Auf zur naechsten Revolution – Industrie 4.0



In der Industrie ist ein Paradigmenwechsel eingeläutet. Vernetzung, Automatisierung, Beherrschung von Individualität und Flexibilität stehen auf den Wegweisern zur nächsten und vierten industriellen Revolution. Cyber-Physische Systeme (CPS) halten Einzug in die Industrie. CPS stellen eine Vernetzung hochentwickelter, eingebetteter Systeme über modernste Kommunikationsnetzwerke dar. Maschinen und Produkte perfektionieren das Miteinander. Sie interagieren und kommunizieren. Sie organisieren eigenständig Produktionsabläufe und unterstützen den Mensch bei der Entscheidungsfindung. Unter Umständen treffen die Maschinen die Entscheidungen gar selbst. Produkte und Produktionszyklen werden intelligent, unsere Fabriken smart; so die Vision.

Wir sind bestens gerüstet auf dem Weg zu Industrie 4.0. Deutschland ist eine der weltweit führenden Industrienationen. Selbst jüngste Krisen hat die deutsche Wirtschaft erfreulich gut überwunden. Die deutsche Volkswirtschaft bezieht derzeit mehr als ein Drittel ihrer Wertschöpfung aus der Industrie und industrienahen Dienstleistern.

Taktgeber technischer Fortschritt

Deutschland blickt stolz auf eineinhalb Jahrhunderte erfolgreicher Industriegeschichte und Wettbewerbsstärke. Hierbei waren die vergangenen 150 Jahre geprägt von gesellschaftlichen, politischen und wirtschaftlichen Umbrüchen. Stets war es der technische Fortschritt, der den Weg in ein neues industrielles Zeitalter – eine neue industrielle Revolution – bahnte. Das Aufeinandertreffen von Problem und Lösung, das Knowhow aus praktischer Anwendung und theoretischem Wissen waren und sind das Rezept revolutionärer Innovationen. Stets vorausgesetzt: Ein gegenseitiger Austausch von Industrie und Forschung.

So wurde die erste industrielle Revolution Ende des 19. Jahrhunderts durch das Zunutzemachen neuer Energie eingeläutet. Dampfmaschinen zur mechanischen Energieerzeugung und -umwandlung bildeten den Wegmarker zur Mechanisierung von Handarbeit. Die treibende Industrie war das Textilgewerbe. Mechanische Webstühle und Spinnmaschinen beschleunigten die Produktionsprozesse. Das Aufblühen der Schwerindustrie und die Entdeckung neuer Transportmedien wie der Eisenbahn beschleunigten den Fortschritt.

Mit dem Aufkommen neuer Führungssektoren wie der Chemieindustrie und Elektrotechnik begann der Auftakt zur zweiten industriellen Revolution. Die Elektrizität brachte Erfindungen wie die Glühlampe, Elektromotoren und Generatoren mit sich. Neue Kommunikationsmedien wie das Telefon erbrachten einen Meilensprung im Austausch von Informationen. Die Produktionsformen und das -management in Unternehmen veränderten sich mit Beginn des 20. Jahrhunderts. Die Erfindung des Fließbands, Schichtbetrieb und Taylorismus bildeten den Übergang zur Massenproduktion. Das Erfahrungswissen des einzelnen Mitarbeiters in der Produktion nahm an Bedeutung ab. Es wurde vermehrt Bedarf an forschungsund wissensorientierten Ansätzen bekundet. So entstanden die ersten eigenen F&E-Abteilungen in den Unternehmen.

In den 1960er und 1970er Jahren begann die Automatisierung die industriellen Fertigungsprozesse zu revolutionieren. Zudem ersetzte Atomkraft zunehmend die Nutzung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung. Der Einsatz von Industrierobotern, Elektronik und IT-Steuerungen erlaubte einen höheren Grad der Automatisierung. Meilensteine waren die erste speicherprogrammierbare Steuerung SPS (Modicon 084) und die erste CNC-Maschine (1972). Die Regelung und Steuerung von Maschinen konnte elektronisch erfolgen. Fertigungsprozesse wurden rationalisiert. Die Produktion gewann weiter an Effizienz.

Aktuell stehen wir kurz vor dem Durchbruch der vierten industriellen Revolution. Der Evolutionsprozess zu Industrie 4.0 ist bereits gestartet. Die Informations- und Kommunikationstechnologie hält Einzug in die Unternehmen.

Bislang voneinander isolierte Komponenten im Produktionsprozess werden verknüpft; Kommunikationsnetze entstehen. Sensibel können Veränderungen im Netz – wie im Netz einer Spinne – wahrgenommen und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden. Auch der Produktion vor- und nachgelagerte Prozesse, sowie zugehörige Leistungsträger und -empfänger werden über das Netz miteinander verbunden.

Industrie 4.0 in Zahlen, Daten, Fakten

Ein zusätzliches jährliches Industriewachstum von 1,7% wird durch Industrie 4.0 erwartet . Wer sich zukünftig auf dem Weltmarkt behaupten will, muss sich frühzeitig an die sich wandelnden Anforderungen anpassen.

Am stärksten von Industrie 4.0 profitieren werden wohl Branchen wie die Automobilindustrie, Maschinenbau, Elektrotechnik, Informations- und Kommunikationstechnologie IKT und Chemieindustrie; so das Ergebnis des VDE-Trendreports 2013 . Zu den Befragten zählten 1300 VDE-Mitgliedsunternehmen und Hochschulen. Bis die Veränderungen jedoch in volkswirtschaftlich bedeutendem Umfang bemerkbar werden, so sind sich zwei Drittel der Befragten einig, werden noch gute 10 Jahre ins Land gehen.

Eine große Hürde auf dem Weg zu Industrie 4.0 wird in den für das Unternehmen entstehenden Investitionskosten gesehen. Arbeiten laut einer von SAS® Deutschland beauftragten FORSA Umfrage über 200 Unternehmen bereits heute rund 80% der Großunternehmen mit Maschinen-, Sensor- und Servicedaten, so zeigen sich deutlich geringere Prozentwerte für KMU. Vergleichbare Unterschiede zeigen sich auch für den Anteil der ausgewerteten Daten im Vergleich zu den zur Verfügung stehenden Datenmengen, stellt man Großunternehmen und KMU gegenüber. Um die Innovationskraft und Wirtschaftsstärke von KMU in Deutschland nachhaltig zu kräftigen und marktbeherrschende Monopolstellungen einiger weniger zu reduzieren, ist Handlungsbedarf geboten. Entscheidend zur Behauptung auf dem Markt werden vor allem der Zugang zu Wissen und Informationen, sowie aktuellen Forschungsergebnissen sein, um komplexen Herausforderungen kompetent und mit exzellenten Lösungen begegnen zu können. Mit dem Wandel in der Industrie werden sich zukünftig auch die Anforderungen an Fachkräfte auf dem Arbeitsmarkt verändern. Die Übergänge zwischen traditionellen Branchen wie Elektrontechnik, Maschinenbau und Informatik werden fließender werden, die zu bewältigenden Aufgaben komplexer. Ein hoher Qualifizierungsgrad der Fachkräfte wird erwartet, die Nachfrage nach globalem, interdisziplinärem Denken und Handeln wird steigen. Inwiefern sich diese Veränderungen auf die Zahl der Arbeitsplätze auswirken werden, lässt sich zum aktuellen Zeitpunkt nur schwer voraussagen.

Damit sich neue Technologien und Geschäftsprozesse im Zusammenhang mit Industrie 4.0 auch langfristig durchsetzen und international etablieren können, besteht zunehmend Bedarf an adäquaten Normen und Standards. Durch die Normen und Standards müssen Handlungsfreiräume definiert und Akzeptanz und Vertrauen in die neuen Märkte geschaffen werden. Einen großen Schritt in diese Richtung hat die DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE mit der Freigabe der deutschen Normungs-Roadmap Industrie 4.0 geleistet. Eine bleibende Herausforderung wird eine weitere Konkretisierung der gegebenen Normungslandschaft sein.

Doch sind sich die Experten einig: Es ist die IT-Sicherheit, die die belegbar größte Herausforderung für Unternehmer auf dem Weg zu Industrie 4.0 darstellt. Werden bislang autark agierende und nicht für eine offene Vernetzung geschaffene System- und Produktionskomponenten miteinander vernetzt, steigt der Grad der Komplexität und sicherheitskritischen Anforderungen. Bei den Unternehmern pulsiert die Sorge um Angreifbarkeit, Manipulation, Datenklau und unerlaubtes Abgreifen wertvollen Knowhows in Bezug auf Produkt, Produktion und Unternehmensprozesse. Die Fülle ungewollter Fehler- und Angriffsmöglichkeiten stellt die IT-Experten vor mannigfaltige Aufgaben. Datenschutz, Schutz von Produkt- und Produktionsdaten und eine möglichst geringe Störanfälligkeit und Ausfallsrate müssen gewährleistet sein.

Die Forschung im IKT-Umfeld hat diesen Bedarf bereits erkannt. So werden am FZI Forschungszentrum Informatik in Karlsruhe Methoden, Prozesse und Werkzeuge entwickelt, die nachweisbar zur Sicherheit unserer IT beitragen. Im Fokus aktueller Forschungsaktivitäten stehen zuverlässige, einfach anzuwendende und dem individuellen Risiko angemessene Sicherheitsmechanismen. Die Anwendung dieser Sicherheitslösungen verspricht den korrekten, vertraulichen und sicheren Betrieb von Informations- und eingebetteten Echtzeitsystemen in einer offenen Internetumgebung. Adressiert werden z.B. die Zugriffskontrolle auf IKT-Netzwerke durch Nutzung von Authentisierung und Autorisierung und intelligente Verschlüsselungstechniken. Zudem werden individuelle Angriffsstrategien für Systeme analysiert und angemessene Gegenmaßnahmen erarbeitet.

Um nah am Bedarf des Endanwenders zu forschen ist in diesem Zusammenhang eine direkte Einbindung des Mittelstands in aktuelle Forschungsaktivitäten essenziell. Diese erfolgt am FZI in integrierten und anwendungsnahen Forschungslandschaften – den FZI Living Labs. So werden im FZI Living Lab smartSecurity partizipativ IKT-Sicherheitslösungen für den Mittelstand erforscht und entwickelt. Aktuelle Aktivitäten im Living Lab smartSecurity können Sie verfolgen unter:

http://www.fzi.de/de/forschung/fzi-house-of-living-labs/fzi-living-lab-smartsecurity/

Resümieren wir die Gesamtheit der Handlungsbedarfe auf dem Weg zu Industrie 4.0, so zeigt sich deutlich: Die Entwicklung zu Industrie 4.0 und einer digital vernetzten Welt stellt uns vor interdisziplinäre und domänenübergreifende Herausforderungen auf fachlicher und kooperativer Ebene. Gefordert im aktuellen Evolutionsprozess sind unterschiedlichste Akteure aus Wirtschaft, Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und Gesellschaft. Notwendig ist der Aufbau von integrativen Kompetenzen in den Unternehmen. Gerade kleine und mittlere Unternehmen müssen auf dem Transformationspfad hin zu Industrie 4.0 unterstützt werden. Wichtig ist dabei eine gesamtheitliche, integrative Sicht auf das Unternehmen der Zukunft.

Autoren:

Dr.-Ing. Nicole Groß und Dr.-Ing. Klaus Krogmann, FZI Forschungszentrum für Informatik, Karlsruhe