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
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