INDUSTRIE 4.0 e - eKiosk GmbH
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WHITEPAPER INDUSTRIE 4.0 eKiosk. Digitalisierung in der Industrie get in touch. anytime. everywhere.
Was verbirgt sich hinter Industrie 4.0? Mit dem Begriff Industrie 4.0 wird Anlagen – nun erfolgt die intelligente die vierte industrielle Revolution Vernetzung. Bauteile kommunizieren bezeichnet. Die ersten Phasen der mithilfe von cyber-physischen Syste- Industrialisierung fokussierten sich men eigenständig mit der Produkti- im Wesentlichen auf Maschinen und onsanlage. mechanische Massenproduktion Automatisierung durch Cyber-physische Produktionsanlage mit und Elektrizität Elektronik und IT Systeme Wasser- und Dampfkraft 1.0 2.0 3.0 4.0 2
PROBLEME IN DER INDUSTRIELLEN PRODUKTION Made in Germany — das weltweit aner kannte Herkunftssiegel spiegelt die Pro duktionskraft Deutschlands wider. In der Exportweltspitze hat man sich selbstbe wusst durch Innovationen etabliert. Bei der Implementierung von Industrie 4.0 Technologien zeigt sich Deutschland je doch zurückhaltender. Laut des European Private Business Survey 2019 misst Deutschland digita len Anwendungen weniger Bedeutung bei als die europäischen Nachbarn. Weiterhin hat der deutsche Mittelstand im Vergleich zu den Großunternehmen Nachholbedarf in der digitalen Transfor mation. Angesichts dessen, dass die di gitale Umstellung schleppend voranläuft, gibt es eine Vielzahl von Problemfeldern, wo Ihnen die Digitalisierung helfen kann. 3
DATENCHAOS Das entsprechende Teil wird in der Regel nachbestellt, was den In- In der industriellen Produktion häu- standhaltungsprozess weiterhin fen sich eine Vielzahl von Daten an, verzögert. Im schlimmsten Fall ist z. B. Energieverbrauch- und Tem- das benötigte Teil nicht mehr vor- peraturdaten der Maschinen. Einen rätig oder wird nicht länger in Serie Ihrer Mitarbeiter diese Daten aus- produziert. werten zu lassen und auf Basis des- sen eine Entscheidung zu treffen, verlangt enorm viel Zeit. Außerdem LANGWIERIGE PLANUNG können hieraus Fehler resultieren, Wenn Ihre Firma wächst und mehr da die zuständige Person nicht fort- Produktionsfläche benötigt wird, laufend mit voller Konzentration ar- steht ein Um- bzw. Neubau an. beiten kann. Die Planung sowohl einer Produk- tions-, als auch einer Lager-, oder AUFWENDIGE Ausstellungshalle benötigt viel Zeit INSTANDHALTUNG und Ressourcen. Jede Halle muss Wenn Ihre Produktionsanlage auf die Nutzungsart zugeschnitten ausfällt und sich gerade kein Mit- sein, weshalb zahlreiche Anforde- arbeiter vor Ort befindet, um den rungen beachtet werden müssen. Schaden zu beheben, erscheint Einfache Lagerhallen erfüllen meist ein externer Techniker. Dabei han- keine großen Ansprüche im Hinblick delt es sich um eine kostspielige, auf den Wärmeschutz, wohingegen zeit- und arbeitsintensive Ange- Messehallen anderen Bedingungen legenheit. Bei einem irreparablen genügen müssen. Der Brandschutz Schaden eines Bauteils besteht spielt ebenfalls eine große Rolle und sofortiger Handlungsbedarf, damit muss umso umfassender berück- die Anlage schnellstmöglich wieder sichtigt werden, je mehr Publikums- reibungslos läuft. verkehr vorgesehen ist. 4
INDUSTRIE 4.0 ALS LÖSUNG Die angeführten Probleme in der Indust rie haben auffällige Parallelen: sämtliche Prozesse benötigen vermehrt Zeit, Ange stellte und Aufwand. All diese Ressourcen lassen sich durch Vernetzung von Maschi nen und Abläufen schonender einsetzen. 5
Einsatzbereiche von Industrie 4.0 anhand des Produktlebenszyklus Planung und Konstruktion durch Virtual Reality SEITE 7 Monitoring mit künstlicher Intel- PLANUNG UND ligenz ENTWICKLUNG SEITE 8 Individuelle Pro- Digitalisiertes duktion durch Recycling 3D-Druck SEITE 9 SEITE 12 RECYCLING PRODUKTION Die smarte Fabrik SEITE 9 Virtuelle Instandhalt- ung und Bedie- nung SEITE 10 AUSLIEFERUNG QUALITÄTS SICHERUNG Selbstor- Automati ganisierende sierte Qualitäts- Logistiksysteme kontrolle SEITE 12 SEITE 11 6
Planung und Konstruktion durch Virtual Reality Planungsprozesse können durch einzelner Hallenstandorte. Unter Einsatz von Industrie 4.0-Techno- Einsatz von moderner Sensorik ist logien beschleunigt werden. Der es möglich, sich im virtuellen Raum Computer erzeugt eine eigene Rea- zu bewegen. lität — die Virtual Reality. In dieser Nicht nur Hallenplaner, sondern virtuellen Welt sind sämtliche Ele- auch Ingenieure der Produktent- mente, von der Fördertechnik über wicklung profitieren von der virtuel- den Fertigungsroboter und Regale len Welt, indem sie Konstruktions- bis hin zu der exakten Breite von zeichnungen und 3D-Modelle intuitiv Durchgängen genauso abgebildet, erstellen und bearbeiten können wie sie später im wahren Leben wie- — Handgesten statt Tastatur und der zu finden sein würden. Die Pla- Maus. Außerdem ist es möglich, nung kann somit genauer durchge- den Produktionsprozess zu simu- führt werden, weil nicht nur die reine lieren, wodurch wichtige Parameter Hallenausstattung fokussiert wird, definiert werden können. sondern auch die Zugänglichkeit 7
Monitoring mit künstlicher Intelligenz Die Produktionshalle steht und die zesse untersuchen und nachbilden, Maschinenanlage ist in Betrieb. Nun um große Datenmengen zu verarbei- gilt es, die einzelnen Produktions- ten. Es lassen sich somit verschie- schritte durch Monitoring zu optimie- denste Vorhersagen treffen, die für ren. Dabei kann künstliche Intelligenz die Maschineninstandhaltung, An- wertvolle Arbeit verrichten. lagensteuerung oder -überwachung von Bedeutung sind. Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz, wird die Komplexität Starke künstliche Intelligenz geht ein von Datenbergen reduziert und Zu- Stück weiter und hat gleiche intellek- sammenhänge werden erkannt. tuelle Fertigkeiten wie Menschen. Sie Dabei kann zwischen „starker“ und soll nicht nur reaktiv, sondern intelli- „schwacher“ künstlicher Intelligenz gent, flexibel und aus eigenem An- unterschieden werden. Schwache KI trieb heraus agieren. umfasst Systeme, die kognitive Pro- 8
Individuelle Produktion Die smarte Fabrik durch 3D-Druck In modernen Fabriken werden be- richtigen Reihenfolge durch den Pro- reits Produkte und Teile nach Kun- duktionsprozess mit den einzelnen denwunsch gefertigt und dabei teil- Fertigungsschritten leitet. Die auf weise von künstlicher Intelligenz dem Chip hinterlegten Informatio- Die Produktion 4.0 baut nicht auf beitet mit Fasern aus unterschied- unterstützt. Die Smart Factory geht nen sorgen dafür, dass die Fertigung Quantität, sondern auf Individuali- lichsten Stoffen. Kunststoffe wie einen Schritt weiter: hier soll eine auf die richtige Art und Weise abläuft sierung. Additive Fertigung ist der PLA oder Polyamid, Metalle wie Produktionsumgebung geschaffen (z. B. Farbwahl oder Bauform einzel- Schlüssel zur disruptiven und kun- Aluminium oder Titan und weitere werden, worin sich Fertigungsanla- ner Teile). denzentrierten Produktion. Mittels Materialien wie Keramik oder Gips gen nahezu selbst organisieren. Der 3D-Druck werden aus digitalen können in beliebige Formen ge- Die einzelnen Bestandteile der Pro- Ausganspunkt der vollautomatisier- CAD-Dateien industrielle Teile direkt, druckt werden. Diese Vielseitigkeit duktion wie Werkzeuge, Maschinen ten Produktionskette ist ein Produkt, und wenn doch benötigt, in hoher verstärkt den Individualisierungsas- oder Lagerbehälter sind mit Senso- welches einen Chip enthält, auf dem Stückzahl produziert. Dabei wird kein pekt. Dieser zeichnet nicht nur die ren und Aktoren ausgerüstet. Sie ver- alle relevanten Produktionsdaten Werkzeug mehr benötigt. 3D-Drucktechnologie, sondern ein fügen sozusagen über Augen, Ohren, abgespeichert sind. Diese Daten Stück weit den ganzen Produktions- Hände und Füße, um eigenständig So variabel wie die Stückzahl ist sind maschinell lesbar, sodass die sektor 4.0 aus. zu arbeiten. auch die Materialwahl. 3D-Druck ar- Produktionsanlage das Teil in der 9
Virtuelle Instandhaltung und Bedienung Keine Produktionsanlage der Welt nen oder virtuelle Objekte ergänzen kann gänzlich ohne Ausfallzeiten ar- Live-Bilder oder -Videos, indem sie beiten. Die Herausforderung ist es, eingeblendet werden oder sich über- diese so minimal wie möglich durch lagern. unaufwändig gestaltete Instandhal- Es ergibt sich der große Vorteil, dass tung und Reparatur zu halten. Hier nicht nur die Wartung, sondern darü- kann eine Industrie 4.0 Applikation ber hinaus auch die Bedienung von helfen, indem die reale Welt durch eigenen Mitarbeitern ohne spezielle virtuelle Details erweitert wird. Fachkenntnisse durchgeführt wer- Augmented Reality (AR) und Mixed den kann. Anweisungen erscheinen Realtiy (MR) können dazu beitragen, auf Tablets oder direkt im Sichtfeld die Ausfallzeiten der Maschinen auf von sogenannten Smart-Glasses. ein Minimum zu reduzieren. Com- putergenerierte Zusatzinformatio- 10
Automatisierte Qualitätskontrolle Nach der Fertigung von Teilen und mationsflusses immer weiter in Assemblierung zu ganzen Pro- den Vordergrund. Denn mit einem dukten geht es wie gewohnt in gesicherten Informationstransfer die Qualitätssicherung. Sensoren kann die Qualitätskontrolle voll au- überprüfen Produkte auf sämtli- tomatisiert erfolgen. Damit dieser che Mängel bis ins kleinste Detail. stets gegeben ist, gilt es sogenann- Denn Qualität hat einen extrem ho- te Medienbrüche zu vermeiden. Sie hen Stellenwert und dies wird sich entstehen durch die Aufhebung der auch mit dem komplexen Vorhaben Trennung von analogen und digital Industrie 4.0 nicht ändern. Sind in strukturierten Daten. Dieser Medien- der heutigen Massenproduktion Ab- wechsel führt unter Umständen zur läufe im Vorfeld vom Menschen ge- Informationsverfälschung, was im plant und für den Produktionszeit- Qualitätsmanagement fatale Folgen raum festgelegt, werden sich diese haben kann. aufgrund der Individualisierung mit jedem Produkt wandeln. Neben der Qualitätssicherung der physischen Produkte und Prozes- se rückt die Sicherung des Infor- 11
Selbstorganisierende Digitalisiertes Recycling Logistiksysteme Das Produkt hat seine Nutzungspha- durch innovatives Informations- und se mit Inspektionen und Reparaturen Datenmanagement einen effektiven hinter sich und ist nun nicht mehr für Distributions- und Informations- den ordnungsgemäßen Gebrauch weg schaffen. Fragen nach dem Ur- tauglich. Die Verwertung der Materi- sprung, der Recyclingmethode oder alien erfolgt. der spezifischen Zusammensetzung des entsprechenden Stoffes können Nachdem die Produkte gemäß qua- halb die Automatisierung auch hier Die Digitalisierung durchdringt nicht an potentielle Wiederverwerter aus litativem Standard gefertigt worden einen großen Nutzen hat. Nicht nur nur die Entwicklung, Produktion und dem Industriesektor weitergeleitet sind, müssen diese ausgeliefert die Fertigung, sondern auch logisti- Nutzung, sondern auch das Recy- werden. Das bringt die Industrie dem werden. Als häufig genannte Quer- sche Aufträge werden eigenständig cling. Die digitale Transformation Ziel näher, eine effektive und kos- schnittsfunktion ist die Logistik ein erledigt. Dies erfolgt mithilfe von fah- wird als Wegbereiter zu einer um- tensparende Recyclingwirtschaft zu wichtiger Bestandteil im Produktle- rerlosen Transportfahrzeugen. fassenden und nachhaltigen Kreis- entwickeln. benszyklus der Industrie 4.0, wes- laufwirtschaft gesehen. Sie kann 12
WICHTIGE TECHNOLOGIEN Für jede industrielle Revolution muss eine wichtige Kerntechno logie den ganzen Prozess bestim men. In der ersten industriellen Revolution war es die Dampfkraft, bei der vierten ist es das Internet. Durch die tiefe Vernetzung von Maschinen und Abläufen wird die vollautomatisierte Produktions weise erst ermöglicht. Das Inter net repräsentiert somit das Fun dament für die Industrie 4.0. Darauf aufbauend wurden ver schiedene Technologien entwi ckelt, die den Weg in eine automa tisierte Zukunft ebnen sollen. Im folgenden werden diese Tech nologien vorgestellt und ihre Be deutung erläutert. 13
Internet of Things 5G Die Technologie, auf der Industrie Geräte und Maschinen verständi- Für eine störungsfreie und kabello- hohe Datenübertragungsraten von 4.0 basiert, nennt sich Internet of gen sich auch untereinander. Diese se Vernetzung zwischen sämtlichen bis zu einem Gigabit pro Sekunde Things (IOT). Durch das Internet Netzwerke und Systeme können Maschinen und Produktionskompo- erreicht werden. Durch die hohe Ge- der Dinge kommunizieren Geräte Daten aggregieren, überwachen und nenten wird eine schnellstmögliche schwindigkeit sind die Latenzzeiten mit dem Benutzer, indem sie ihn wichtige Informationen zur Steue- und stabile Internetverbindung benö- sehr gering, wodurch Reaktionszei- warnen, wenn bestimmte Ereignis- rung von Geschäftsprozessen und tigt. 5G steht für die fünfte Genera- ten fast in Echtzeit ermöglicht wer- se auftreten. Somit ist es möglich, -entscheidungen bereitstellen. tion drahtloser Breitbandtechnologie den. Der Datenverkehr läuft nicht Aktivitäten der Geräte von überall und verspricht im Vergleich zu aktu- mehr über kilometerlange Wege ins auf der Welt zu überwachen und zu ellen Standards 4G/LTE wesentliche nächste Rechenzentrum, sondern er- steuern. Verbesserungen. Es können extrem folgt an Ort und Stelle. 14
Blockchain Big Data Bei einer Smart Factory werden gro- Diese dezentrale und irreversible Die Verarbeitung von riesigen Da- Notwendigkeit, sondern es entstehen ße Datenberge angehäuft, die stän- Verwaltung von Transaktionsdaten tenmengen, die in der Industrie 4.0 auch völlig neue Möglichkeiten zur dig in Bewegung sind. Es werden wird Blockchain genannt. Sie kann angesammelt werden, nennt sich Steigerung der Produktionseffizienz. u. a. Besitz, Transport, bestimmte dazu beitragen, Prozesse zwischen Big Data. Diese auszuwerten und in Es kann rechtzeitig erkannt werden, Messwerte, Produkteigenschaften allen Beteiligten einer Wertschöp- Handlungsempfehlungen umzuwan- wenn Maschinen auszufallen dro- oder Vertragsinformationen un- fungskette weiter zu automatisieren. deln, ist Aufgabe von Big-Data-Analy- hen, um die Just-in-Time-Produktion umkehrbar und für alle transparent Produktionsmaschinen agieren im severfahren. Daten sind offensicht- weiter zu optimieren. Big Data bildet ausgetauscht. Diese kleinen Trans- Netzwerk mit einer eigenen Identität, lich wertlos, wenn sie nicht genutzt gewissermaßen die Grundlage einer aktionen werden Smart Contracts verkaufen ihre Dienstleistung und werden: Insofern sind spezielle Ana- intelligenten, automatisierten Beur- genannt und können kostengünstig wickeln die notwendigen Bestellpro- lyseverfahren für die Auswertung teilung von betrieblichen Abläufen. sowie automatisiert abgewickelt zesse für Materialien ab. Auf dieser riesiger Datenmengen nicht nur eine werden. Auch die einfache, sichere Technologie basieren z. B. auch und nachvollziehbare Protokollierung Kryptowährungen und Online-Be- von qualitätsrelevanten Produktions- zahlsysteme. daten spielt eine große Rolle. 15
Cyber Security Die Grundvoraussetzung, um In- dustrie 4.0 erfolgreich umzusetzen, ist der sichere und vertrauensvolle Umgang mit Daten. Der verlässliche Schutz der unternehmensübergrei- fenden Kommunikation vor Angrif- fen von außen muss gewährleistet werden. Wertschöpfungsnetzwerke können erst dann etabliert und ge- winnbringend genutzt werden, wenn die notwendigen Datenströme ein- deutigen und sicheren Identitäten zugeordnet sind. Für die IT-Security der Industrie 4.0 ist es wichtig, die „VIV“-Schutzziele des Datenaustauschs einzuhalten: Verfügbarkeit, Integrität und Ver- traulichkeit. Darüber hinaus gewinnt auch die Authentizität (Identifikation und Autorisierung eines Kommuni- kationspartners) in der Industrie 4.0 zunehmend an Bedeutung. 16
Wirtschaftliches Potenzial Die Implementierung von Industrie andere Länder schon erkannt haben. 4.0 Technologien ist zweifelsfrei mit Investitionen in Industrie 4.0 können Kosten verbunden. Jedoch verbirgt außerdem den oft zitierten Fachkräf- sich hinter der smarten Vernetzung temangel in Deutschland auffangen. von Maschinen ein unglaublich gro- ßes wirtschaftliches Potential, das 100 Mrd. € 64,1 Mrd. € zusätzliches volkswirt entgangenes Umsatzpotenzial schaftliches Wachstum durch im deutschen Mittelstand durch Industrie 4.0 bis 2025 den Fachkräftemangel 60% deutscher Familienunterneh 28% aus der gewerblichen Wirt men glauben, dass Digitali schaft haben die Digitalisierung sierung Auswirkungen auf ihr bereits strategisch in ihre Pla Geschäft hat nung eingebunden (2018) 17
DIGITAL SIGNAGE ALS SCHNITTSTELLE ZWISCHEN MENSCH UND MASCHINE Der Mensch soll nicht vollkommen durch selbstproduzierende und kommunizierende Maschinen ersetzt werden. Ein humanzent riertes Paradigma geht davon aus, dass alle automatisierbaren Vorgänge vollständig von ihnen übernommen werden. Der Mensch agiert sozusagen als Dirigent. Damit diese Entwicklung so eintreten kann, ist es wichtig, die Vernetzung zwischen Mensch und Maschine intelligent umzusetzen, indem man die User Experience attraktiv und intuitiv gestaltet. Davon profitiert auch ihr Unterneh men. i Bis 2025 werden 1,3 Millio nen Arbeitsplätze wegfallen, jedoch 2,1 Millionen neue entstehen. 18
Transparentere Produktion Einfach zugängliche Lagerdaten Um möglichst effizient produzieren Qualitätssicherung liefern Daten an Der Einsatz von Digital Signage Sie die Planungshoheit, wodurch zu können, ist es wichtig, einen tie- einen Server, der diese wiederum Modulen kann Ihren Mitarbeitern Sie schneller und effektiver auf un- fen Einblick in die Produktionskette an Bildschirme weiterleitet. Als Er- auf einen Blick Auskunft darüber erwartete Ereignisse und plötzliche zu bekommen. Fehler würde man gänzung zu mobilen Lösungen kön- geben, welche Ladungen sich gera- Veränderungen reagieren können. sofort erkennen und Gegenmaß- nen diese Daten auf Digital Signage de in der Abfertigung befinden, um nahmen ergreifen, um diese wieder Tafeln visualisiert werden, um den ggf. geeignete Mittel zur Entladung zu beheben. Die schnelle Erfassung Fertigungsprozess transparenter zu zur Verfügung stellen zu können. von Tendenzen bei Messungen an machen. Ebenfalls lassen sich inter- Zudem ist es möglich, ihnen Daten gezielten Stellen der Produktion ist ne Informationen Ihrer Intranet-Sei- zu Lagerbeständen oder Liefereng- dafür essentiell. Messstationen der te als RSS-Feed ausgeben. pässen zu übermitteln. So behalten 19
Gefahrenvorhersage durch Planung und Konstruktion Überwachung Mehr Durchblick in der Fabrik der Zu- le Abbilder physischer Bauteile oder kunft. Bei der Planung von Industrie- ganzer Maschinen, sogenannte Di- und Lagerhallen sind Digital Signage gital Twins, können auf hochauflö- Tafeln hilfreich. Diese stellen die vir- senden und widerstandsfähigen Dis- tuelle Realität detailgetreu und über- plays dargestellt werden. Dank der sichtlich dar. Mittels Touchgesten ist interaktiven Möglichkeit der digitalen In Industrieanlagen können, neben können durch Druck- und Tempera- es Ihren Angestellten möglich, ein- Be- und Überarbeitung dieser Ma- dem aktuellen Füllstand sowie der turänderungen reagieren/explodie- zelne virtuelle Elemente hinzuzufü- schinenabbilder, gehören kostspieli- Materialbefüllung, auch Betriebspa- ren und diese Gefahr sollte frühzeitig gen, zu bearbeiten oder zu löschen. ge Prototypen der Vergangenheit an. rameter von Tanks oder Silos auf für Ihre Mitarbeiter erkennbar ge- Stelen angezeigt werden. Dabei wird macht werden. Bei der Entwicklung von Bauteilen auch ein sicherheitstechnischer As- bringt Digital Signage in ähnlicher pekt beachtet. Manche Befüllungen Art und Weise einen Nutzen. Digita- 20
Wayfinding Um Mitarbeiter bei der Orientie- rung zu unterstützen, kann auf den Displays ein Lageplan wiedergege- ben werden. So können sie sich zu- rechtfinden, indem ihnen z. B. bei der Kommissionierung der richtige Weg zu einem bestimmten Hallen- bereich gezeigt wird. Damit wird vor allem neuen Mit- arbeitern der Einstieg erleichtert, da sie das Wegeleitsystem an die Hand nimmt. Wayfinding ist in der Industrie ein aktuelles Thema, da Lagerhallen, Fabriken und auch ganze Fabrik-, bzw. Industriege- lände zunehmend größer gebaut werden und genauere Wegeleitung dadurch mehr an Bedeutung ge- winnt. 21
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