4. Grundelemente und Kernelemente Industrie 4.0, Teil 1

Bild 2: Elemente Industrie 4.0
Bild 2: Elemente Industrie 4.0

 

Das Internet der Dinge und Cloud Services ermöglichen zum einen eine praktisch uneingeschränkte Kommunikation und zum anderen eine umfassende und flexible Erfassung, Dokumentation und Verarbeitung von Daten. Damit bilden diese Grundelemente die „Leitplanken“ für die Kernelemente von Industrie 4.0. Diese Grundelement und Kernelemente sind in Bild 2 zusammengefasst.

Es sind dies die folgenden Kernelemente:

  • Cyber physische Systeme (CPS) und deren Wechselwirkungen untereinander in cyber physischen Produktionssystemen (CPPS) /23/

  • Vertikale und horizontale Vernetzung /24/

  • Data Analytics /25/

  • Digital Engineering /26, 27/

  • Gestaltungsfunktion der Mitarbeiter: durch Mensch – Maschine – Interaktionen und durch physische und kognitive Assistenzsysteme wird auch bei einer vernetzten schweißtechnischen Fertigung der Einfluss der Mitarbeiter sichergestellt /2, 15, 17, 28, 29/.

    Diese Kernelemente sind untereinander in Wechselwirkungen verbunden. CPS ermöglichen dezentrale Steuerungen und eine vertikale Integration, somit verknüpfen CPS mehrere Kernelemente für die Umsetzung von Industrie 4.0. Alle Kernelemente müssen unter dem Aspekt der Vernetzungsfähigkeit aller oben genannten Elemente der Fertigung, der geeigneten Schnittstellen und zusätzlich unter dem Gesichtspunkt Datenqualität, Datensicherheit und Cybersicherheit betrachtet werden (Konnektivität).

 

Aus den erfassten Daten ergeben sich die folgenden Nutzungsmöglichkeiten:

  • Informationen: Generierung von Information auf Basis der gesammelten Daten (zum Beispiel in smart cockpits mit digitalen Echtzeit-Informationen)

  • Wissen: Aufbau und Teilung von analysiertem, kontextualisiertem Wissen (zum Beispiel zur Unterstützung der Werker, Operatoren, Meister, Aufsichtspersonen)

  • Prognose: Auf Basis vorausschauender Mustererkennung (zum Beispiel predictive maintenance)

  • Autonomie: Selbstständige Abstimmung der Elemente der Fertigungssysteme mit der Möglichkeit zu autonomen Systementscheidungen und damit zur autonomen Fertigung

Alle Kernelemente haben Potentiale zur Kostenreduzierung und zur Umsatzsteigerung. Die Bilder 3 und 4 zeigen dazu Effekte und Potentiale bei den Bestandskosten, Fertigungskosten, Logistikkosten, Instandhaltungskosten und Komplexitätskosten. 

Bild 4: Wirtschaftliche Potentiale Industrie 4.0

Bild 3:  Wirtschaftliche Potentiale Industrie 4.0

 

Bild 3: Wirtschaftliche Potentiale Industrie 4.0

Bild 4: Wirtschaftliche Potentiale Industrie 4.0

 

Alle Kernelemente haben darüber hinaus Potentiale zur Produktinnovation, zur Prozessinnovation und zur Geschäftsmodellinnovation. Gerade die Geschäftsmodellinnovationen sind dabei von Bedeutung, weil besonders diese zur Erschließung von Wettbewerbsvorteilen und zum Unternehmenswachstum beitragen: Unternehmen, die ihr Geschäftsmodell (und nicht nur ihre Produkte und Prozesse) regelmäßig innovieren, wachsen überdurchschnittlich schnell /30/.

Zu den Geschäftsmodellinnovationen können zum Beispiel „Everything as a Service XaaS“ gezählt werden /31/. Darunter fallen

Value as a Service: Personalisierte Dienste zur Bedürfniserfüllung
Value as a Service umfasst zum Beispiel Cutting as a Service, also nicht den Kauf von Schneidanlagen, sondern den „Kauf“ von Brennschneidzeiten, Plasmazeiten, Laserstrahlzeiten unter Nutzung von schneidtechnischen Fertigungsplattformen, ein solcher Service wird über Fertigungsplattformen wie zum Beispiel die Fertigungsplattform www.emachineshop.com angeboten, über die zum Beispiel Schneidaufgaben mittels Laserstrahl oder Wasserstrahl geordert werden können (Platform as a Service).

  • Platform as a Service: Life Cycle Umgebung und Kommunikation zum wirtschaftlichen Bereitstellen der Soft- und Hardwaremodule

  • Module as a Service: Offene Hard-und Softwaremodule zur Komposition personalisierter Dienste

  • Infrastructure as a Service: Infrastrukturlandschaft als Basis für Plattformen und zur Bereitstellung von Modulen.

 

Die Fähigkeit der schneidtechnischen Unternehmen, neue Geschäftsmodelle zu entwickeln und umzusetzen, wird also von der Fähigkeit abhängen, das Internet der Dinge und cloudbasierte Services und Plattformen zu nutzen und gezielt Kernelemente Industrie 4.0 einzusetzen. Dazu werden die Kernelemente im Folgenden näher erläutert.

 

 

4.1 Kernelemente Industrie 4.0: Cyber physische Systeme

Die technischen Potentiale der CPS und der CPPS liegen unter anderem in weiteren Qualitätsverbesserungen in der Fertigung. Durch die ständige Erfassung der Umgebungsbedingungen mittels Sensoren kann eine schnelle Anpassung des Fertigungsprozesses erfolgen. Durch die genaue Kenntnis der Auslastung der Fertigung und des Fertigungszustandes der einzelnen Produkte kann eine situative Steuerung der (schneidtechnischen) Fertigung erfolgen, wodurch Flexibilisierungspotentiale erschlossen werden können.

 

Cyber physische Systeme sind somit die großen „Befähiger“, sie ermöglichen unter anderem jederzeit eindeutig identifizierbare Werkstücke, Bauteile, Maschinen, Anlagen und Systeme, und sie bilden die Brücken zwischen der physischen und der digitalen Welt, sie ermöglichen echtzeitnahe Kommunikation und stellen im Zusammenwirken von CPS zu CPPS mächtige Werkzeuge für eine vernetzte (schneidtechnische) Fertigung dar. Bild 5 fasst wesentliche Charakteristika von CPS und CPPS zusammen.

Bild 5: Cyber physische Systeme CPS

Bild 5: Cyber physische Systeme CPS

 

Bei cyber physischen Systemen handelt es sich um mechatronische Systeme (das heißt um Systeme mit Elementen aus Mechanik, Elektronik und Informatik), die über eine Dateninfrastruktur – zum Beispiel über das Internet – kommunizieren können (dieser Datenaustausch erfolgt in Echtzeit). Diese Echtzeit – Kommunikation mit anderen CPS, mit globalen Netzen und mit den Mitarbeitern ist – wie bereits oben genannt - der wesentliche Unterschied zu der bisherigen Automatisierung durch Vernetzung von mechatronischen Systemen.

Durch diese Kommunikation wird eine durchgängige Betrachtung des vollständigen Fertigungsprozesses – vom Bauteil über die Werkzeuge, über die beteiligten Maschinen und Systeme bis zu den Produktionsmanagementsystemen – möglich. Die dafür benötigten Daten werden nicht mehr auf den verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide abgelegt oder weiterverarbeitet, sondern sie sind dort gespeichert und werden dort weiterverarbeitet, wo sie aus Sicht einer flexiblen und effizienten Fertigung benötigt werden (zum Beispiel in einer Cloud oder auf einer Cloud-Plattform).

Dadurch erfolgt teilweise eine Auflösung der klassischen Automatisierungspyramide, wobei die echtzeitkritische Feldebene (Sensoren und Aktoren) weitgehend bestehen bleibt, die darüber liegenden Ebenen allerdings nicht mehr streng hierarchisch strukturiert sind, vielmehr entsteht ein Netz aus verschiedenen CPS-basierten Automatisierungselementen, was als vertikale Integration bezeichnet werden kann. In der Schneidtechnik könnte man diese vertikale Integration „vom Bauteil zum ERP – System“ beschreiben.

Bild 6 fasst diese Entwicklung zusammen. Ausgehend von der bekannten Automatisierungspyramide (auf der linken Seite) wird dessen Veränderung gezeigt. Dabei sind die Bauteile auf der Produktionsebene nicht passiv, sondern sie nehmen aktiv und steuernd am Fertigungsprozess teil, Aktoren und Sensoren werden zu smarten Feldgeräten und die Managementsysteme sind modular und cloudbasiert.

 

Bild 6: Automatisierungspyramiden

Bild 6: Automatisierungspyramiden

 

Smarte Bauteile und smarte Schneidbrenner

CPS können sich bezüglich ihrer Fähigkeiten und ihres jeweiligen Zustandes vollständig selbst beschreiben. Sie können diese Beschreibung kommunizieren und situationsbezogen Entscheidungen treffen. Angenommen ein „smartes“ Werkstück oder Bauteil fungiert als CPS und ein „smarter“ Schneidbrenner fungiert ebenfalls als CPS, dann hat dieser Schneidbrenner Kenntnis darüber, ob und wie er das entsprechende Bauteil fertigen kann, und er kommuniziert seine Fähigkeiten und seinen Zustand an das Bauteil, welches wiederum „weiß“, welche Bearbeitungsschritte vorgesehen sind.

Bauteile können dazu eine Kennzeichnung zum Beispiel durch magnetische Enagramme erhalten, die zur Identifizierung und zur Verfolgung der Bauteile über ihre Lebensdauer hinweg dienen und damit auch zur Fälschungssicherheit der Bauteile beitragen können /HERWIG 32/. Die Identifikationsmöglichkeit von Bauteilen ermöglicht darüber hinaus die Hebung von Optimierungspotentialen in der Fertigungs- und Lagerlogistik der Schneidbetriebe /KNOP 33/.

Bauteile können ferner Kennzeichnungen erhalten, mit der Informationen über den Werkstoff (Beispiel Werkstoffzeugnis), über den Schneidprozess (Beispiel Schneidparameter) und über die anschließenden Fertigungsstufen (Beispiel Schweißprozess mit Schweißanweisungen) kommuniziert werden können /BYSTRONIC 34/. Eine weitergehende Ausrüstung der Bauteile mit Speicherplatz, Sensorik, Kommunikation und Entscheidungsfähigkeit kann zu sogenannten „gentelligenten Bauteilen“ führen, bei denen eine bauteilinhärente Speicherung und Nutzung von Daten möglich ist. Die bisherige physikalische Trennung von Informationen und Bauteilen ist damit aufgehoben, Daten stehen jederzeit zum Abruf zur Verfügung und sind eindeutig zuzuordnen. Gentelligente Bauteile können damit ein zentrales Element der Umsetzungsmöglichkeiten von Industrie 4.0 in der Fertigung sein /35/.

Somit kann davon ausgegangen werden, dass die Bauteile immer mehr Intelligenz und Kommunikationsmöglichkeit erhalten, gleiches gilt für die Bearbeitungswerkzeuge. Zukünftig könne Werkzeuge selbst die Rolle eines cyber physischen Systems übernehmen. Durch integrierte Sensorik und Aktorik erlangen Werkzeuge die Fähigkeit, Prozessdaten aufzunehmen, zu verarbeiten und zu kommunizieren /36/. Erste Ansätze für eine solche Entwicklung zeigt Bild 7 am Beispiel eines Autogenschneidbrenners /NACHBARGAUER 37/.

Konsequenterweise wird es zu einer Kommunikation zwischen Bauteilen und Schneidbrennern kommen. Weitere Entwicklungen und Forschungsarbeiten werden zeigen, welche Elemente des Schneidprozesses bevorzugt als CPS fungieren und wechselwirken. Es ist davon auszugehen, dass solche „CPS – gestützten Schneidprozesse“ in Zukunft zur Anwendung kommen werden.

Im Folgenden sollen noch einmal die wesentlichen Potentiale der vertikalen und der horizontalen Integration zusammengefasst werden. Anschließend folgt eine Betrachtung der Kernelemente Data Analytics und Digital Engineering.

 

 

Bild 7: Intelligenter Autogenbrenner

Bild 7: Intelligenter Autogenbrenner

 

 

4.2 Kernelemente Industrie 4.0: Vertikale und horizontale Integration

Vertikale Integration

Eine vertikale Integration (wie bereits in Bild 6 beschrieben) ermöglicht eine Durchgängigkeit von Daten und Informationen von der Produktionsebene in die Leitungsebene der Unternehmen. Unter anderem kann die bisherige starre Automatisierungspyramide durch ein Netzwerk mit Datenaustausch und Kommunikation mehrere Ebenen der Pyramide hinweg ersetzt werden. Eine vertikale Integration ermöglicht es dabei grundsätzlich, die Funktionalitäten einer Fertigung neu zu gestalten. Zum Beispiel kann ein smartes Werkzeug (als CPS) direkt mit der Maschinensteuerung kommunizieren, zum Beispiel bezüglich seiner Verschleißdaten – auch ein smarter Schneidbrenner (als CPS) kann direkt mit der Maschinensteuerung kommunizieren, was neue zustandsbasierte Wartungskonzepte für diesen Schneidbrenner ermöglichen.

Eine wichtige Rolle bei der Vernetzung spielen die Manufacturing Execution Systeme MES, mit denen eine „digitale Transparenz“ der gesamten Wertschöpfungskette von Blechprodukten erreicht werden können. Dazu werden alle Schritte vom Auftragseingang bis zur Auslieferung der fertigen Produkte digitale erfasst. Das MES verteilt erstellte Schneidpläne auf Ressourcen der verfügbaren Maschinen und liefert Zustandsmeldungen über den Stand der Fertigung in das Enterprise Resource Planning System ERP des Anwenders zurück. Weitere Anwendungen des MES beziehen sich auf die Materialbestellung je nach Auftragslage. Es erfolgt eine kontinuierliche Information über die Fertigungsschritte an den Kunden. Ferner liegen nach Auftragsabschluss die Daten zur Auswertung bezüglich Fertigungskosten, Materialkosten und Zeitaufwand zur Verfügung. Mittels einer solchen Vernetzung lässt sich die in der Einleitung geforderte Datentransparenz herstellen werden, der Schritt von „Lieber Industrie 3.0 in der Hand ...“ zu „Vom File zum Teil ...“ scheint möglich /38, 39, 40/.

Horizontale Integration

Eine horizontale Integration ermöglicht die Bildung von Wertschöpfungsnetzwerken, mit denen es grundsätzlich möglich wird, die Wertschöpfungsbeiträge der Wertschöpfungspartner neu zu gestalten. Bild 8 zeigt in der Mitte die Wertschöpfung des Unternehmens mit einer Vernetzung weiterer Wertschöpfungspartner wie Zulieferer und Kunden.

Bild 8: Wertschöpfungsnetzwerke

Bild 8: Wertschöpfungsnetzwerke

 

Gestaltung von Funktionalitäten und Wertschöpfungsanteilen

In dieser neuen Gestaltung von Funktionalitäten und von Wertschöpfungsbeiträgen liegen große Gestaltungspotentiale für die schweißtechnische Fertigung. Als Ziel für die vernetzte schweißtechnische Fertigung kann dabei gelten, sowohl eine vertikale als auch eine horizontale Integration zu erreichen, dies deshalb, weil dadurch ein synchroner Austausch von internen und externen Daten möglich ist, mit denen Unternehmen ein durchgängiges und dynamisches Wertschöpfungsnetzwerk managen können. Bild 9 fasst diese Betrachtung schematisch zusammen.

 

Bild 9: Vertikale und horizontale Integration in der Fertigung

Bild 9: Vertikale und horizontale Integration in der Fertigung
 
 
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