Industrie 4.0 – Wake up!

Heinz Willems

Heinz Willems

Eine dreiteilige Beitragsserie zum Thema „Industrie 4.0“

Mögliche Potenziale für kleine und mittelständische Unternehmen, zweiter Teil.

Die zukünftige Produktion wird auf wachsende individuelle Kundenansprüche sowie stärker werdende Absatzschwankungen auf nationalen und internationalen Märkten reagieren müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Sie wird im höchsten Maß flexibel, anpassungsfähig und reaktionsfähig sein müssen, um den komplexen Anforderungen der Kunden und Märkte nachzukommen. Einhergehend mit der Assimilation der Produktion werden sich auch Produkte ändern. Der Weg führt weg von Massenprodukten hin zu individuellen von Kundenwünschen geformten Produkten.

Industrielle Fertigung

Mit den heute auf Massenproduktion ausgerichteten starren Fertigungsanlagen können die bekannten Ansprüche einer kundenindividuellen Produktion „On Demand“ nicht erfüllt werden. Die im Rahmen von Industrie 4.0 viel diskutierten Strategien und Modelle wie beispielweise smarte Objekte, Internet der Dinge und Dienste sowie Cyber-Physische Systeme (CPS) zeigen neue Wege auf, wie Unternehmen auch in Zukunft wettbewerbsfähig bleiben und auf internationalen Märkten bestehen können.

Die nächste Generation von Produktionsanlagen wird geprägt sein von intelligenten wandlungsfähigen offenen Maschinen, die erst durch Software-APPs in weiten Bereichen in ihrer Anwendung konfigurierbar sind und autonom und kooperativ mit anderen Maschinen agieren.

Durch eine weitreichende Vernetzung der Maschinen und anderer Produktionskomponenten, wie beispielsweise Multi-Agent-Systeme, in cyber-physischen Systemen wird eine flexible autonome Automatisierung von Produktionsvorgängen erreicht. Kundenaufträge können parallel und individuell bearbeitet werden. Die vernetzten Produktionskomponenten definieren autonom, welcher Kundenauftrag bearbeitet oder welcher Fertigungsschritt als nächster auszuführen ist. Mobile smarte im CPS eingebundene Transportsysteme führen autark und im Verbund den Transport der zu produzierenden Güter aus.

Jede am Produktionsprozess beteiligte Komponente ist durch beständige Kommunikation mit anderen Produktionskomponenten über den aktuellen Anlagenzustand informiert. Anstehende Entscheidungen und Reaktionen der Produktionskomponenten werden hierdurch auf Basis der aktuellen Anlagenrealität und der aktuellen Parameter getroffen. Spezielle Software-Agents überwachen die komplexen Produktionsvorgänge und visualisieren und signalisieren gegebenenfalls mögliche Störungen im Produktionsprozess.

Neue Geschäftsfelder

Nicht nur stärker werdender internationaler und nationaler Konkurrenzdruck sowie kundenindividuelle Fertigung werden die Zukunft der Produktionsbetriebe formen, sondern in einem ebenso starken Maß werden die steigenden Energiepreise sowie die knapper werdenden Rohstoffe diese beeinflussen. Nur wer zukünftig effizienter Energie und Rohstoffe nutzt, besser und flexibler produziert, kann künftig auf dem Weltmarkt bestehen.

Wir befinden uns auf dem Weg zur vierten industriellen Revolution Es findet gegenwärtig ein Paradigmenwechsel in der Produktionstechnologie sowie in der Informations- und Kommunikationstechnologie statt.

Die zentrale starre Steuerung von Produktions und Förderanlagen wird durch dezentrale autonom agierende und kooperierende Systeme bzw. Dienste ersetzt. Mit Everything as a Service (XaaS) wird eine neue zukünftige IT-Architektur definiert, die die künftige Umsetzung von Industrie 4.0 definiert.

Für Hersteller und Ausrüster von Industrie- und Fabrikanlagen, die sich den neuen Paradigmen der Zukunft stellen, bietet die konsequente Umsetzung der Strategien aus Industrie 4.0 den Schlüssel zum Erfolg. Die Planung, Konstruktion und Herstellung von zukunftsweisenden offenen smarten Produktions-Maschinen und Produktionsanlagen bietet vor allem für Maschinen- und Anlagenbauer aus dem KMU Bereich reichlich innovatives Potential für neue Geschäftsfelder in den Bereichen Mechanik, Mechatronik, Robotik und Sensorik sowie im Softwareengineering. Gerade im Bereich der Logistik/Intra-Logistik muss eine Assimilation hin zur dezentralen autonomen Bearbeitung von logistischen Anforderungen erfolgen.

Zukünftige Systeme

Zukünftig dezentrale Systeme enthalten Ladeeinheiten, wie smarte Behälter und Paletten die Informationen über die in bzw. auf ihnen gelagerten Artikel speichern. Diese gespeicherten Informationen können jederzeit abgefragt werden. Komplette Regalsysteme speichern Daten über jede Ladeeinheit, die in ihren Fächern lagert. Sehen Sie hierzu auch nachstehendes Beispiel eines „smarten Behälters“.

Vor dem Hintergrund smarter Lagertechnik werden sich auch moderne Warehouse-Management-Systeme anpassen müssen, beispielweise werden Bestände nicht mehr über eine Datenbank ermittelt, sondern diese in Echtzeit von der Lagertechnik erfragt. Die Konzeption von Materialflusssystemen erfolgt bis in die Gegenwart hinein noch unter dem Aspekt einer zentralen Materialflusssteuerung. Zukünftige Materialflusssysteme werden flexibel auf wechselnde Anforderungen und Schwankungen reagieren müssen. Dies wird mit einer starren Fördertechnik, inflexibler Technik und einer zentralen Steuerung nicht möglich sein. Neue Strategien, die mit einem dezentralen Layout die wechselnden Anforderungen erfüllen, werden entworfen und umgesetzt werden müssen.

Autonome fahrerlose Transportsysteme seien hier nur als ein Beispiel eines komplexen Transportsystems in einem dezentralen Layout für ein Materialflusssystem genannt. Nachstehend ein kleines Beispiel, wie ein Wareneingang in einem Lager der Zukunft erfolgen könnte.

Ein LKW liefert Paletten an einem Wareneingangstor an. Eine Kommunikationseinheit im LKW verbindet sich mit einer Kommunikationseinheit im Lager, beispielsweise über WLAN. Der LKW ist danach eine weitere (smarte) Einheit im cyber-physischen System des Lagers. Alle (smarten) Komponenten im Lager haben nach der Kopplung Kenntnis über die Ankunft des LKW sowie Anzahl und Inhalt der auf dem LKW befindlichen Paletten.

Das dezentrale Materialflusssystem (MFS) des Lagers erkennt unmittelbar nach dem Andocken des LKW den Transportbedarf. Die zum MFS gehörenden Transportmittel handeln autark den bestmöglichen Transporteur unter Berücksichtigung diverser Parameter für die zu transportierenden Paletten aus. Dies kann ein fahrerloses Transportsystem (FTS) oder auch ein manuell bedienter Stapler sein, der die Information für den Transport über ein Funkdisplay erhält.

Das WMS führt automatisch für die angelieferte Ware einen Bestellabgleich versus WEAvise durch. Weiterhin vergibt es für die zu transportierenden Paletten Lagerplätze unter Berücksichtigung der realen Lagerauslastung. Das ausgewählte Transportmittel transportiert die Palette vom LKW auf das vom WMS vorgegebene Ziel und überprüft dabei weitere Parameter wie beispielsweise das Gewicht und die Abmaße. Mit der Ankunft der Palette am vorgesehenen Ziel ist die Palette im Lager verfügbar.

Eine der größten Herausforderungen aus Industrie 4.0 ergibt sich meines Erachtens für den Bereich des Softwareengineerings. Hier ist mit dem Paradigma Everything as a Service (XaaS) eine komplexe Änderung in der bisherigen Vorgehensweise in der Softwareentwicklung definiert. Die Änderung beginnen in der Kommunikationsebene und reichen bis zur Anwendungsschicht in Form von APPS. Die Entwicklung von superschnellen cyber-physischen Systemen, Bilderkennungssystemen, die in Sekundenbruchteilen Objekte erkennen oder komplexe selbstlernende Kommunikations-Algorithmen für kooperierende Objekte sind nur einige Beispiele, die vom Softwareengineering gelöst werden müssen.

Qualifiziertes Personal

Die konsequente Umsetzung der Strategien aus Industrie 4.0 wird nicht ohne Auswirkungen auf die Qualifizierung des Personals bleiben. Der globale Wettbewerbsdruck erfordert in fast allen Bereichen der Industrie und Logistik respektive der Intralogistik eine neue Personalpolitik. Aber nicht nur die Auswirkungen der sich für die Zukunft abzeichnenden Assimilation der industriellen Fertigung bedingen eine sich verändernde Personalpolitik, auch der demographische Wandel sowie der bereits akute Fachkräftemangel zwingen zu einem Umdenken.

Fachkräfte und Mangel

Im Hinblick auf den bereits immer akuter werdenden Fachkräftemangel stellt die Ausbildung des Personals bis hin zu hochqualifizierten Spezialisten eine weitere große Herausforderung für die Unternehmen da. In Konsequenz bedeutet dies für die Unternehmen, dass beispielsweise Anreize geschaffen werden, um ältere qualifizierte Mitarbeiter länger im Arbeitsleben zu halten, Arbeit und Arbeitsumgebung den Bedürfnissen der Mitarbeiter angepasst werden oder auch flexible Beteiligungsmodelle am Unternehmen geschaffen werden.

Mensch und Roboter

Ein Forschungsschwerpunkt wird die Erforschung von Verhaltensmodellen für eine Fertigung sein, in der Menschen und Maschinen eng zusammenarbeiten. Die Entwicklung von Robotern für ein gemeinsames Arbeiten in einem hybriden System bestehend aus Mensch und autonom kooperierendem Roboter wird eine der Hauptaufgaben der Ingenieure, Elektroniker und Softwareentwickler sein. Gebraucht werden Roboter, die auf Blickkontakt, Gestik und Verhaltensweisen, Berührung sowie Sprache des mitarbeitenden Menschen reagieren. Der Roboter der Zukunft wird permanent mit dem Menschen interagieren und ihn verstehen lernen müssen. Aber auch die Kommunikation und Kooperation der Roboter untereinander im Umfeld des hybriden Systems wird einer der Entwicklungsschwerpunkte sein.