Industrie 4.0 und ihre Relevanz für die Intralogistik

Heinz Willems

Heinz Willems

Eine dreiteilige Beitragsserie zum Thema „Industrie 4.0“

Begriffe wie „Industrie 4.0“, „Internet der Dinge“, cyber-physische Systeme sind
durch diverse Medien einer breiten Mehrheit in der Wirtschaft bekannt.

Eine echte Relevanz von Industrie 4.0 für klein- und mittelständische Unternehmen, speziell im Bereich Intralogistik, wird nicht wahrgenommen oder eher Konzernen zugeordnet. Auch der Nutzen für das eigene Unternehmen wird sehr unterschiedlich bewertet und mögliche Potenziale werden stark unterschätzt. Dies kann in Konsequenz ggf. zu marktwirtschaftlichen Einbußen und Nachteilen im nationalen und internationalen Wettbewerb führen.

Die oben genannten Begriffe signalisieren weitreichende Neuerungen. Vielfach wird bereits von der vierten industriellen Revolution gesprochen. Doch was steckt hinter diesen Begriffen? Wo liegen die nutzbaren und messbaren Vorteile für ein Unternehmen?

Industrie 4.0

Der Begriff Industrie 4.0 steht als Synonym für eine Hightech-Strategie der deutschen Bundesregierung. Die Globalisierung der Märkte, die wachsende Konkurrenz aus Fernost, individuelle Kundenwünsche, kürzer werdende Produktzyklen und viele andere Faktoren zwingen die Industrie zu einer sich stetig anpassenden und flexiblen industriellen Produktion, um auf dem globalen Markt konkurrenzfähig zu bleiben.

Eine steife Produktion, wie sie heute vielfach gegeben ist, wird zukünftige Anforderungen nicht mehr erfüllen können. Sowohl die Produktion als auch die Logistik werden in höchstem Maße flexibel und anpassungsfähig werden müssen. Die Hightech-Strategie Industrie 4.0 zeichnet einen Grundriss der industriellen Zukunft. Sie enthält Konzepte für neue Technologien, zeigt Potenziale auf, bietet Fördermaßnahmen, insbesondere für Startup Unternehmen, und vieles andere mehr. Industrie 4.0 bietet gerade für den Mittelstand einen Weg, wie dieser den künftigen individuellen Anforderungen an die industrielle Produktion begegnen kann.

Industrielle Revolution

Die erste industrielle Revolution bestand in der industriellen mechanisierten Nutzung von Wasserkraft und Dampfkraft gegen Ende des 18. Jahrhunderts. Mit Beginn des 20. Jahrhunderts folgte die zweite industrielle Revolution. Diese bestand vornehmlich in der Einführung von Fließbändern und der Massenfertigung. Der Name des US-Amerikaners Frederick Winslow Taylor (1856 – 1915) darf in diesem Zusammenhang nicht unerwähnt bleiben. Er begründete basierend auf seinen Arbeitsstudien ein bis ins Detail ausgearbeitetes Arbeitsmanagement, das nach seinem Erfinder auch „Taylorismus“ genannt wurde. Anfang der 70er-Jahre im 20. Jahrhundert begann die dritte industrielle Revolution durch die Einführung der Elektrotechnik und der IT in der industriellen Automatisierung,
die bis heute andauert.

Internet der Dinge

Der Begriff „Internet der Dinge (engl. Internet of Things)“ wurde in Anlehnung an das heute allgegenwärtige Internet, das „Internet der Dienste“, von Kevin Ashton im Jahre 1999 zuerst verwendet. Kevin Ashton wurde 1963 in England geboren und ist Mitarbeiter des Auto-ID Center am Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Als Dinge oder engl. Things werden smarte Objekte bezeichnet, die definierte Eigenschaften aufweisen. Smart bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sie eigenständig agieren und die ihnen zugewiesenen Aufgaben autonom
und/oder im Verbund mit anderen Objekten kooperativ lösen. Smarte Objekte sind eindeutig identifizierbar und können im Netzwerk souverän kommunizieren. Sie werden zur Lösung spezieller Aufgaben konzipiert und bestehen in der Regel aus einem Verbund aus Hard- und eingebetteter Software.

Beispielsweise können dies intelligente Transporteinheiten (Objekte) sein, die in einem cyber-physischen Transportsystem souverän Behälter oder Paletten transportieren. Souverän, weil kein übergeordnetes System die Transporte steuert. Der zu transportierende (smarte) Behälter kommuniziert autark im Netzwerk und zeigt mittels einer geeigneten Nachricht seinen Transportbedarf an. Alle autonom agierenden Transporteinheiten erhalten diese
Nachricht, werten diese aus und verhandeln untereinander die optimalste Transporteinheit, welche den Transport-Auftrag ausführen kann. Zugegeben hört sich dieses Beispiel noch ein wenig visionär an. Ähnliche Systeme werden aber bereits entwickelt oder sind sogar bereits realisiert worden.

Cyber-physische Systeme (CPS)

Zugegeben, der Begriff cyber-physische Systeme hört sich futuristisch an. Er bezeichnet aber lediglich die Vernetzung und Kommunikation smarter Objekte über eine geeignete Infrastruktur wie dem Intranet oder auch dem Internet. Eine Anbindung erfolgt über standardisierte Technologien wie LAN (Local Area Network) oder WLAN (Wireless Local Area Network). In der Heimautomatisierung erfolgt die Kommunikation über WLAN, oft auch mittels ZigBee oder anderer proprietärer Spezifikationen. Eine der größten Herausforderungen an cyber- physischen Systemen ist die Verarbeitung von Ereignissen in Echtzeit. Als Beispiel kann hier die Verarbeitung von Signalen aus der Sensorik genannt werden.

Multi-Agent Systeme (MAS)

Viele denken sicherlich sofort an James Bond, den Agenten 007 Ihrer Majestät, wenn sie das Wort Agent hören. Nun, dieser Agent hat mit dem Agenten in einem Multi-Agent-System nichts gemeinsam. Die hier gemeinten Agents sind Softwareanwendungen, die spezielle Aufgaben autonom oder im Verbund mit anderen Agents (Multi-Agent-System) lösen. Im Verbund können eventuell mehrere Lösungswege beachtet werden. Vorbild für ein Multi- Agent-System ist die Natur. So bilden beispielsweise einige Ameisenstaaten Verbände, um im Verbund komplexere Aufgaben zu lösen. Diese kollektive Intelligenz wird auch Schwarmintelligenz genannt.

Herausforderungen

Maschinenbauer und Softwarehersteller müssen sich in Zukunft besonderen Herausforderungen stellen. Doch bieten diese intensiven Herausforderungen an qualifiziertes Personal, IT und Maschinenbau auch große Potenziale für den Klein- und Mittelstand, um sich auf dem Weltmarkt zu behaupten.

Zukünftige Produktionsanlagen werden von einer großen Flexibilität geprägt sein. Der Kunde wird in großem Maße in die Produktion mit einbezogen werden. Die zukünftige Maschinengeneration wird anwendungsoffen sein. Anwendungsoffen heißt, die Funktion der Maschine wird erst durch eine Software bestimmt. Anwendungssoftware in Form von Apps, ähnlich der Apps aus der Mobilfunkindustrie, bestimmen je nach Kundenanforderungen die Aktionen der Maschinen. Hier stellt sich eine besondere Herausforderung für klein- und mittelständische Maschinenbauer, diese Maschine zu konzipieren und zu bauen.

Im gleichen Zug wird sich das Software-Engineering für zukünftige flexible Produktionssysteme ändern müssen. Der Weg führt hin zu autark im Kollektiv agierenden Maschinen, die keiner zentralen Steuerung mehr bedürfen. Dies führt in der Softwareentwicklung zu einem völlig anderen Ansatz. Aber auch im Bereich der Logistik werden zukünftige Materialfluss- und Warehouse Management Systeme neuen Anforderungen folgen müssen. Das bekannte Warehouse Management System (WMS) mit klassischen Funktionen wie Auftragsverwaltung, Bestandsführung etc. wird von Multi-Agent-Systemen abgelöst werden, die im Verbund die bisher zentralisierten Aufgaben autark und kooperativ dezentral lösen. Als Beispiel sei hier das klassische Bestandsmanagement erwähnt: physische Bestandsveränderungen durch Warenzugang und -abgang werden durch positive oder negative Buchungen im Datenbankbestand nachvollzogen. 

Im Lager der Zukunft kennt jede Palette, jeder Behälter, jede Transporteinheit und jedes Fach den physischen Bestand, der auf ihr/ihm lagert bzw. transportiert. Das Bestandsmanagement der Zukunft erhält in Echtzeit Informationen von smarten Objekten (Behälter, Palette, Fach etc.) über Bestände und Lageraktionen. Eine zentrale Bestands-Datenbank wird durch die Kenntnis der tatsächlichen Bestände in den smarten Objekten wahrscheinlich obsolet. 

In besonderem Maße wird das Software-Engineering für komplexe Materialflusssysteme von dem Konzept der smarten Objekte betroffen sein. Klassische Materialflusssysteme werden gegenwärtig von einem zentralen Materialflussrechner gesteuert. Fällt die zentrale Steuerung aus, ist meist auch das komplette Materialflusssystem betroffen. 

Die Industrie arbeitet und forscht gegenwärtig an Konzepten für eine smarte Logistik. Fördertechnikeinheiten werden zu smarten Objekten, die im Verbund mit anderen smarten Objekten und Multi-Agent-Systemen autark die gestellten Aufgaben lösen. Die Steuerung wird in Zukunft dezentral erfolgen. Die Potenziale für klein- und mittelständische Unternehmen aus der Hightech-Industrie 4.0 sind, wie bereits erwähnt, nicht immer gleich erkennbar. 

Der nächste Beitrag beschreibt mögliche Potenziale für den Maschinenbau und die industrielle Fertigung sowie die Intralogistik. (HW)