt, anstatt auf Vorrat produziert, werden. Dies kann zu einer Reduktion der Ausschuss- und Abfallmengen führen und ist damit, neben einer besseren Befriedigung von Kundenwünschen, auch gut für die Umwelt.

Die Industrie 4.0 ist also nicht nur die Einführung von neuen Technologien, sondern auch eine Umstellung der Strukturen und Entscheidungsregeln. Hierbei will die Bundesregierung Deutschland zum weltweiten Innovationsführer machen.  

Zu diesem Zweck haben die Verbände BITKOM, VDMA und ZVEI im April 2013 eine Kooperationsvereinbarung geschlossen, die das Projekt Industrie 4.0 weiterentwickelt. Inzwischen haben sich weitere Unternehmen, Verbände, Gewerkschaften sowie Akteure aus Wissenschaft und Politik mit ihnen unter der Plattform Industrie 4.0 (www.plattform-i40.de) des BMWI zusammengeschlossen.

In der Online-Bibliothek der Plattform finden sich Leitfäden und Handlungsempfehlungen für den Mittelstand. Des Weiteren gibt es eine Karte mit über 270 Anwendungsbeispielen. 

 

Die Elemente der Industrie 4.0

Viele Elemente der digitalen Transformation sind heute schon im Einsatz. Je mehr dieser Elemente zusammenkommen, desto höher ist der Reifegrad bei der Umsetzung der Industrie 4.0. Viele werden unter dem Begriff der intelligenten Fabrik zusammengefasst. Im fortgeschrittenen Fall ist diese intelligente Fabrik nicht mehr linear aufgebaut, sondern nach einem Baukastenprinzip organisiert.

Cyber-Physical-Systems

Die technische Voraussetzung aller Industrie 4.0 Maßnahmen bildet die Vernetzung von Objekten. Das bedeutet, dass diese in der Lage sein müssen, miteinander Informationen auszutauschen. Ist eine Maschine oder ein Sensor dazu in der Lage, so werden sie als Cyber-Physical-Systems (CPS) bezeichnet.

Dabei ist es zunächst egal, ob der Austausch nur lokal oder über ein Netzwerk stattfindet. Sind CPS an das Internet angeschlossen, wird auch vom Internet der Dinge gesprochen. Das Vorhandensein einer Mensch-Maschine-Schnittstelle ist keine zwingende Voraussetzung für CPS. Diese zusätzlichen Fähigkeiten sind jedoch oft hilfreich, existiert beispielsweise ein digitaler Zwilling des Produkts.

Digitaler Zwilling

Ein digitaler Zwilling ist ein exaktes virtuelles Abbild eines Produkts oder der Produktionslinie, welches sich so verhält, wie es auch die physikalische Variante tun würde. Existiert ein digitaler Zwilling für die gesamte Produktionslinie kann der Betrieb der Produktion genau durchgespielt werden, noch bevor die Produktion beginnt. 

Werden in der Simulation Probleme sichtbar, kann die Produktion schon in der Planungsphase angepasst werden. Ein digitaler Zwilling kann auch benutzt werden, um eine Optimierung durchzuführen. Beispielsweise kann der Energie- und Materialverbrauch minimiert werden. Die Anzahl der zu optimierenden Faktoren ist dabei unbeschränkt erweiterbar. 

Der digitale Zwilling ist nicht nur für die Planungsphase interessant. Wird er während der laufenden Produktion weiter eingesetzt, kann jede Änderung im Betrieb vorher simuliert werden. Im Idealfall läuft die Simulation parallel zur Produktion und dient in jedem Moment zur Planung der nächsten Schritte. Eine solche Echtzeitanwendung kommt heute allerdings noch nicht zum Einsatz.

Intelligente Produkte

Intelligente Produkte (englisch Smart Products) führen selbst Informationen über ihren Herstellungsprozess mit durch die Produktion. Wenn gewünscht, muss keine Information über das entstehende Produkt bei der bearbeitenden Maschine vorliegen. Das nächste Produkt, welches zur Bearbeitung eintrifft, liefert die Handlungsanweisungen gleich mit. 

Darüber hinaus ist das intelligente Produkt in der Lage, seinen eigenen Weg durch die nichtlineare intelligente Fabrik vorzugeben. Dass jedes Produkt jederzeit identifizierbar und lokalisierbar ist, erleichtert die Planung der Bearbeitungsabfolgen. 

Ein Beispiel ist die Entwicklung des InBin vom Fraunhofer IML. Ein intelligenter Behälter, der seinen Ort kennt und Umgebungsdaten, wie die Temperatur, erfasst. Er ist in der Lage, per Funk und Internet mit anderen CPS und per Display und Sprachmodul mit Menschen, zu kommunizieren. Damit ist der InBin in der Lage, den gesamten Kommissioniervorgang zu leiten und zu kontrollieren.  

Horizontale und vertikale Integration

Mit Integration ist bei der Industrie 4.0 die Verknüpfung von CPS gemeint. Es wird zwischen horizontaler und vertikaler Integration unterschieden. Die horizontale Integration der Industrie 4.0, im Vergleich zu den Verknüpfungen der Industrie 3.0, ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt.

Horizontale Integration meint eine Integration innerhalb einer Hierarchie-Ebene, aber auch über die Systemgrenze hinweg. Dies kann sogar über die Grenzen eines Betriebs hinweg stattfinden. Wenn beispielsweise ein Arbeitsstand ein Update für die Anforderung an zu produzierenden Teilen an einen Arbeitsstand im Zuliefererbetrieb sendet. 

Vertikale Integration hingegen meint eine Integration innerhalb eines Systems, aber über mehrere Hierarchieebenen hinweg. Die verschiedenen Ebenen in einem Unternehmen (wie Entwicklung, Produktion, Buchhaltung und Vertrieb) befinden sich im digitalen Informationsaustausch. 


Abbildung 1: Informationsfluss in und zwischen drei Unternehmen in der Industrie 3.0 und Industrie 4.0. Während die Verknüpfungen der Industrie 3.0 nur sehr begrenzt sind (intern: Abteilung mit Abteilung, extern: Unternehmen mit Unternehmen), können die Verknüpfungen in der Industrie 4.0 deutlich komplexer werden.
 
Bei solchen Verknüpfungen muss immer die IT-Sicherheit der Systeme gewahrt bleibt. Es wird daher in der Industrie 4.0 nicht zu einer Verknüpfung von Allem mit Allem kommen. Es werden für jede Anwendung neue kleine Netzwerke entstehen, an denen die relevanten betriebsinternen CPS aus allen Abteilungen beteiligt sind und welche definierte temporäre Schnittstellen nach Außen besitzen.

Smart Maintenance

Bei Smart Maintenance meldet eine Maschine, nach einer vorgegebenen Laufzeit, eigenständig welches Ersatzteil zu bestellen ist, um einem Ausfall durch Verschleiß vorzubeugen. Alternativ kann die Notwendigkeit für eine Wartung auch durch den Abfall in der Produktqualität erkannt oder durch die Simulationen eines digitalen Zwillings vorhergesagt werden. Wird der Zeitpunkt der Wartung optimal abgepasst, werden unnötige Ersatzteile eingespart, sowie ein Ausfall verhindert.

Big Data

Durch virtuelle Simulationen, Echtzeitüberwachung der Produktionsprozesse und zusätzliche Sensoren fallen extrem große Datenmengen an. Deren Dimension ist oft so groß, dass sie eine neue Art der Verarbeitung notwendig machen. Die Daten, ihre Verarbeitung und Auswertung werden unter dem Begriff Big Data zusammengefasst.

Mobile und selbstständige Roboter

Soll eine Produktion in der Lage sein, sich auf häufige Änderungen am Produkt anzupassen, so muss auch die Umrüstzeit der Maschinen reduziert werden.

Ein Teil der Roboter der Industrie 4.0 wird also nicht mehr nur eine Funktion an einem festen Platz ausüben. Zu einer schnellen Umrüstung kann sogar der selbstständige Ortswechsel eines Roboters gehören, wenn dieser an einem anderen Arbeitsplatz benötigt wird.

Weiter Definitionen sind im Glossar der Plattform Industrie 4.0 gegeben.

 

Zukunftsvision der Industrie 4.0

Grundlegendes Bestreben beim Entwickeln von Konzepten einer intelligenten Fabrik ist es, den linearen Ablauf der Produktion aufzubrechen. Dieser soll durch einen modularen Ansatz ersetzt werden. Ändern sich die Anforderungen an ein Produkt oder fällt eine Maschine aus, kann die Produktionsstraße schnell umgestellt werden. Die Montage in einer intelligenten Fabrik ist nicht mehr zentral gesteuert und linear aufgebaut, sondern selbstorganisierend und dezentral.

Ein Demonstrator einer solchen Produktionsstraße wurde unter dem Namen SmartFactoryKL entwickelt. Die Abläufe in der SmartFactoryKL werden hier in einem fünfminütigen Video vorgestellt.



Noch viel weiter geht das Forschungsprojekt Smart Face des Fraunhofer IML. Der neuartige Ansatz, wie in Abbildung 2 dargestellt, besteht in einem dezentral gesteuerten Produktionssystem nach dem Internet-der-Dinge-Prinzip, in dem Montageteile und zu bearbeitende Produkte ihren Weg eigenständig von Maschine zu Maschine und durch die Produktionsstätte finden. 



Abbildung 2: Abstrahierte Darstellung der Idee einer intelligenten Fabrik des Smart Face Forschungsprojekts des Fraunhofer IML

Für manche Branchen ist eine Einzelteilfertigung möglich, welche die notwendige Lagerhaltung verringert. Außerdem kann die korrekte Fertigung eines Produkts bestätigt werden, bevor mit der Arbeit am nächsten Produkt begonnen wird. Dies reduziert die Aus- und Überschüsse deutlich und spart so Rohstoffe ein.

Ein Beispiel für eine Einzelteilfertigung mit begrenzter Lagerhaltung und der Vorteile, zeigt der zehnminütige Film Perfekter Materialstrom im Schwarzwald des VDI Zentrum Ressourceneffizienz (VDI ZRE).



Soll ein Teil eines Produkts in einem Fall anders ausgeführt werden, kann dieses einzelne intelligente Produkt sich einen anderen Weg durch die Produktion suchen. Dabei führt das intelligente Produkt die Handlungsanweisungen für seine eigene Herstellung mit. Nicht jeder automatisierte Arbeitsschritt muss zentral gesteuert werden.

Läuft diese nichtlineare Produktion reibungslos, ist es auf Dauer nicht mehr notwendig, dass alle Produkte gleich sind. Es wird die Maßanfertigung für den Massenmarkt ermöglicht, individualisierte Produkte zu den Preisen einer Großserienproduktion. 

Das Fraunhofer IPA hat im Juli 2017 die automatisierte Herstellung einer Brille nach Kundenwunsch demonstriert. Hier wird die Information direkt vom Handel in die Produktion weitergegeben. Es gibt heute schon maßgefertigte Sportschuhe, die automatisiert auf den Fußabdruck des Kunden angepasst hergestellt werden. 

Laufen die Produktionsprozesse nach dem Baukastenprinzip ab, ergeben sich weitere neue Möglichkeiten. In einer Deutsch-Koreanischen Kooperation des Fraunhofer IOSB soll im Rahmen des „Smart Factory Web“ ein Netz aus kleinen flexiblen Fabriken entstehen, die ihre Produktionskapazitäten gemeinsam an Dritte anbieten. 

Wird dieses Konzept in Zukunft einmal Realität, kann ein Kunde sich schon für Kleinstserien von Produkten die Leistung einer voll ausgestatteten Fabrik mieten, ohne selbst eine Produktionsstätte betreiben zu müssen.

Für das verarbeitende Gewerbe bedeutet dies auch eine ökonomische Herausforderung. Es muss aufpassen, dass es noch ausreichend an den Gewinnen beteiligt wird, wenn es zunehmend die Produkte nicht mehr selbst vermarktet. Wirtschaftlich vorteilhaft kann sich dagegen die gewonnene Flexibilität auswirken, wenn es für Unternehmen möglich wird Teile ihrer Produktionskapazitäten zu vermieten, insofern gerade weniger Aufträge für die eigenen Produkte vorliegen.

Werden für ein Produkt kurze Lieferzeiten gewünscht, könnte dieses in einer externen Fabrik in der Nähe des Kunden produziert werden. So reduziert sich der Transportbedarf und Produktionsstätten in der Nähe von Ballungsgebieten können ökonomisch attraktiver werden, indem diese Aufträge für die Region bündeln.

Wünscht der Kunde ein besonders umweltfreundliches Produkt, kann dieses in einer besonders umweltschonenden Fabrik in Auftrag gegeben werden. So könnten Fabriken entstehen, die umweltverträglicher arbeiten und sich ohne solch flexible Aufträge nicht am Markt halten könnten. Einen Ausblick, wie diese Kundeneinflüsse in Zukunft möglich werden könnten, finden Sie im letzten Abschnitt dieses Newsletters.
 

Herausforderungen der Transformation zur Industrie 4.0 

Der Einsatz neuer Technologie und die Umstellung von Arbeitsabläufen stellen auch neue Ansprüche an die Produktion, die Verwaltung und den betrieblichen Arbeitsschutz. Insbesondere bei der sicheren Zusammenarbeit von Menschen und selbstständigen Maschinen gibt es noch offene technische und rechtliche Fragen.
 
Neben den sich bietenden Chancen ist es ebenso Aufgabe, die mit der Digitalisierung einhergehenden Risiken aufzuzeigen und in dem weiteren Entwicklungs- und Planungsprozess der Digitalisierung zu berücksichtigen. So sind Aspekte der Anlagen- und Datensicherheit von großer Relevanz bei der Betrachtung des Themas Industrie 4.0 und Umwelt. Verantwortlichkeiten in Bezug auf die Anlagensicherheit in einer vernetzten Produktion müssen neu definiert werden.

Die zunehmende Komplexität der Anlagen (modulare Produktion, kleinteilige Fertigung, just-in-time Service, Fernsteuerung und -wartung u.a.) stellt neue Herausforderungen an die Anlagensicherheit. Sowohl für veränderte Zuständigkeiten als auch Verantwortlichkeiten sind rechtliche Rahmenbedingungen zu schaffen.

Ebenso sind Fragen des Datenschutzes und der Datensicherheit – safety und security – bei der zunehmenden Digitalisierung sehr bedeutsam. Der prozessinterne Umgang (Datenerhebung, -analyse, abgeleitete Maßnahmen) mit Daten muss so erfolgen, dass keine zusätzlichen Gefahren daraus resultieren. Aber auch der Datenaustausch in vernetzten Systemen (intern und extern) muss sicher gestaltet werden um (Cyber-)Angriffe von wirksam zu verhindern.

Je mehr Vernetzung stattfindet, umso mehr müssen IT-Systeme gegen Angriffe abgesichert werden. Fast jedes dritte deutsche Unternehmen erlebte in den letzten zwei Jahren Cyberangriffe. 

Der Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI) nennt in einem Positionspapier zu Sicherheitsfragen im August 2017 Cybersicherheit als eine zentrale Herausforderung für den Erfolg von Industrie 4.0. 

Um Unternehmen zu unterstützen werden im Forschungsprojekt zur IT-Sicherheit IUNO die Bedrohungen und Risiken der intelligenten Fabrik identifiziert und Schutzmaßnahmen entwickelt. 

Auch daran, wie man die großen Datenmengen der Industrie 4.0 sicher aufbewahren kann, forscht IUNO. Nicht nur die Daten müssen verschlüsselt werden, sondern auch die Zugriffsrechte innerhalb und außerhalb des Unternehmens sollten verwaltet werden. 

Damit Teile der Industrie 4.0 Systeme miteinander kommunizieren können, ist eine gemeinsame Sprache notwendig. Besonders problematisch ist die Einbindung von älteren Maschinen, die noch keine CPS sind. Diese müssen, wenn möglich, nachgerüstet werden.

Aber auch bei neuen Maschinen sind globale Standards nötig, um die Kompatibilität sicherzustellen. Diese Standards müssen definieren, in welcher Form die großen Datenmengen der Industrie 4.0 in der Zukunft verarbeitet werden. Solange diese Standards nicht existieren muss jede intelligente Maschine aufwändig in den bestehenden Prozess integriert werden. Ein hoher Reifegrad der Industrie 4.0 ist also nur durch einheitliche globale Standards möglich.

Ein vielversprechendes Referenzarchitekturmodell, RAMI 4.0, haben mehrere Deutsche Industrieverbände zusammen entwickelt. Der Verband der Elektroindustrie ZVEI stellt es hier in einem fünfminütigen Video vor. Setzt sich ein Modell durch, erleichtert das auch den Verkauf von Industrie 4.0 Technologien in andere Länder. Nach dem Wunsch der Deutschen Industrie und Bundesregierung soll RAMI 4.0 zum weltweiten Standard für Industrie 4.0 werden – momentan stehen die Chancen dafür sehr gut.



Die Umstellung eines Betriebs, nach den Prinzipien der Industrie 4.0, stellt also große Ansprüche an ein Unternehmen. Ein halbherziger Umstieg kann dazu führen, dass ein Betrieb mit allen Nachteilen arbeiten muss, aber nur wenige Vorteile der Industrie 4.0 nutzen kann.

Vor allem für Betriebe, bei denen heute noch viele der Verwaltungs- und Planungsaufgaben per Hand ablaufen, ist ein Umstieg nicht zu empfehlen. Unternehmen müssen überprüfen, wieviel zu digitalisieren für sie überhaupt wirtschaftlich ist.

Auch bei Firmen die von den Vorteilen profitieren können, ist der Prozess des Umstiegs auf die Industrie 4.0 mit hohen Kosten verbunden. Diese bestehen aus der Investition in die Hardware, Lizenzkosten, sowie der notwendigen Schulungen von Mitarbeitern. 

Eine offene Plattform für ein Basissystem, für Firmen die auf Industrie 4.0 umsteigen wollen, entwickelt aktuell das Fraunhofer IESE im Auftrag des BMBF. Sie entsteht unter dem Namen BaSys 4.0, in gemeinsamer Arbeit mit Partnern aus der Wirtschaft und Wissenschaft. Siemens bietet mit seiner Digital Enterprise Suite bereits eine kommerzielle Komplettlösung für Firmen an.
 

Vorteile durch eine Umstellung auf Industrie 4.0

Laut dem VDI ZRE messen kleine und mittlere Deutsche Unternehmen der digitalen Transformation für die Zukunft einen hohen Stellenwert bei, auch wenn sie sich gegenwärtig teilweise erst in frühen Stadien der digitalen Transformation befinden. Als wesentliche Motivation nennen sie die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit.

Der BDI schätzt, dass durch die digitale Transformation der Wirtschaft und Gesellschaft 1,25 Billionen Euro an zusätzlicher industrieller Wertschöpfung in Europa bis 2025 geschaffen werden könnten. 

Doch über die ökonomischen Vorteile hinaus, bietet die Umstellung auf Industrie 4.0 auch Chancen der Energie- und Materialeffizienz. Es können Ressourcen geschont und Energie aus fossilen Quellen eingespart werden.

Maßnahmen zur Energie- und Ressourceneffizienz sind generell immer möglich, wenn neue Anschaffungen getätigt werden unabhängig davon, ob sie intelligent oder vernetzt sind. Kann beispielsweise eine neue Maschine in den Stand-by-Betrieb wechseln, ohne lange Anfahrtswartezeiten zu verursachen, wird sie bei Leerlauf oder am Wochenende öfter heruntergefahren werden. 

Die digitale Transformation bietet auch Möglichkeiten der Effizienzsteigerung, für die nicht unbedingt eine komplexe Vernetzung von verschiedensten Elementen zum Einsatz kommen muss. Im verarbeitenden Gewerbe werden meist noch klassische Maßnahmen bei der Materialeffizienz eingesetzt. Durch eine digitale Transformation von Unternehmen lässt sich, laut dem Institut der deutschen Wirtschaft Köln, die Materialeffizienz noch um drei bis vier Prozent steigern. Vor allem durch Maßnahmen der Kreislaufwirtschaft und die Berücksichtigung von Materialeffizienz bereits in der Planungsphase.

Die Industrie 4.0 bietet weitere Möglichkeiten über die digitale Transformation hinaus. Dies können simple Maßnahmen sein, dass Bereiche miteinander verknüpft werden und mehr Sensoren eingesetzt werden. So können beispielsweise die Batterien der betriebseigenen Elektroautos dann geladen werden, wenn die Photovoltaikanlage auf dem Dach des Unternehmens gerade besonders viel Strom liefert. Dadurch würde Strom aus fossilen Energieträgern eingespart werden. Ebenso könnte eine Verknüpfung von Prozesswärme und Büroheizung stattfinden und weitere Energie einspart werden.

Positive Effekte wurden in einer Studie des VDI ZRE vor allem in Unternehmen gefunden, die einen hohen Aufwand an Energie und Rohstoffen haben. Für die größten Einsparungen waren verringerte Fehlerraten, geringere Ausschuss- und Abfallmengen und die eingesparte elektrische Energie verantwortlich. Diesen Einsparungen steht aber immer der zusätzliche Verbrauch durch neu installierte Sensor- und Datenverarbeitungshardware gegenüber. 

Im Wasser- und Abwassermanagement können, durch zusätzliche Sensordaten Zuschlagstoffe mit einer optimierten Regelung eingespart und Gefahrensituationen schneller erkannt werden.

Wie bereits erwähnt, kann dank neuer Simulationsmöglichkeiten besser auf Umweltwerte hin optimiert werden. Viele Umweltdaten werden üblicherweise nur erhoben, um die Einhaltung von rechtlichen Vorgaben zu sichern. Diese Erhebungen werden oft per Hand durchgeführt und fließen, insbesondere bei Einhaltung der Vorgaben, meist nicht in eine weitere Prozessoptimierung ein.
Werden diese Daten mit neuen Sensoren durchgängig erhoben, fällt eine Änderung sofort auf. Die gewonnene Erkenntnis über den Zusammenhang kann in die Simulation einfließen und ein neues Optimum des Betriebs ermittelt werden.

Nicht nur ist der Nachweis über das Einhalten von Grenzwerten später kein zusätzlicher Aufwand mehr, auch die Wertstoffströme lassen sich besser nachverfolgen. Wenn Produkte ihren Herstellungsprozess dokumentieren und dabei auch alle eingegangenen Teile, Materialen und Betriebsstoffe erfassen, wird dies unter dem Begriff Traceability (zu Deutsch Rück- oder Nachverfolgbarkeit) zusammengefasst. 

Durch die Traceability von intelligenten Produkten lassen sich von fehlerhaften Chargen betroffene Produkte schnell und kostengünstig identifizieren und aus dem Verkehr ziehen oder korrigieren. Es wird möglich bei Unfällen oder Skandalen betroffene Produkte schnell zu ermitteln.

Außerdem stellen diese Informationen für Umweltfragen eine wertvolle Ressource dar, die bisher in dieser Form noch nie zur Verfügung stand. Wurden bisher Rechnungen zur Nachhaltigkeit angestellt, musste an vielen Stellen mit Schätzwerten gearbeitet werden.  
 

Weichenstellung für eine nachhaltigere Zukunft

Wie bereits erwähnt ist für die Industrie 4.0 die Einführung von globalen Standards bei der Datenverarbeitung und der Kommunikation absolut essenziell.
Am Beispiel des in der Entwicklung befindlichen Referenzarchitekturmodells RAMI 4.0 wird deutlich, wie groß diese Aufgabe ist. Die Komplexität wird in der Darstellung der Informationsebenen in Abbildung 3 erkennbar. Der Anspruch an RAMI 4.0 ist es, beliebige Assets in der Industrie 4.0 beschreiben zu können. Assets sind dabei sowohl Maschinen, Produkte und Produktteile. 


Abbildung 3: Die Informationsebenen des Referenzarchitekturmodells RAMI 4.0

Hierzu entsteht für jedes Asset eine sogenannte Verwaltungsschale. Diese ist eine digitale Sammlung aller relevanten Informationen zu einem Asset. Sie wird über die gesamte Wertschöpfungskette digital mitgeführt.

Ist die Herstellung eines Produkts abgeschlossen, sind die Verwaltungsschalen aller Teile, welche in dieses eingegangen sind, hinterlegt. Wird es vom Hersteller gewünscht, ist es möglich einen QR-Code am fertigen Produkt anzubringen, über welchen weiterhin auf die Informationen zugegriffen werden kann.

Ein Rechtesystem, welches steuert, wer wann auf welche Daten zugreifen kann, wird aktuell entwickelt. Ein solches System ist nicht nur in Bezug auf die Kunden relevant. Während der Produktion dient die Verwaltungsschale als Informationskanal zwischen Unternehmen und ein Schutz von Betriebsgeheimnissen, welche in den Schalen hinterlegt sind, muss jederzeit gegeben sein.

Das Umweltbundesamt möchte diese zukünftigen Standards gerne für den Umweltschutz nutzen. Dafür sollen auch Umwelt-, Energie- und Ressourcendaten in RAMI 4.0 und die dazugehörige Verwaltungsschale eingehen. Wäre es Standard, dass solche Daten in der Verwaltungsschale eines Produkts hinterlegt sind, könnten diese in der Zukunft sehr vorteilhaft Anwendung finden.

Erreicht die Industrie 4.0 in Zukunft einen ausreichenden Reifegrad, so können Konsumenten individualisierte Produkte kaufen, die im Anschluss speziell für sie hergestellt werden. Dabei ist es denkbar, dass dem Kunden Umweltdaten seines Produkts, wie der Energie- und Wasserverbrauch oder der Herkunftsort der verarbeiteten Rohstoffe, schon bei der Bestellung angezeigt werden. Diese Daten an seine Kunden weiterzugeben, kann ein Wettbewerbsvorteil sein.

So ist der Konsument in der Lage sein Produkt anzupassen, um es umweltfreundlicher zu gestalten, wenn dies gewünscht ist. Er ist schon vor dem Kauf informiert, welche Umweltstandards das Produkt erfüllt, wenn es für ihn hergestellt würde.

Des Weiteren können gesetzliche Vorgaben sicherheitsrelevante Daten zu Produkten zu erstellen und vorzuhalten, wie beispielsweise bei der REACH-Verordnung für Chemikalien, durch Umweltdaten in der Verwaltungsschale einfacher erfüllt werden. Liegen Daten zu enthaltenen Gefahrenstoffen und den Anforderungen beim Transport, über einen aufgeklebten oder eingravierten QR-Code, jederzeit verfügbar am Produkt vor, können außerdem auch Unfälle besser vermieden werden.

Sind die in einem Produkt verbauten Werkstoffe auch Jahre nach dem Kauf des Produkts noch abrufbar, eröffnet dies beim Recycling ganz neue Möglichkeiten. Es kann verhindert werden, dass dem Kreislauf wertvolle Rohstoffe verloren gehen. Auch eine Demontageanleitung für das Recycling könnte auf diesem Weg mitgeliefert werden.
 

Fazit

Heute ist die Zukunftsvision der Industrie 4.0 noch nicht Realität, aber einzelne Teile werden bereits umgesetzt und angewendet. Durch die Anwendungsbeispiele und viele Forschungsprojekte lässt sich immer besser erahnen, wie eine voll ausgereifte Industrie 4.0 einmal aussehen wird.

Auf Grund der digitalen Transformation, gezielter Vernetzung in der Produktion, intelligenter Steuerungen und Simulationen und vieler weiterer Innovationen werden effizient hergestellte preiswerte individualisierte Produkte in einem bisher ungekannten Maße möglich werden.

Es wird aktuell an internationalen Standards gearbeitet, welche für die vernetzte digitale Zusammenarbeit in der Industrie 4.0 dringend benötigt werden. Sollte es gelingen, auch Umweltdaten in diese Standards aufzunehmen, ergeben sich weitreichende Vorteile.

Ein Produkt und dessen Herstellung kann auf Grundlage solcher Umweltdaten möglichst umweltfreundlich gestaltet werden. Eine solche Optimierung funktioniert aber nur, wenn diese Daten vorliegen. Bislang bedeutet das Erheben der Daten einen Mehraufwand, der sich ökonomisch nicht unbedingt rechnet.

Lägen die Daten jedoch ohnehin vor, da sie Teil des Standards sind, so ist ihre Nutzung nicht nur ökologisch vorteilhaft, sondern auch ökonomisch sinnvoll.
Kunden könnten bereits während der Bestellung von individualisierten Produkten darüber informiert werden, welchen ökologischen Fußabdruck ein Produkt in der jeweiligen Konfiguration haben wird. Sollte es gelingen, Umweltdaten zu einem Teil der Standards zu machen, würden diese Vorteile für die Umwelt gemeinsam mit den Standards weltweit exportiert werden.

Die Industrie 4.0 wird viel verändern und dabei viele Vorteile mitbringen. Wie weitreichend diese Vorteile für die Umwelt sein werden, kann sich schon in den nächsten Jahren entscheiden.
 

Links und Literatur

Portal der Hightech Strategie der Deutschen Bundesregierung
Quelle: Die Deutsche Bundesregierung

Legislaturbericht Digitale Agenda 2014–2017
Quelle: Die Deutsche Bundesregierung

Die Internetplattform Industrie 4.0 des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie
Quelle: Plattform Industrie 4.0

Online-Bibliothek der Plattform Industrie 4.0
Quelle: Plattform Industrie 4.0

Karte mit Beispielen für Industrie 4.0
Quelle: Plattform Industrie 4.0

Glossar mit Begriffsdefinitionen der Industrie 4.0
Quelle: Plattform Industrie 4.0

Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 – Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0
Quelle: BMBF; acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e.V.; Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft

Smart Maintenance für Smart Factories. Mit intelligenter Instandhaltung die Industrie 4.0 vorantreiben
Quelle: acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e.V.

InBin - Der intelligente Behälter
Quelle: Fraunhofer IML

Verbundprojekt »SMART FACE«
Quelle: Fraunhofer IML

BaSys 4.0
Quelle: Frauenhofer IESE

Korean German Collaboration enabling a Smart Factory Web
Quelle: Fraunhofer IOSB

IUNO – Nationales Referenzprojekt IT-Sicherheit in Industrie 4.0
Quelle: Technische Universität Darmstadt

Industrie 4.0 - Finanzierung von Investitionen
Quelle: VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.

Ressourceneffizienz durch Industrie 4.0 - Potenziale für KMU des verarbeitenden Gewerbes
Quelle: VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH

 

Aktuelles

Fraunhofer IPA entwickelt neue Anwendungsszenarien
Quelle: Industrie.de - Konradin Mediengruppe

Was die Digitalisierung mit uns macht
Quelle: Ingenieur.de - VDI Verlag GmbH

Industrie 4.0: Firmen in Mainfranken bekommen Hilfe
Quelle: Main-Post

Schutz für selbst denkende Maschinen
Quelle: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG

Industrie 4.0: hohe Investitionen bremsen Entwicklung
Quelle: techtag (CyberForum Service GmbH)

Digitale Strategien für mehr Materialeffizienz in der Industrie
Quelle: Institut der deutschen Wirtschaft Köln e.V.

Digital-Zwilling spart Zeit und Geld
Quelle: Deutschlandfunk

BDI fordert mehr Einsatz gegen Cyber-Angriffe
Quelle: Handelsblatt GmbH

Leitfaden für die Industrie 4.0
Quelle: Echo Zeitungen GmbH
 

Videos

Perfekter Materialstrom im Schwarzwald 
Quelle: VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH

Referenzarchitketurmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) erklärt | ZVEI
Quelle: ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.

Material sparen durch Industrie 4.0 bei der Entwicklung und Produktion
Quelle: VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH

Industrie 4.0 leicht gemacht- Material und Energie sparen durch Apps
Quelle: VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH
 

Kontakte:

Umweltbundesamt

Doris Meurer
Doris.Meurer@uba.de
 

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Wörlitzer Platz 1
06844 Dessau-Roßlau

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www.cleaner-production.de

Redaktion: Doris Meurer; Ralf Menzel; Anne Bachmann 

Autor: Joscha Steinbrenner

3D-Animationen: SINNEMA Animation Studio GbR

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Abbildungsnachweis / Copyright:
Abbildung 1: Industrie 4.0, Leitfaden IT-Security in der Industrie 4.0
Abbildung 2: Fraunhofer IML
Abbildung 3: Plattform Industrie 4.0
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