Industrie 4.0 – Die vierte industrielle Revolution und was sie verändert

Industrie 4.0 ist die digitale Transformation der Fertigung/Produktion und verwandter Wertschöpfungsprozesse. Die Basis von Industrie 4.0 bilden cyber-physische Systeme (z. B. Smart Machines). Sie nutzen moderne Steuerungssysteme, haben eingebettete Softwaresysteme und verfügen über eine Internetadresse, um sich über das IoT (Internet der Dinge) zu vernetzen und ansprechen zu lassen.

Auf diese Weise werden Produkte und Produktionsmittel vernetzt und können ‚kommunizieren‘, was neue Wege der Produktion, Wertschöpfung und Echtzeitoptimierung ermöglicht. Cyber-physische Systeme schaffen die Fähigkeiten, die für intelligente Fabriken benötigt werden. Dies sind die gleichen Fähigkeiten, die wir aus dem industriellen Internet der Dinge kennen, wie Fernüberwachung oder Track & Trace, um nur zwei zu nennen.

Industrie 4.0 wird definiert als „eine Bezeichnung für den aktuellen Trend der Automatisierung und des Datenaustauschs in der Fertigungstechnologie, des Internets der Dinge, des Cloud Computing und der intelligenten Fabrik“.

Das Ziel ist es, autonome Entscheidungsprozesse zu ermöglichen. Assets und Prozesse in Echtzeit zu überwachen und ebenso in Echtzeit verbundene Wertschöpfungsnetzwerke durch frühzeitige Einbindung von Stakeholdern sowie vertikale und horizontale Integration zu ermöglichen.

Industrie 4.0: Das Wesentliche in aller Kürze erklärt

Industrie 4.0 ist die informationsintensive Transformation der Fertigung in einer vernetzten Umgebung aus Big Data, Menschen, Prozesse, Dienste, Systeme und IoT-fähigen Industrieanlagen. Mit der Generierung und Nutzung von verwertbaren Daten und Informationen als Weg zur Realisierung von Smart Industry und Ökosysteme.

Industrie 4.0 ist also eine breite Vision mit klaren Rahmenbedingungen und Referenzarchitekturen, die vor allem durch die Überbrückung von physischen Industrieanlagen und digitalen Technologien in sogenannten cyber-physischen Systemen gekennzeichnet ist.

Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Internet der Dinge oder IoT, im Rahmen von Industrie 4.0 Industrial IoT. Mit seinen vielen IoT-Stack-Komponenten, von IoT-Plattformen bis zu Industrial IoT-Gateways, Geräten und vielem mehr.

Doch es geht natürlich nicht nur um IoT, Cloud, Big Data mit künstlicher Intelligenz, Datenanalyse, Speicher- und Rechenleistung am Rande von Netzwerken (Edge Computing). Es spielen auch innovative Datenaustauschmodelle eine wichtige Rolle.

Industrie 4.0 ist nicht „etwas“, das man über Nacht realisiert. Genau wie bei IoT-Implementierungen brauchst du einen strategischen und stufenweisen Ansatz.

Daten und Optimierung über die gesamte Wertschöpfungskette

Im Kern beinhaltet Industrie 4.0 die Übertragung von Autonomie und autonomen Entscheidungen auf cyber-physische Systeme und Maschinen unter Nutzung von Informationssystemen.

Die cyber-physischen Systeme sind die Basis und ermöglichen neue Fähigkeiten in Bereichen wie Produktdesign, Prototyping und Entwicklung, Fernsteuerung, Services und Diagnose, Zustandsüberwachung und mehr.

Diese Fähigkeiten führen auch zu verschiedenen Arten von Anwendungsfällen und Einsätzen sowie den Vorteilen von Industrie 4.0. Zu denen Personalisierungsmöglichkeiten, Echtzeitwarnungen, innovative Servicemodelle, dynamische Produktverbesserungen, erhöhte Produktivität, und letztlich neue Geschäftsmodelle gehören.

Die neuen Fähigkeiten von Industrie 4.0 führen zu den „smart anything“-Phänomenen, die oft die meiste Aufmerksamkeit erhalten. Von Smart Grid, Smart Energy und Smart Logistics über Smart Facilities. Einschließlich Smart Buildings und Smart Plants bis hin zu den erwähnten Smart Manufacturing.

Industrie 4.0 baut auf Datenmodellen und Datenmapping über den erwähnten End-to-End Produktlebenszyklus und Wertestrom auf. Alle Technologien in Industrie 4.0 müssen in dieser Perspektive gesehen werden, wobei die Integration der Schlüssel ist.

Ohne die Konvergenz von IT und OT gibt es keine industrielle Transformation, geschweige denn ein modernes Gebäudemanagement oder andere Bereiche, in denen sich die Silos zwischen verschiedenen traditionellen Systemen auflösen. Unter anderem durch das IoT auf der einen Seite und durch das Zusammentreffen von IT und OT auf der anderen Seite, was in fast allen Branchen der Fall ist.

Die Essenz der Konvergenz von IT und OT dreht sich um Daten, Prozesse und Menschen/Teams. Auch hier ist das IoT der Schlüssel, denn auch das Internet der Dinge beginnt mit der Erfassung. Man kann mit Sicherheit sagen, dass Industrie 4.0 nur durch das IoT möglich ist.

Da die Konvergenz von IT, OT und deren Backbones im Wesentlichen auf eine fortgeschrittene und verbesserte Anwendung von Internet-, IT-Technologien und IT-Infrastrukturen hinausläuft, die von IoT-Daten beeinflusst werden sehen viele Industrie 4.0 als Fortsetzung der dritten industriellen Revolution.

Auf der anderen Seite haben die Auswirkungen der fortschreitenden Automatisierung in allen Organisationen, einschließlich der Fabriken, einen deutlichen Einfluss auf Arbeit und Gesellschaft. Doch auch hier wird argumentiert, dass dies lediglich ein Ergebnis der nächsten Schritte in der dritten industriellen Revolution ist, in der die Automatisierung bereits auf vielen Ebenen sehr intensiv war.

Technologien, Sicherheit, Mitarbeiter und Gesellschaft

Es ist wichtig zu beachten, dass es bei Industrie 4.0 nicht nur um die Technologien geht. Es geht auch um die Auswirkungen und die Rolle der Gesellschaft und der Arbeitnehmer. Darüber hinaus hat Industrie 4.0 auch einen starken Fokus auf Sicherheit. Damit ist nicht nur die Sicherheit von Daten und Kommunikationsnetzen sondern auch der Schutz und die Sicherheit von Arbeitnehmern, industriellen Anlagen und kritischen Infrastrukturen gemeint.

Da industrielle Anlagen und kritische Infrastrukturen (von kritischen Kraftwerken bis zu Energienetzen und mehr) vernetzt werden und Angriffe in den traditionell eher isolierten industriellen Umgebungen zunehmen, sind die Einsätze und Gefahren von Schwachstellen und Angriffen in der Industrie 4.0 enorm.

Da die Angriffe zunehmen und die Konsequenzen hoch sein könnten, wird empfohlen, sich nicht nur auf die Cybersicherheit zu konzentrieren. Sondern diese mit dem Risikomanagement, der Geschäftskontinuität und anderen Bereichen zu kombinieren, was auch als Cyber-Resilienz bekannt ist. Mit Industrie 4.0 wird die verteilte Datenhaltung zu einer der größten Herausforderungen in Bezug auf die Sicherheit.

Vorteile von Industrie 4.0

Ob Industrie 4.0, Smart Industry oder industrielles Internet, es gibt viele Vorteile für Hersteller, die ihre Arbeitsweise verändern wollen.

Das wesentliche Ziel von Industrie 4.0 ist es, die Fertigung und verwandte Branchen wie die Logistik  schneller, effizienter und kundenorientierter zu machen. Und gleichzeitig über Automatisierung und Optimierung hinauszugehen und neue Geschäftsmöglichkeiten zu entdecken.

Die meisten Vorteile von Industrie 4.0 sind offensichtlich ähnlich wie die Vorteile der digitalen Transformation der Fertigung. Gesteigerte Produktivität durch Optimierung und Automatisierung der Prozesse und der Produktivität ist der erste Nutzen, den die Hersteller sehen.

Es ist auch eines der ersten Ziele von Industrie 4.0-Projekten. Mit anderen Worten, Kosten sparen, Rentabilität steigern, Verschwendung reduzieren und automatisieren, um Fehler und Verzögerungen zu vermeiden. Die Produktion beschleunigen um mehr in Echtzeit und in Funktion der gesamten Wertschöpfungskette zu arbeiten, wo Geschwindigkeit für alle entscheidend ist. Papierbasierte Abläufe digitalisieren, um bei Produktionsproblemen schneller eingreifen zu können und so weiter.

Die Schlüsseltechnologien zu Industrie 4.0

Zuvor haben wir in diesem Überblick über Industrie 4.0 einige Technologien angesprochen. Die meisten von ihnen sind wirklich Oberbegriffe für mehrere Technologien. Die horizontale und vertikale Integration, cyber-physische Systeme und das industrielle Internet der Dinge als wirklich große Realitäten mit vielen Technologien und Komponenten.

Sicherheit, die sich über die physische und digitale Domäne, die jeweiligen Prozesse sowie die Kommunikation zwischen diesen Bereichen erstreckt, ist eine Voraussetzung für den Erfolg von Industrie 4.0. Sicherheit, die nur isoliert implementiert wird, kann leicht umgangen werden und wäre unwirksam.

Also, welche Technologien sind wirklich der Schlüssel zu Industrie 4.0? Es kommt darauf an, aber das Internet der Dinge ist eindeutig entscheidend, da es die meisten sogenannten Industrie 4.0-Hebel erst möglich macht. Auch die Sicherheit ist ein fester Bestandteil der Industrie-4.0-Vision. In der Tat sind die meisten der genannten Technologien essentiell, da sie unweigerlich miteinander verbunden und voneinander abhängig sind.

Big Data, Analytik, die Cloud, KI und Simulation, um nur einige zu nennen, stehen für die Anpassungsfähigkeit, Flexibilität, Modularität, Skalierbarkeit und schnelle Einsatz- und Integrationsfähigkeit, die wir mit Industrie 4.0 sehen wollen. Diese Fähigkeiten tauchen in vielen der Industrie 4.0-Ressourcen auf und sind auch Mittel zum Zweck.

Beachte, dass mehrere Beratungsunternehmen und Analysten andere digitale Technologien als Enabler von Industrie 4.0 in den Fokus rücken. Mobile Geräte und Technologien sind nur ein Beispiel. Fortschrittlichere Schnittstellen in der Beziehung zwischen Mensch und Maschine sind ein anderes.

Jenseits der Automatisierungspyramide

Während Industrie 4.0 und Industrial IoT für viele Unternehmen noch weit von der Realität entfernt sind, haben die Vorbereitungen, sich in der industriellen Transformation zu bewegen, Auswirkungen auf Hardware, industrielle Fertigungssoftware, Technologien, Prozesse und die Integration, Konnektivität und Interoperabilität von all dem.

Die Verwischung der Grenzen auf der Ebene der Hierarchien und Lösungen so wie die Grenzen zwischen den verschiedenen Technologien und den verschiedenen Ebenen unserer traditionellen Automatisierungspyramide verschwimmen.

Mit dem Umzug in die Cloud, der zunehmenden Bedeutung des IoT und der Notwendigkeit, Systeme mit den richtigen neueren Technologien zu verbinden, die wir in Industrie 4.0 und der Plattform selbst sowie ihren Innovationsbeschleunigern sehen, verändert sich die Lösungslandschaft in der fortschreitenden Integration von IT und OT. Das bringt viele Herausforderungen mit sich, auf der Ebene der Wertschöpfung, der verbundenen Daten und der Sicherheit, um nur einige zu nennen.

Die Gestaltungsprinzipien von Industrie 4.0 wie Interoperabilität, Virtualisierung, Dezentralisierung, Echtzeitfähigkeit, ein serviceorientierter Ansatz und Modularität spielen eine Schlüsselrolle in den sich radikal verändernden Architekturen der verschiedenen industriellen Lösungen, wie wir sie kennen.

Aber irgendwo muss man ja anfangen. Und oft fängt man am Rande an, am Rande des Geschäfts und des Technologie-Stacks. Wenn man sich die traditionelle Automatisierungspyramide vor Augen hält, ist das der Ort, an dem Sensoren, Aktoren und cyber-physische Systeme sitzen und auf die SPS-Steuerungsebene treffen. Hier und in den SCADA-Systemen beginnt die Reise, denn alles wird integriert, oder besser, mit zunehmend modularen Ansätzen verbunden.

Aus Sicht der reinen Softwareanbieter ist das auch für viele eine Herausforderung. Manufacturing Execution Systeme und SCADA Systeme, um nur zwei zu nennen, existieren schon seit langer Zeit und sind nicht für die genannten Entwicklungen ausgelegt. Das führt oft zu einem Bolt-On-Ansatz, den die Kunden nicht wirklich wollen.

Radikale architektonische Veränderungen und Weiterentwicklungen in ERP-Software, Manufacturing Execution Systemen, SCADA-Systemen und sogar in den „unteren“ Ebenen sind unvermeidlich. Längerfristig gehen sie sogar weit über die ‚Plattform‘ und ’serviceorientierten‘ Modelle hinaus, die sich die meisten heute vorstellen können.

Das Beispiel der Entwicklung von ERP zu intelligentem ERP mit KI, IoT und Blockchain ist ein perfektes Beispiel dafür. Für viele Organisationen ist Blockchain immer noch etwas, von dem sie noch nie gehört haben oder das sie nur aus der Perspektive der virtuellen Währung kennen.

Mit Edge Computing, und wiederum KI, werden andere Anwendungen im breiteren Bild des Fertigungsbetriebs zu einer von vielen Unsicherheiten über die langfristige Zukunft von SCADA, MES. Ich erwarte eine Landschaft, in der es nicht auf den geplanten Werks-Korridor ankommt und auch nicht auf die Anlage allein.

Es geht um die gesamte Wertschöpfungskette, einschließlich eines zunehmenden Bedarfs an werksübergreifender Orchestrierung, intelligentem Supply Chain Management und serviceorientierten Ansätzen. Bei denen Funktionen Dienste sind und wir am Ende zu intelligenten Teilen übergehen, die auf allen Ebenen nahtlos miteinander verbunden sind.

Denke an die bereits erwähnten Gestaltungsprinzipien von Industrie 4.0: Interoperabilität, Virtualisierung, Dezentralisierung, Echtzeitfähigkeit, ein serviceorientierter Ansatz und Modularität. Sie alle spielen in den sich radikal verändernden Architekturen der verschiedenen Lösungen, die es gibt.

Ein kurzer Blick auf einige der Entwicklungen in den oberen drei Ebenen unserer klassischen Automatisierungspyramide, die langsam wie ein Netz aussieht, da die Systeme beginnen, die gleiche Sprache der Industrieprotokolle und des IIoT zu sprechen.

Industrie 4.0-Initiativen und -Entwicklungen rund um die Welt

Das Konzept und die Sichtweiße von Industrie 4.0 ist eindeutig global geworden und tut dies auch weiterhin. In Deutschland hat Industrie 4.0 de facto einen wichtigen Einfluss auf Smart Manufacturing Initiativen und es gibt die Zusammenarbeit unterschiedlicher Organisationen.

Darüber hinaus gibt es eine zunehmende Anzahl von Organisationen und Ländern, in denen Industrie 4.0 Einzug hält. Beispiele hierfür sind Großbritannien, USA, China, Japan und weitere zahlreichen EU-Initiativen. Allein die EU hat 2018 einen Blick auf die Pläne geworfen, die bereits 12 bestehenden und 9 kommenden nationalen Initiativen zur Transformation der Industrie aufeinander abzustimmen. Im Grunde genommen nutzen sie alle das Konzept der Industrie 4.0, ungeachtet ihrer vielen verschiedenen Namen.

Die globale Ausbreitung von Industrie 4.0 ist jedoch nicht nur eine Frage von Regierungsinitiativen oder Vereinbarungen. Sie ist auch das Ergebnis eines zunehmenden Fokus von Industriegiganten und führenden Beratungsunternehmen auf Industrie 4.0.

Von Gartner über Accenture bis hin zu PwC und McKinsey, sie alle sind stark in Industrie 4.0 involviert. Das Konsortium, das in 2016 gegründet wurde, um den Industrie 4.0 Maturity Index fertigzustellen, umfasst Forschungseinrichtungen und mehreren Industrieverbänden.

Erwartet wurden eine Reihe von Ankündigungen und Partnerschaften, um das Industrie 4.0 Konzept weltweit weiter voranzutreiben. Zu guter Letzt solltest du auch bedenken, dass wir nicht nur eine globale Ausbreitung von Industrie 4.0 sehen. Es gibt auch eine zunehmende Übernahme von Industrie 4.0-Prinzipien und -Technologien in vertikalen Märkten jenseits der Fertigung.

Industrial Data Space: Verknüpfung von IoT und Smart Services in der Industrie 4.0 und darüber hinaus

Verschiedene Forschungsorganisationen, allen voran das Fraunhofer Institut, und die Bundesregierung forcieren ein Referenzarchitekturmodell und virtuelles Konstrukt für den sicheren Datenaustausch auf Basis standardisierter Kommunikationsschnittstellen.

So viel sei gesagt: Der Industrial Data Space, der die Datenarchitektur für die Verbindung von Smart Services und IoT in einer Landschaft mit immer mehr Daten definieren soll, will ein globaler Standard werden.

Der Industrial Data Space fokussiert sich auf die Verbindung mehrerer bestehender Plattformen und will es Partnern ermöglichen, Daten für die digitale Transformation innerhalb eines klaren, vordefinierten Modells zu teilen. Wobei Datenhoheit und Datensicherheit zu den Hauptschwerpunkten gehören.

Der Industrial Data Space e.V. in Dortmund führt im Rahmen der Bewegung hin zu einem European Data Space Gespräche mit anderen Organisationen mit ähnlichen Architektur-Frameworks, Ländern außerhalb Deutschlands und der EU. Obwohl es einen wichtigen Fokus auf Industrie 4.0 gibt, erstreckt sich der Industrial Data Space auch über andere Branchen.

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