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Der Industrie-4.0-Check -up des Fraunhofer IFF hat einen branchenunabhängigen
Test auf Basis eines digitalen Reifegradmodells entwickelt, der Verantwortlichen hilft ihre individuelle Situation zu prüfen und Digitalisierung exakt zu planen.

INDUSTRIE 4.0 CHECK-UP

Dipl.-Ing. Holger Seidel

1 Einleitung

Mittels Cyber-Physischer Systeme (CPS) soll es in Zukunft möglich sein, die Individualisierung der Produktion voran­zutreiben, um mit den bisherigen Effizienzmaximen kun­den- und auftragsflexibel zu agieren. Planungs- und Steuerungsinformationen sollen fortan nicht mehr nur über unternehmensinterne Netzwerke kommuniziert werden, sondern zusammen mit Betriebs- und Kundendaten die interne Effektivität weiter erhöhen und neue Geschäfts­modelle ermöglichen. Die eigentlichen Produkte, deren Werkstücke und Bauteile, Maschinen, Anlagen und Infrastruktureinheiten tauschen relevante und situationsge­rechte Informationen aus und nehmen somit direkten Einfluss auf ihre Produktions- und Logistikprozesse. Intel­ligente – auf Massendaten und Mustererkennung basie­rende – Prognosesysteme sollen vorausschauend Probleme und Chancen identifizieren und Unternehmensprozesse in Summe schneller, sicherer und effizienter ablaufen lassen. Teilautonome Arbeitssysteme synchronisieren sich eigen­ständig. Die Arbeitswelt, so wie der Mitarbeiter sie derzeitig kennt, wird sich wandeln. Automatisierung und intelligente Assistenzsysteme erhalten Einzug und unterstützen den Mitarbeiter in den direkten aber auch in den indirekten Unternehmensbereichen [1].

Im Ergebnis könnten kundenindividuelle Produkte bedeu­tend günstiger produziert werden, als es heute der Fall ist. Denn Unternehmen erhalten ein Mehr an Flexibilität, wenn beispielsweise instandhaltungsbedingte Ausfälle besser und vernetzt prognostizierbar sind oder sich an­dernorts z. B. Lieferantenausfälle abzeichnen. Der Funkti­onsumfang einer Maschine wird sich mehr und mehr durch das steuerungstechnische Know-how auszeichnen. Redundanzen werden sich weitreichend erübrigen, sodass sich die Produktivität weiter steigern lässt. Durch die Etablierung von stark vernetzten, dezentralen und selbst­organisierenden Regelkreisen werden langfristig zentrale Steuer- und Planungssysteme abgelöst [2].

Die wesentliche technologische Hürde liegt in der durch­gängigen Verknüpfung der verschiedenen Prozessebenen und der dadurch erforderlichen Synchronisation aller wesentlichen Prozessdaten. Da zukünftig auch der kun­denindividuelle Entwicklungsprozess am Anfang eines Produktlebenszyklus zunimmt und ressourcenschonende Konzepte zur Wiederverwertung und Verwendung am Lebenszyklusende an Bedeutung gewinnen, muss diese Datenintegration über den eigentlichen Herstellungspro­zess hinausgehen. Doch bereits hier scheitert heute die breite Mehrheit in der Industrie, wenn es darum geht, die Informationskette, beginnend bei der Verarbeitung der Auftragseingänge, über das gesamte Ressourcenma­nagement der eigenen Produktion und der erforderlichen Zulieferprozesse, bis hin zur Auslieferung des fertigen Endprodukts durchgängig abzubilden und aussagekräftig als Steuerungs- und Optimierungsbasis zu nutzen. Hard- und softwareseitige Schnittstellenprobleme und fehlende Kommunikationsstandards machen den Unternehmen genauso zu schaffen wie die nachhaltige Problemfindung, Analyse und Ableitung essentieller Ursache-Wirkungs­Beziehungen zur Konzeption und Implementierung ge­kapselter, selbststeuernder Regelkreise. Doch die durch­gängige IT-unterstützte Abbildung dieser Regelkreise gilt als Erfolgskriterium für die Industrie 4.0. Da auch voran­gegangene Bestrebungen wie der Supply Chain Ma­nagement-Ansatz aus den 2000er Jahren mithilfe der damals verfügbaren SCOR-Modelle (Supply-Chain­Operations-Reference) nicht im Stande war, derart kom­plexe Abläufe hinreichend onlinefähig und in Echtzeit abzubilden, sind noch viele Forschungsfragen unbeant­wortet [3]. Der Schwerpunkt der maßgeblichen acatech­Studie obliegt der Standardisierung auf ‚Shopfloor’- Ebene. Im Fokus stehen sichere Informationskanäle, die die Anforderungen an den Quality of Service, d. h. La­tenzzeiten, Bandbreiten, aber auch entsprechender Neut­ralisierungs- und Verschlüsselungstechnologien und Stan­dards erfüllen und neben der Handhabung auch das Vertrauen für eine unternehmensübergreifende Zusam­menarbeit und Integration bilden. Bis dato fehlt es an einem dem USB-Konzept (Universal Serial Bus) vergleich­baren, etablierten Standard, wenngleich die Ansätze des IIC (Industrial Internet Consortium) mit der MTConnect­Standardisierung in die richtige Richtung zeigen.

Doch wie kommt ein Unternehmen mit der Zielstellung ‚Industrie 4.0‘ nun zur ‚Fabrik der Zukunft‘? Ist es in sei‑

ner Branche, mit seinem Produkt und seinen Fabrikstruk­turen überhaupt für diese visionären Konzepte geeignet oder sind die Potenziale z. B. durch Massenproduktion, kontinuierliche oder hochautomatisierte Prozesse eher gering? Selbst die Kenntnis über die prinzipielle Eignung ist für Unternehmer wenig zielführend, da die Implemen­tierung eines ‚weiteren IT-Systems von der Stange‘ per se ebenso wenig zur erhofften Revolution führt, wie der Kauf multisensorischer Automatisierungslösungen als ‚Pseudo-CPS‘.

2 Evolution statt Revolution

Statt der beschworenen Revolution in Form eines abrup­ten und grundlegenden Strukturwandels des Unterneh­menssystems wird es eine Evolution sein, die eine für alle Beteiligte nachvollziehbare, allmähliche Systemverände­rung ermöglicht. Der Weg zur ‚Fabrik der Zukunft‘ kann im Brownfield-Umfeld gewachsener Strukturen nur schrittweise in Form eines Stufenmodells erfolgen. Doch auf welcher Stufe von Industrie 4.0 befindet sich ein Unternehmen? Womit sollte begonnen werden? Welche Auswirkungen zieht Maßnahme X auf Funktion oder Bereich Y nach sich? Mit dem durch das Fraunhofer IFF Magdeburg entwickelten »Industrie 4.0-CheckUp« kön­nen diese Fragen schnell beantwortet werden. Die Analy­sen des Instituts untersuchen dabei grundlegend zwei thematische Schwerpunkte. Auf Unternehmens- und Bereichsebene sind technologische und organisatorische Fragestellungen vordergründig, während auf Arbeitsplat­zebene die ergonomischen Rahmenbedingungen der Mitarbeiter im Mittelpunkt stehen.

Wichtig ist zunächst die Schaffung der entsprechenden Daten- und Informationsbasis. Mittels verschiedener Vor­Ort-Analysen und persönlich geführter Interviews erfolgt im Rahmen des »Industrie 4.0 CheckUp’s« die strukturier­te Herangehensweise und Lösungsentwicklung. Die Do­kumentation und Integration des Prozess-Know-hows der langjährig tätigen Meister und Werker ist genauso rele­vant wie das planerische Wissen und die technologischen Einschätzungen der Ingenieure. Als top-down-initiiertes Management-Konzept zur Etablierung neuer Strukturen und Technologien (Business Process Reengineering) ver­spricht ein darin bottom-up-seitig integrierter kontinuierli­cher Verbesserungsprozess (KVP) eine hohe Umsetzungs­chance, da Lösungen durch die breite Belegschaft mit­entwickelt und akzeptiert werden. Angepasst an das jeweilige Unternehmen wird die Begriffswelt Industrie 4.0 mit den Spezifika des Unternehmens logisch verknüpft, anschaulich dargestellt und dadurch als Thema für die Mitarbeiter greifbar.

Auf Basis der entwickelten Potenzialanalyse zur Einfüh­rung und Umsetzung von Technologien für eine vernetzte Produktion, werden z. B. folgende Bereiche betrachtet:

– Produktion, Logistik, Information und Kommunikation

– Arbeitsplatzgestaltung und Ergonomie

– IT-Management, -Service und -Sicherheit

– Energie- und Ressourcenmanagement

3  Schritt für Schritt zur Industrie 4.0

Abbildung 1: Integrationsstufen zur Fabrik der Zukunft. © Fraunhofer IFF

Mittels der Basisanalysen erfolgt die Einordnung des betrachteten Unternehmens in die Integrationsstufen von Industrie 4.0. Diese Unternehmenseinstufung gibt genaue Auskunft, wo das Unternehmen hinsichtlich der Anforde­rungen von Industrie 4.0 steht. Durchgeführte Industrie 4.0-CheckUp’s in Unternehmen haben gezeigt, dass es Unternehmensbereiche gibt, in denen intuitiv und iterativ mehr Aktivitäten und Projekte durchgeführt wurden als in anderen Bereichen. Das kann dazu führen, dass innerhalb eines Unternehmens verschiedene Integrationsstufen von Industrie 4.0 existieren. Medienbrüche und Schnittstellen­probleme unterschiedlicher Technologiegenerationen äußern sich als Verbesserungshemmnis. Diesen Konstruk­ten aus Inseloptima fehlen dann zumeist die interdiszipli­nären und prozessorientierten Gesamtkonzepte. Die Aufgabe besteht nun darin, auf dieser erarbeiteten Grundlage Innovationstreiber zu identifizieren und zu priorisieren, konkrete Maßnahmen je Bereich abzuleiten und in den Gesamtfokus zu stellen, verschiedene Handlungsalternativen inkl. Erfolgsprogno­sen zu betrachten, Reifegradermittlungen und Aufwand-Nutzen­Abschätzungen durchzuführen und Entscheidungsunterstützungen bei möglichen Investiti­onsvorhaben zu geben, um alle Bereiche auf die gleiche Integrationsstufe anzuheben.

Hierbei gehören Sensibilisierungs- und Qualifizierungs­maßnahmen der Mitarbeiter und darauf aufbauend die Erörterung der Lösungskonzepte in den Detailfragen gleichermaßen dazu wie Prozess- und Technologieände­rungen bzw. -anpassungen, um aus der Vision Industrie 4.0 Schritt für Schritt Wirklichkeit werden zu lassen.

4 Überschaubar im Aufwand – bewährt in der Anwendung

Die Bearbeitung des »Industrie 4.0-CheckUp’s« muss durch ein erfahrenes Team aus Technologie- und Prozess­gestaltern unter Einbeziehung der Unternehmensmitar­beiter durchgeführt werden. Bewährte Methoden, angepasst an die Anforderungen und Belange von Industrie 4.0, wie z. B. Technologie-Scouting, Aufwand-/Nutzen­Analysen, SWOT-Analysen, Szenario-Technik und daten­bankbasierte Toolsets kommen zum Einsatz. Je nach Größe und Komplexität des Unternehmens erfordern die Untersuchungen ca. ein bis drei Monate zeitlichen Auf­wand. Eine gewerke- und querschnittsorientierte Analyse gewährt dabei eine aussagekräftige Einschätzung zum Reifegrad des Unternehmens.

Mit dem »Industrie 4.0-CheckUp« lassen sich die ersten Hürden auf dem Weg zu Industrie 4.0 unkompliziert überwinden. Darüber hinaus lassen sich weiterführende potenzielle Effizienzsteigerungen und Kostenreduzierun­gen identifizieren, die der Wahrung der Innovationskraft als Wettbewerbsvorteil dienen.

Die industrielle Revolution hat Fabriken und Fabrikinfra­strukturen zum Inbegriff und Mittelpunkt industriellen Wirtschaftens gemacht. Die fortschreitende Globalisie­rung und die zunehmende Ressourcenverknappung ha­ben im 20. Jahrhundert zu einem enormen Wettbewerb aus Kosten- und Innovationsdruck geführt. Doch die bisherigen konventionellen Wertschöpfungsparadigmen, mit der vorrangigen Erzielung von Skaleneffekten zur Kostenminimierung, widerstreben den hohen Anforde­rungen zunehmend urbanisierter Gesellschaften. Neben dezentralen Produktionsstrukturen, bedarf es deshalb wandlungsfähiger, vernetzter und ressourceneffizienter Fabriken. Der Mensch im Spannungsfeld zwischen demo­grafischem Wandel, wechselnden Qualifizierungsanforde­rungen und dynamischen Migrationsentwicklungen benö­tigt eine sowohl erfüllende als auch nutzbringende Rolle im Gesamtkonstrukt, ohne dabei aber weiteren Produkti­vitätssteigerungen im Weg zu stehen. Wie sich diese Rolle in Anbetracht der Vision ‚Industrie 4.0‘ verändert und welche Erfordernisse dieser Wandlungsprozess für Mensch und Maschine im vernetzten und geteilten Ar­beitsraum mit sich bringt, sollen die Forschungen in Mag­deburg zeigen. Denn die Vielfalt produktions- und infor­mationstechnischer Realisierungsmöglichkeiten auf der einen Seite und die differenziert zu betrachtenden Wer­kerprofile im Rahmen komplexer werdender Arbeitsplätze auf der anderen Seite lassen keine pauschalisierte Emp­fehlung oder Tendenz zu. Der »Industrie 4.0-CheckUp« soll hier unternehmensindividuell Aufschluss bringen und die nächsten nötigen Schritte entscheiderfreundlich auf­zeigen.

Es bedarf letztlich anwendungserprobte, situative und mitarbeiterindividuelle Konzepte, die dem Menschen dort intelligent und smart assistieren, wo dessen Tätigkeit in der Produktion von morgen wertschöpfend und gefähr­dungsfrei sinnvoll ist. Zu solchen Konzepten zählen virtu­elle Assistenz- und Steuerungssysteme durch Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen (VR/AR) zur Beherrschung komplexer, sich schnell wandelnder Arbeitsabläu­fe gleichermaßen wie die physische Unterstützung durch Roboter.

5  Der Mensch im Mittelpunkt des CheckUp`s

Der Mensch derzeitiger Produktion ist permanent ge­stresst, körperlich beansprucht, oft unfallgefährdet und unkonzentriert. Daher liegt ein Forschungsbestreben des Fraunhofer IFF Magdeburg darin, den Menschen so in die Produktion zu integrieren, dass eine gesunderhaltende und wertschöpfende Arbeit in allen Phasen des Berufsle­bens unter der fortschreitenden Automatisierung im Rahmen von ‚Industrie 4.0’ möglich ist. Einsatzfelder für Assistenzsysteme in der Produktion bietet die Mensch­Roboter-Kollaboration im geteilten Arbeitsraum, die eine Überschneidung der Arbeitsräume von Robotern und Werkern nicht mehr durch Schutzzäune ausschließt, sondern gar erfordert. Denn die gleichzeitige Bewegung des Roboters und des Werkers und ein damit verbunde­ner Kontakt sind als physische Assistenz konsequenter­weise erwünscht. Konzepte wie das «Robot Farming« [4] ermöglichen zunehmend enttaktete Fertigungen, wohin­gegen Roboter andernorts dem Werker beispielsweise komplizierte Handhabungen und Montagevorgänge schwerer Teile erleichtern. Physische und visuelle/optische Assistenz manueller Tätigkeiten kann damit einen direk­ten Beitrag zur Verbesserung der Ergonomie und Sicher­heit leisten. Fehlervermeidende, zeitoptimierte und folg­lich produktivitätssteigernde Abläufe erhöhen darüber hinaus das Qualitätsniveau. So wird der Investitionsbedarf für ein intelligentes Arbeitssystem nicht allein durch die erzielte Unfallverhütung und Vermeidung von Langzeit­schädigungen begründet, sondern betriebswirtschaftlich durch Effektivitäts- und Effizienzsteigerungen gerechtfer­tigt.

6   Ausblick

Das Fraunhofer IFF Magdeburg bietet mit dem Ebenen­übergreifenden CheckUp ein gesamtheitliches Werkzeug- und Methodenset, das eine schrittweise Integration zur Umsetzung von Industrie 4.0 ableitet. Ob in der überge­ordneten Fabriksicht, in den Teilbereichen und Quer­schnittsfunktionen oder aber auf Ebene der Arbeitsplatz­gestaltung des Werkers in einer zunehmend stattfinden­den Mensch-Maschine-Kollaboration: Die Zielstellung der Analysen liegt stets in der fundierten und bewertbaren Empfehlung konkreter Handlungsalternativen. Doch um Schritt zu halten, ergänzt und vertieft das For­scherteam den CheckUp stetig. Neue Fertigungstechno­logien in Verbindung mit neuen (Verbund-)Werkstoffen, wie etwa Carbon, verändern kontinuierlich die Rahmen­bedingungen, die dann wieder adäquat in den Entschei­dungsprozess involviert werden müssen. Fabriken und ihre Infrastrukturen, Arbeitsplätze und ihre Qualifizierungsanforderungen werden sich abhängig und im Einklang mit der Weiterentwicklung der IT-unterstützten Logistik- und Steuerungsprozesse auch in Zukunft wan­deln. Mit dem Fortschreiten von Industrie 4.0 aller Vo­raussicht nach noch schneller und vielfältiger. Die Kon­zepte zur räumlichen Anordnung ganzer Maschinenfol­gen und Produktionslinien, inkl. dessen Ver- und Entsor­gungsprozessen, stehen im Vordergrund verstärkter Flexi­bilitätsanalysen. Denn ist ein Produktionssystem in Bezug auf Qualität, Durchlaufzeit und Kostenbilanz stimmig, ergeben sich vielerlei Potenziale einer volatilen Produkti­on. Diese kann nachfrage- und gewinnorientiert an den Zukunftsmärkten für produzierte Endprodukte agieren, gleichzeitig aber auch Ressourcen und Energie schonen und weiterführende Dienstleistungen generieren.

7          Literatur

• Bundesministerium für Bildung und Forschung: Neue Technologien, Informationsgesellschaft, IKT2020, Industrie 4.0; Zukunftsbild «Industrie 4.0«.
• Schenk, M. : Instandhaltung technischer Systeme. Methoden und Werkzeuge zur Gewährleistung eines sicheren und wirtschaftlichen Anlagenbetriebs. Berlin Heidelberg 2010.
• Holweg, M.; Pil, F. K.: The Second Century – Recon­necting Customer and Value Chain through Build-to­ Cambridge 2004.
• Daimler AG – Mercedes-Benz Cars: Pressemitteilung zum Produktionskonzept Robot Farming, Online: http://media.daimler.com/dcmedia/0-921-656186-49- 1708460-1-0-0-0-0-0-0-0-0-1-0-0-0-0-0.html. Zugriff: 03.2016.

Quelle: http://www.iff.fraunhofer.de/content/dam/iff/de/dokumente/publikationen/iff-wissenschaftstage-2015-digital-engineering-tagungsband-fraunhofer-iff.pdf#page=15

Lizenz Aufmacherbild: Fraunhofer IFF

 

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