Industrie 4.0: Wenn das Werkstück der Maschine Anweisungen gibt
In dem Film Moderne Zeiten(öffnet im neuen Fenster) steht Charlie Chaplin am Fließband in einer Fabrik. Seine Arbeit besteht darin, zwei Schrauben mit zwei Schlüsseln gleichzeitig festzuziehen. Natürlich geht das nicht lange gut. Spätestens als der Fabrikdirektor den Takt deutlich erhöht, bricht das Chaos aus. In der Fabrik der Zukunft soll das nicht mehr passieren können: Maschinen übernehmen die Arbeit - intelligente Maschinen, die vernetzt sind und miteinander kommunizieren.
Diese Maschinen handeln unter sich aus, welche von ihnen eine Aufgabe erledigt. Sie sind mit Sensoren ausgestattet und übermitteln den Rechnern des Besitzers oder des Herstellers deren Daten - über den Zustand der Auslastung etwa. Das soll über die Produktion hinaus neue Geschäftsmodelle ermöglichen.
Das Schlagwort ist vier Jahre alt, das Konzept älter
Industrie 4.0 heißt das Schlagwort, das 2011 geprägt wurde. Geforscht und entwickelt wird an der Fabrik der Zukunft aber schon länger: Vor gut zehn Jahren etwa hat das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) eine Initiative Smart Factory initiiert . Eine frühere Version der intelligenten Fabrik haben wir uns auf der Cebit-Messe 2009 von einem DFKI-Forscher erklären lassen .
Ein Jahrhundert vor Chaplins Film begann die Industrialisierung mit der Dampfmaschine. Sie ermöglichte es, Produkte maschinell in großen Mengen herzustellen. Die Veränderung der Produktionstechnik bedeutete einen tiefgreifenden Wandel in der Geschichte der Menschheit. Zuvor hatte es nur eine Umwälzung gegeben, deren Auswirkungen ähnlich weitreichend waren: als der Mensch in der Jungsteinzeit sesshaft geworden war.
Das Fließband ermöglichte die Massenproduktion
Gut zwei Jahrzehnte war die Fließbandfertigung alt, als Chaplin seinen Film drehte: 1913 lief bei Ford das erste Model T(öffnet im neuen Fenster) vom Fließband und läutete damit das Zeitalter der Massenproduktion ein: Plötzlich liefen Tausende und Abertausende gleicher Produkte vom Band. Die zweite industrielle Revolution wurde diese Entwicklung genannt.
Es folgte Umwälzung Nummer drei: die Einführung von Computern in die Produktion. Der Mensch gibt nur noch etwas vor, und der Computer regelt den Rest. Das Prinzip war aber noch das gleiche wie in Charlies Fabrik: Eine zentrale Instanz steuerte die Produktion. Und jetzt sind wir bei der vierten industriellen Revolution angekommen: einer dezentral organisierten Produktion.
Das Werkstück verlangt eine Aktion
Das soll sich in Zukunft ändern: Nicht mehr eine zentrale Instanz - sei es ein Mensch oder ein Computer - sagt der Maschine, was sie mit einem Werkstück machen soll. Sondern das Werkstück kommt zu einer Maschine und verlangt eine Aktion. Dann wird es zur nächsten transportiert, fordert den nächsten Produktionsschritt ein, bis am Ende ein Produkt herauskommt, das es möglicherweise kein zweites Mal gibt. " Losgröße(öffnet im neuen Fenster) eins" lautet das Mantra der Industrie 4.0: ein Einzelstück, das auf einer Fertigungsstraße produziert wurde.
Cyber-physische Systeme(öffnet im neuen Fenster) werden die Komponenten genannt, die für eine solche Produktion nötig sind. Ein System besteht aus einem Objekt mit einer eineindeutigen Kennzeichnung - etwa einem QR- oder Barcode - und einer Maschine mit einem Lesegerät, die die Kennung auslesen und eine Aktion durchführen kann.
Ein cyber-physisches System braucht kein Ethernet
"Das" , so beschreibt es Joachim Seidelmann im Gespräch mit Golem.de, "ist für uns das einfachste cyber-physische System." Ein solches System müsse "nicht zwingend einen RJ-45-Stecker(öffnet im neuen Fenster) haben." Seidelmann leitet das Kompetenzzentrum Digitale Werkzeuge für die Produktion am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung(öffnet im neuen Fenster) (IPA) in Stuttgart.
Mit einem so einfachen System lässt sich natürlich nicht viel anfangen. Eine Fabrik erfordert deutlich mehr Komplexität - inklusive RJ-45-Stecker, also Vernetzung. System of Systems nennen die Fraunhofer-Forscher das: eine Zusammenfassung von Einzelkomponenten, die im Idealfall zusammen mehr Funktionen bieten als die Einzelkomponenten.
Wie ein solches System of Systems, eine Fabrik der Zukunft, aussehen kann, hat das DFKI kürzlich auf der Hannover Messe gezeigt.
Automatische Fabrik stellt Visitenkartenetuis her
Auf einer Straße mit Modulen von - zum Teil konkurrierenden - Anlagenherstellern wurde auf der Hannover Messe 2015 ein Visitenkartenetui produziert, mit einem Boden aus Kunststoff und einem farbigen Deckel aus Metall. Den Deckel zierte ein QR-Code, in den die Daten der Visitenkarten kodiert waren. So können die Karten nachgedruckt werden, wenn sie aufgebraucht sind.
Alle für die Herstellung nötigen Daten sind auf einem Funkchip (Radio Frequency Identification, RFID) hinterlegt, der auf dem Boden des Etuis angebracht ist. Die Daten werden an einem Computer eingegeben. Am ersten Modul wird der Produktträger vorbereitet, auf den das zweite Modul den Boden mit dem RFID-Chip legt. Dann geht die Reise los.
Zwei Maschinen überprüfen die Qualität
Die dritte Maschine setzt eine Klammer ein, die die Visitenkarten festhält, die vierte montiert den Gehäusedeckel, der in mehreren Farben zur Auswahl steht. Die fünfte Maschine ist ein Laser, der den Code auf den Deckel graviert, Maschine Nummer sechs prüft, ob der Deckel die gewünschte Farbe hat und der QR-Code lesbar ist. Nach der optischen folgt eine weitere Qualitätskontrolle: Das Produkt wird gewogen. So wird geprüft, ob es komplett ist.
Jedes Modul hat den RFID-Chip ausgelesen und die erforderlichen Arbeiten durchgeführt. "Das Produkt holt sich seinen Service an jedem Modul, an jeder Maschine ab" , erklärt Christian Heyer, Sprecher vom DFKI in Kaiserslautern, im Gespräch mit Golem.de. Eine solche dezentrale Steuerung ermöglicht eine hohe Flexibilität.
Ein Roboter bringt mehr Farben in die Produktion
So könne beispielsweise ein Roboter an eines der Module angedockt werden, der Hüllen mit einer anderen Farbe in die Straße einfüge. Im Wiegemodul könne der Prozess so verändert werden, dass ein Flaschenöffner oder eine USB-Karte hinzugefügt werde. "Wir haben auf einmal ganz andere Produktvarianten" , sagt Heyer. Das Prinzip nennen die DFKI-Forscher "Plug-and-Produce" : Eine Maschine wird in einen Produktionsprozess eingefügt, und das funktioniert umgehend - vergleichbar dem Plug and Play beim heimischen Computer.
Das Modell ist aber noch eine recht einfache Variante. In einer Fabrik könnte das Spiel sehr viel komplexer aussehen. Die Aufgabe könnte etwa sein, ein Loch in ein Werkstück zu bohren. Die Anlage teilt diesem mit, welche Komponenten das können - standardmäßig macht das die Bohrmaschine, das kann aber auch ein Laserschneider erledigen. "Das System fällt eine Entscheidung, auf welche Anlage das Produkt kommt und das Loch gebohrt wird" , sagt Fraunhofer-Forscher Seidelmann.
Viele Parameter machen das System komplexer
Diese Entscheidung kann einfach sein - eben die zwischen der Bohrmaschine und dem Laserschneider. Es können aber auch viele weitere Parameter und Rahmenbedingungen einfließen, die die Entscheidung sehr komplex machen: Sind beide Maschinen einsatzbereit? Wie hoch sind die Kosten des Bohrers oder des Laserschneiders? Wie viele Werkstücke warten schon? Muss das Produkt dringlich fertiggestellt werden? Dann würde vielleicht die schnellere Variante gewählt, auch wenn diese teurer ist. Ist die Fertigstellung weniger dringlich, wählt das System die langsamere, aber günstigere Variante. Wenn es an einem anderen Standort eine Maschine gibt, die günstiger bohrt: Wie ist die Ersparnis der Kosten in Bezug auf die Transportkosten? Und wird bei einem Transport das Produkt rechtzeitig fertig?
Die Anzahl der Bedingungen und damit die Komplexität lässt sich wahrscheinlich noch beliebig steigern. Ein wichtiger Faktor für die Komplexitätssteigerung ist die Globalisierung: Unternehmen produzieren seit einiger Zeit für unterschiedliche Märkte, die alle unterschiedliche Anforderungen haben: Käufer in den USA bevorzugen ein anderes Produktdesign oder eine andere Ausstattung als Käufer in Europa oder in den verschiedenen asiatischen Ländern.
Kunden wünschen personalisierte Produkte
Gleichzeitig wünschen sich Kunden seit einiger Zeit mehr personalisierte Produkte - also individuelle Varianten für ein Produkt, das eigentlich in großen Massen hergestellt wird. Von einer solchen Komplexität aber wären Mensch und Zentralcomputer endgültig überfordert. Das lasse sich nur noch mit solchen dezentralen Systemen bewältigen, sagen die Experten.
Die dezentralen Systeme funktionieren allerdings nur dann, wenn genug Daten zur Verfügung stehen.
Maschinen sammeln Daten
Die Maschinen sind deshalb nicht nur mit Aktoren, sondern auch mit Sensoren ausgestattet, die ständig Daten über ihren Zustand sammeln. So kann sich die Maschine etwa melden, wenn eine Wartung nötig ist oder wenn einem Teil ein Defekt droht und ein Austausch einen Schaden verhindern kann.
Nutzungsdaten eines Geräts oder einer Maschine kann der Hersteller dazu verwenden, das Produkt an die Kundenbedürfnisse anzupassen oder zu verbessern. Der Hersteller eines Werkzeugs, etwa einer Bohrmaschine, weiß nur wenig darüber, wie das Gerät beim Handwerker eingesetzt wird. Funktioniert die Maschine nicht richtig, beschwert sich der Endkunde am ehesten beim Händler, der diese Informationen jedoch selten an den Hersteller weitergibt.
Produzent bietet Kunden passende Produkte
Bekommt der Hersteller jedoch Daten direkt aus der Bohrmaschine, weiß er, wie oft und mit welcher Last sie eingesetzt wird, und kann die Bohrmaschine so den Bedürfnissen der Handwerker entsprechend anpassen. Der Nutzer wird also in den Entwicklungsprozess mit einbezogen. "Wenn ich über den Kunden Bescheid weiß, kann ich ihm die für ihn passenden Produkte anbieten" , sagt Seidelmann. Wer die Daten aggregiert, aufbereitet und richtig nutzt, hat einen klaren Wettbewerbsvorteil.
Allerdings ist die Vorstellung gewöhnungsbedürftig, dass ein Produkt - sei es eine Bohrmaschine, eine Anlage in der Fabrik oder auch das eigene Auto - ständig Daten nach Hause funkt. "Natürlich will das jetzt erst einmal keiner von uns preisgeben. Aber das hat auch einen Mehrwert für mich: Ich muss mir nicht viele Gedanken machen - das System schlägt mir das für mich passende Produkt vor" , sagt Seidelmann. "Das muss man abwägen."
Daten bedeuten Wertschöpfung
Eine Gefahr für die Privatsphäre ist die eine Seite. Die andere ist: Was passiert mit den Daten? Wem gehören sie? Schiebt sich etwa zwischen den Anlagenhersteller und seinen Kunden ein drittes Unternehmen, das die Daten von den Maschinen aggregiert, dann weiß dieses besser, was der Fabrikbetreiber braucht, als der Anlagenhersteller - und macht dessen Geschäft. "Wer die Hoheit über die Daten hat, dem wird mittelfristig ein Großteil der Wertschöpfung gehören" , sagt Seidelmann.
Das sei durchaus eine Gefahr für den Maschinen- und Anlagebau hierzulande, sagt der Fraunhofer-Forscher. Es gebe dafür noch keine endgültigen Konzepte. Einige Unternehmen reagieren schon: Das Ditzinger Unternehmen Trumpf etwa, ein Hersteller von Werkzeugmaschinen, hat kürzlich angekündigt, eine eigene Cloud aufzubauen. Auch die Fraunhofer-Gesellschaft hat ein Konzept für eine sichere Datenplattform ausgearbeitet, den Industrial Data Space(öffnet im neuen Fenster) . Vorgestellt wurde es auf der Cebit dieses Jahr im Beisein von Johanna Wanka, der Bundesministerin für Bildung und Forschung.
Und was wird aus Charlie, dem Tramp aus Moderne Zeiten in der Industrie 4.0?
Die Fabrik der Zukunft ist nicht menschenleer
Er soll trotz der autonomen Technik auch weiterhin seinen Platz in der Produktion - und damit sein Auskommen - haben. "Wir stellen uns die Fabrik der Zukunft nicht menschenleer vor, wie man es in den 80ern gemacht hat mit dem Einzug der Roboter" , sagt DFKI-Sprecher Heyer.
Die Arbeiter werden nicht mehr am laufenden Band Schrauben festziehen - das machen ja die Maschinen. Das Personal in der Fabrik der Zukunft werde die Maschinen warten, Prozesse überwachen oder sie modifizieren. Dadurch stiegen die Anforderungen, sagt Heyer: Technik und Prozesse würden komplexer, und die Arbeiter müssten diese dann auch beherrschen.
Der Augmented Operator trägt Datenbrille
Aber auch dabei hilft die Technik: Aus dem Schraubenfestzieher wird ein Augmented Operator. Er nutzt ein mobiles Endgerät - Smartphone oder Tablet - oder trägt gleich eine Datenbrille wie Google Glass. Darüber erhält er Informationen, die er für seine Arbeit benötigt.
Er kann sich aktuelle Daten über eine Maschine anzeigen lassen, um diese zu kontrollieren. Oder er erhält eine Fehlermeldung und kann den Fehler mit Hilfe einer Augmented-Reality-Anwendung beheben: Sie zeigt ihm die Fehlerquelle und gibt Handlungsanweisungen, etwa wo ein defektes Teil sitzt, wie er es repariert oder austauscht.
Was Industrie 4.0 braucht
So weit die Zukunftsvision. Um diese umzusetzen, müssen allerdings noch einige Voraussetzungen erfüllt werden. Da sind zum einen Standards und Schnittstellen - physische, um die Module miteinander zu verbinden, aber auch IT-Schnittstellen, damit die Komponenten untereinander und mit den Computern kommunizieren können. Diese sollten möglichst offen und global gültig sein. Daran wird gearbeitet.
Um die Daten mit geringen Latenzen übertragen zu können, ist zudem eine flächendeckende Breitbandinfrastruktur nötig. Die fehlt aber: In einer Umfrage des Deutschen Industrie- und Handelskammertags (DIHK) bezeichnete ein knappes Drittel der befragten Unternehmen das unzureichende Breitbandinternet als Hindernis für die Vernetzung.
Industrie 4.0 versus Netzneutralität
"Wir müssen die Reaktionszeit von Datenverbindungen deutlich verkürzen" , sagte auch Reimund Neugebauer, Leiter der Fraunhofer-Gesellschaft, im Februar im Gespräch mit dem Handelsblatt(öffnet im neuen Fenster) . Deshalb, so forderte ein Vertreter des Branchenverbandes Bitkom bei einer Pressekonferenz auf der Cebit, sei es notwendig, für Industrie 4.0 Netzmanagement und priorisierte Dienste einzuführen.
Und schließlich: neue Geschäftsmodelle. Hier fehlt es deutschen Unternehmen noch an Ideen. Das können US-Unternehmen derzeit besser. Grund zur Sorge scheint es aber nicht zu geben. Die Bereitschaft der Unternehmen, sich mit dem Thema auseinanderzusetzen, sei "in den letzten sechs Monaten exorbitant gestiegen" , sagt Seidelmann.
Jede Woche informierten sich mehrere Unternehmen beim Fraunhofer IPA darüber. Viele seien Maschinen- und Anlagenhersteller. Es seien aber auch Endkunden darunter, die wissen wollten, was sie damit machen könnten. Experten sehen die deutsche Wirtschaft in einer guten Ausgangsposition für die Industrie 4.0.