INDUSTRIE 4.0
Das Projektkonsortium nutzt den Trend von Industrie 4.0, um bereits vorhandene Digitalkompetenzen im Markt herauszustellen. Durch Industrie 4.0 entstehen neue Anwendungsmöglichkeiten, die das Konsortium im Projekt KOMMUNAL 4.0 mitnutzen kann. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung von Industrie 4.0.
Erstmalig tauchte der Begriff Industrie 4.0 auf der Hannover Messe 2011 auf [1]. Er stellt das Kernthema auf der digitalen Agenda der Bundesregierung dar, welche im Zuge von Industrie 4.0 die Förderprogramme „Autonomik für Industrie 4.0“ sowie „Smart Service Welt“ ins Leben gerufen hat. Zur Unterstützung der Projekte werden vom BMWi rund 100 Mio. € als Fördergeld bereitgestellt [2]. Industrie 4.0 ist außerdem Bestandteil der High-Tech Strategie 2020 der Bundesregierung, welche zum Ziel hat, den Entwicklungsprozess Deutschlands hin zum Innovationsführer in Europa und der Welt, zu unterstützen [3].
Industrie 4.0 stellt eine Digitalisierungsoffensive im Hinblick auf Produktion, Produkte sowie der zugehörigen Geschäftsprozesse dar [4]. Innerhalb dieser Offensive ist es unumgänglich, dass sich die Branchengrenzen zwischen Maschinenbau und IT verschieben [5]. Aktuelle Informations- und Kommunikationstechnologien sowie die Produktionstechnik werden sich zu einer neuen Stufe der Wertschöpfung vereinigen [6]. Hier liegt auch das größte Potenzial von Industrie 4.0, nämlich der übergreifenden Vernetzung der Supply Chain sowie der damit zusammenhängenden Optimierungsmöglichkeiten [5]. Es wird ein Supply-Netzwerk ohne eine zentrale Steuerung entstehen. Dabei erfolgt die Integration von Kunden sowie Zulieferern über genormte Schnittstellen [8]. Eine Echtzeitsteuerung, die Verknüpfung von unterschiedlichen Prozessebenen sowie vollständige Transparenz und ständige Optimierung stehen bei Industrie 4.0 im Vordergrund [8].
Ziel von Industrie 4.0 ist u.a. die sog. „intelligente Fabrik“, auch „Smart Factory“ genannt [2]. Diese Fabrik besteht als Basis aus Cyber-Physischen Systemen (CPS). Bei diesen Systemen findet eine Verbindung zwischen realen (physischen) Prozessen und Objekten sowie informationsverarbeitenden (virtuellen) Prozessen und Objekten statt. Diese Verknüpfung baut auf über zum Teil globale, offene und ständig miteinander verbundene Informationsnetze auf [10]. Die realen Objekte (z.B. Automatisierungskomponenten) haben hierbei die Eigenschaft, intelligent, interagierend und selbst diagnosefähig zu sein. Unter virtuellen Objekten sind virtuelle Abbilder von z.B. Maschinen zu verstehen. Daten werden hierbei in einer Cloud gespeichert. Außerdem findet eine Verankerung von Diensten und Algorithmen statt [7].CPS sind seit dem Jahr 2000 vermehrt im Einsatz und sorgen für die Vernetzung der realen und virtuellen Welt. Dabei bieten sie vielerlei neue Möglichkeiten in Bezug auf Kunden- und Wertzentrierte Innovationen. Durch die intelligente internetgestützte Vernetzung von Objekten, Maschinen und Menschen mit Informations- und Kommunikationssystemen entsteht das sog. Internet der Dinge [5]. Um die gegenseitige Vernetzung zu gewährleisten, sind früher passive Produktionsbestandteile wie Maschinen, Transportmittel oder Werkzeuge in Industrie 4.0 mit Sensoren und Aktoren ausgestattet und werden über IT-Systeme zentral gesteuert [2]. Bei den großen Datenmengen, die von Maschinen und Sensoren gesammelt bzw. übermittelt werden, spricht man von Big Data. Durch die intelligente Auswertung dieser Daten können z.B. etwaige Maschinenausfälle vorhergesagt werden und ein Teileaustausch erfolgt zeitnah, bevor größerer Schaden entsteht (Predictive Maintenance) [9]. Mit Hilfe von digitalen Schnittstellen interagieren die vernetzten Einheiten wie Produktionsroboter, Fahrzeuge oder Transportbehälter eigenständig miteinander. Bei dieser Interaktion zwischen den Objekten spricht man auch von M2M (Machine-to-Machine), also die Kommunikation zwischen Maschinen [2]. Ein anderer Begriff, der in diesem Zusammenhang fällt, ist HMI (Human-Machine-Interface). Dieser beschreibt die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine.
Durch Industrie 4.0 soll die Effizienz in der Fertigung deutlich gesteigert werden. Dies wird vor allem auch durch eine hoch flexible Steuerung und Planung ermöglicht. Durch eine hoch flexible Infrastruktur innerhalb der Produktion sollen die Voraussetzungen für die Herstellung von individualisierten Produkten bei Losgröße eins geschaffen werden. Ziel ist die Produktion individueller Produkte zum Preis von Massenprodukten [4]. Mit einem individuellen, unternehmensübergreifendem Produktionsprozess ist außerdem auch ein automatisierter Materialeinkauf aufgrund der vorhandenen Produktdaten im Unternehmen möglich [8]. Im Zuge der Produktenindividualisierung muss der Kunde jedoch stärker in die Vorkaufphase, den Liefervorgang, die Sendungsnachverfolgung sowie den After-Sales-Bereich mit eingebunden werden [9].
Industrie 4.0 verändert aber auch das Arbeiten an sich. Eine stärkere bzw. intensivere Integration der Mitarbeiter an den Prozessen ist unumgänglich, um in der „Smarten Fabrik“ die Abläufe gezielt koordinieren zu können und schnell eigenverantwortlich Entscheidungen zu treffen [2]. Die Arbeit wird für die Mitarbeiter vor allem flexibler. Ein Mitarbeiter muss sich Maschinendaten nicht erst vor Ort einholen oder danach suchen. Er erhält die Daten in Echtzeit auf sein Smart Device (Handy, Tablet). Der wichtigste Aspekt ist, dass die Maschinen eigenständig Rückmeldung an den Mitarbeiter geben. Gewisse Wartungsarbeiten müssen nicht mehr vor Ort an der Maschine oder am Firmencomputer geschehen, sondern lassen sich aus der Ferne regeln [9]. Der Trend wird zu mehr gut qualifizierter als weniger zu körperlich belastender Tätigkeit gehen. Starre Arbeitsstrukturen werden flexibler, woraus eine leichtere Vereinbarkeit zwischen Arbeit und Leben resultiert [7]. Langfristig betrachtet wird in Industrie 4.0 auch die Chance gesehen, die Industriearbeitsplätze wieder zurück nach Deutschland zu bringen. Durch 30 fache Produktivitätssteigerung, so erhofft man sich, sollen Niedriglöhne keine Entscheidungsgrundlage für die Standortwahl mehr sein [2].
Folgende Rahmenbedingungen haben für Industrie 4.0 oberste Priorität: [5]
Schaffung von Marktakzeptanz
Politische Unterstützung
Klärung der Sicherheitsaspekte
IKT-Standards
Rechtssicherheit
Als größtes Risiko werden die hohen Investitionen gesehen, die das Unternehmen tätigen muss. Außerdem stellt das Umdenken in eine völlig neue Welt im Zuge von Industrie 4.0 im Unternehmen eine große Hürde dar. Bezogen auf die Bereiche Standardisierung sowie IT- und Rechtssicherheit fehlen Detailkonzepte bzw. Standardfestlegungen [5]. Gerade bei der IT-Sicherheit müssen die Systeme, welche über die Werksgrenzen hinaus vernetzt sind, nur speziellen ausgewählten Personen zugänglich sein und gegen Eingriffe von außen ausreichend geschützt werden [8].
Entwicklungen aus den Bereichen wie Internet der Dinge (IoT), IT-Sicherheit, Cloud Services, BigData, M2M (Machine to Machine) und SMART prägen hierbei das Förderprojekt. Im folgenden sind einige Begriffserläuterungen aufgeführt, die auch im Projekt KOMMUNAL 4.0 eine wichtige Rolle spielen.
ZENTRALE BEGRIFFE
Unter Digitalisierung versteht man allgemein die Aufbereitung von Informationen zur Verarbeitung oder Speicherung in einem digitaltechnischem System. Die Informationen liegen dabei in beliebiger analoger Form vor und werden dann, über mehrere Stufen, in ein digitales Signal umgewandelt, das nur aus diskreten Werten besteht. Digitalisierung bedeutet auch die Veränderung von Geschäftsmodellen durch die Verbesserung von Geschäftsprozessen aufgrund der Nutzung von Informations- und Kommunikationstechniken. Informations- und Kommunikationstechniken sollten in Unternehmen nicht als rein unterstützende Elemente der Unternehmensstrategie verstanden werden, sondern in Strategieplanung und -Umsetzung integriert sein. Die zu digitalisierende Größe kann alles sein, was mittels Sensoren messbar ist.
Das Projektkonsortium sieht die Digitalisierung als technische Voraussetzung für alles rund um KOMMUNAL 4.0.
Es geht bei der digitalen Transformation um Transformierung und Weiterentwicklung der Unternehmensprozesse, des Kundenerlebnisses und der Geschäftsmodelle. Sie befasst sich mit der Planung, Steuerung, Optimierung und Umsetzung der Wertschöpfungskette eines Unternehmens in der digitalen Ära. Im Zentrum steht die Identifikation von Auswirkungen der Digitalisierung auf bestehende Geschäftsmodelle, die Umsätze, Erlösströme und Differenzierungsmerkmale eines Unternehmens im Markt. Ganze Wertschöpfungsketten verändern sich. Nicht nur einzelne Funktionen und Unternehmensbereiche sind betroffen. Die nachhaltige Veränderung und Neuausrichtung von Kommunikation, Marketing, Vertrieb und Service sind essentiell.
Die digitale Transformation wird im Rahmen von KOMMUNAL 4.0 als Voraussetzung für einen kundenorientierten Service angesehen. In KOMMUNAL 4.0 wird sich die digitale Transformation auf die prozesstechnische Ebene beschränken. Die digitale Transformation wird Auswirkungen auf die Form der Arbeitsorganisation haben, die KOMMUNAL 4.0 mitgestaltet.
Vernetzung ist ein Begriff aus der Systemtheorie. Ein System besteht aus einzelnen Teilen, die durch Ursache-Wirkungs-Beziehungen und allgemeine und besondere Systemeigenschaften miteinander vielfältig verknüpft sind. Bildhaft spricht man daher von einem „Beziehungsnetz“.
Für KOMMUNAL 4.0 ist Vernetzung eine Grundüberzeugung. Durch IT und Automation schaffen wir in der Wasser- und Energiewirtschaft eine ganzheitliche Kommunikation aller Maschinen und Anlagen, um sie intelligent steuern zu können. Nicht digitale Daten aus Maschinen, organisatorischen Vorgängen (Finanzdaten), Bestelldaten sowie Verbrauchsdaten werden miteinander verknüpft. Auch Daten von Workflows werden z.B. mit einem Betriebsführungssystem wie KANiO verknüpft.
Das Internet der Dinge (Internet Of Things, IOT), soll die reale mit der digitalen Welt verknüpfen, den Menschen das Leben erleichtern. Im Internet der Dinge werden Objekte intelligent und können über das Internet untereinander Informationen austauschen. Ziel des Internet der Dinge ist es, die virtuelle mit der realen Welt zu vereinen.
KOMMUNAL 4.0 betrachtet das IoT als Synonym für die digitale Transformation und beschränkt sich auf den Begriff Industrie 4.0, wobei sich Industrie 4.0 auf die Wertschöpfungskette eines Unternehmens bezieht und IoT für das Projekt allumfassender ist und auch Geschäftsprozesse berücksichtigt.
LÖSUNGEN
Cyber-physische Systeme sind Systeme, bei denen informations- und softwaretechnische mit mechanischen bzw. elektronischen Komponenten verbunden sind, wobei Datentransfer und -austausch sowie Kontrolle bzw. Steuerung über ein Netzwerk wie das Internet in Echtzeit erfolgen. Wesentliche Bestandteile sind mobile und bewegliche Einrichtungen, Geräte und Maschinen, eingebettete Systeme und vernetzte Gegenstände. Sensoren registrieren und verarbeiten Daten aus der physikalischen Welt, Aktoren (Antriebselemente) wirken auf die physikalische Welt ein, sodass z.B. Weichen gestellt, Produktionsvorgänge begonnen, geändert und angehalten werden. Herausforderungen sind Standardisierung und Integration von Komponenten, Verifizierung von Systemen, Reduktion von Komplexität und Erhöhung der Sicherheit.
Innerhalb von KOMMUNAL 4.0 ist CPS kein unbekannter Begriff, da die HST Systemtechnik (Konsortialführer) schon lange solche Systeme benutzt, in dem sie die Maschinen mit Softwarekomponenten verknüpft (sog. Intelli). Der nächste Schritt ist nicht mehr eine lokale Datenablage, sondern die Datenhinterlgeung auf einer Cloud.
Wenn man über das Internet spricht, wird oftmals eine Wolke dargestellt und so entstand der Name Cloud (engl. Wolke). In der heutigen Zeit, wo immer höhere Bandbreiten für das Internet zur Verfügung stehen und die Verbindungsgeschwindigkeit kein Problem mehr darstellt, ist es ein weiterer logischer Schritt, immer mehr Dienste vom lokalen Rechner bzw. ganze Server-Infrastrukturen in diese Wolke zu verlagern. Beim Cloud-Computing mietet der Kunde, statt einen physikalischen Serverraum im Unternehmen zu betreiben, entweder eine oder mehrere Infrastrukturen, die je nach Umfang seiner Bedürfnisse mit mehr oder weniger Speicher und Prozessorleistung ausgestattet werden kann, oder auch nur für ihn zugeschnittene Softwarelösungen bereitstellt.
Für das Projekt KOMMUNAL 4.0 bedeutet das, dass Softwarelösungen, die früher auf lokalen Servern liefern, nun in einer Cloud aufbewahrt werden. Daten gehen direkt von Cyber-Physischen-Systemen in die Cloud (Datenbank), wodurch Rechner und Lizenzen entfallen.
Die Cloud definiert sich in 3 Ebenen. Die mittlere Ebene ist PaaS (Platform as a Service). Als Platform as a Service (PaaS) bezeichnet man also eine Dienstleistung, die in der Cloud eine Computer-Plattform für Entwickler von Webanwendungen zur Verfügung stellt. Dabei kann es sich sowohl um schnell einsetzbare Laufzeitumgebungen (typischerweise für Webanwendungen) aber auch um Enwicklungsumgebungen handeln, die mit geringem administrativen Aufwand und ohne Anschaffung der darunterliegenden Hardware und Software genutzt werden können. Sie unterstützen den gesamten Software-Lebenszyklus vom Design über die Entwicklung, den Test, die Auslieferung bis hin zum Betrieb der Webanwendungen über das Internet. Aus Anwendersicht bildet sich ein virtueller Marktplatz, wo sich Anwender und Anbieter in einer Cloud treffen.
KOMMUNAL 4.0 stellt zukünftig eine eigene Serviceplattform bereit. Anbieter schieben hierbei ihre Daten und Anwendungen auf die Plattform. Diese Daten werden dann verarbeitet und dem Kunden werden Lösungen angeboten, die beispielsweise in Form von Berichterstattungen oder Reportings erfolgen.
Smart City: Mit dem Begriff „Smart City“ wird das Ziel einer neuen integrierten Stadtentwicklung bezeichnet, die aktuelle technische und soziale Innovationen miteinander verknüpft. Durch moderne, dezentrale Informations- und Kommunikationstechnologien sollen Infrastrukturen untereinander vernetzt werden, um „intelligenter“ und effizienter als bisher zusammenzuwirken.
Smart Factory: Smart Factory („intelligente Fabrik“) gehört zur Hightech-Strategie der deutschen Bundesregierung als Teil des Zukunftsprojekts Industrie 4.0. Er bezeichnet die Vision einer Produktionsumgebung, in der sich Fertigungsanlagen und Logistiksysteme ohne menschliche Eingriffe weitgehend selbst organisieren. Technische Grundlage sind cyber-physische Systeme, welche mit Hilfe des Internets der Dinge miteinander kommunizieren.
Innerhalb von KOMMUNAL 4.0 bedeutet „Smart“, Maschinen mit Intelligenz auszustatten.
Die Machine to Machine-Kommunikation (M2M) bezieht sich auf die unmittelbare Kommunikation und den automatisierten Informationsaustausch zwischen zwei beliebigen Geräten. Da ist die Erfassung der Daten über Sensoren bzw. die Umsetzung über Aktoren zu nennen, die in drahtlosen Sensornetzwerken (WSN) miteinander verbunden sein können, die Datenendpunkte für die Sensor- und Aktornetzwerke, die Backend-Server, die alle Daten aggregieren, das Datennetzwerk und die Steuerungskomponenten. M2M-Lösungen können in jedem Wirtschaftszweig Arbeitsabläufe rationalisieren und zu Produktivitätssteigerungen führen.
Im Projekt KOMMUNAL 4.0 nutzt die HST Systemtechnik (Konsortialführer) bereits M2M Lösungen im Bereich Telematic.
Es geht bei der Disruption um das Hinterfragen klassischer Prozessstufen. Ineffiziente Stufen sollten radikal ausgeschaltet werden. Das Innovations-Vakuum etablierter Finanzdienstleister ist konstruktiv zu reflektieren, gegebenenfalls auszuschalten. Weil etablierte Unternehmen, sofern sie noch zu den Marktführern in ihrem Segment gehören, zu sehr auf die Bedürfnisse ihrer Stammkunden achten, fehlt ihnen der Blick für revolutionäre Neuerungen.
Im Rahmen von KOMMUNAL 4.0 werden nur vereinzelt disruptive Lösungen erwartet, da die Möglichkeiten aufgrund verwaltungstechnischer Strukturen begrenzt sind. Im Planungsbereich hingegen werden Änderungen erwartet, die disruptiv sein könnten.
HERAUSFORDERUNGEN
Cybersicherheit
Angriffe auf Informationsinfrastrukturen sind in den letzten Jahren immer zahlreicher und komplexer geworden.; gleichzeitig ist eine zunehmende Professionalisierung zu verzeichnen. Dabei nehmen die Angriffe zu und nicht ab. Cyber-Sicherheit erweitert somit das Portfolio der klassischen IT-Sicherheit (engl. IT-Security) auf das gesamte Spektrum des Cyber-Raums. Diese umfasst sämtliche mit dem Internet und sonstige vergleichbare Netze mit der vorhandenen und verbundenen Informations- und Kommunikationstechnik und schließt darauf basierende Kommunikation, Anwendungen, Prozesse und verarbeitete Informationen mit ein, insbesondere auch mobile Kommunikation.
Für die Branche, die KOMMUNAL 4.0 betrifft, gibt es eine besondere Situation aufgrund des IT-Sicherheitsgesetzes, das die Kunden beachten müssen, da sie zur kritischen Infrastruktur gehören. Somit gibt es andere Anforderungen als im Bereich der Industrie.
Usability
Usability beschreibt die Fähigkeit eines technischen Systems, sich durch eine einfache und intuitive Bedienung an die Bedürfnisse der Nutzer anzupassen. Je einfacher und leichter ein Nutzer seine persönlichen Ziele mit einem digitalen Produkt erreichen kann, desto höher ist die Usability und desto höher ist auch die Zufriedenstellung des Nutzers. Usability bezeichnet also die Qualität der Nutzung, die der User bei der Interaktion mit einem System erlebt.
In KOMMUNAL 4.0 wird Usability als eine Grundvoraussetzung für die entstehende Plattform gesehen. Somit ist die Beachtung der Anforderungen an Usability für das Projekt entscheidend.
BIG DATA
Big Data (von englisch big „groß“ und data „Daten“) bezeichnet Datenmengen, die zu groß oder zu komplex sind oder sich zu schnell ändern, um sie mit händischen und klassischen Methoden der Datenverarbeitung auszuwerten. Der traditionellere Begriff im Deutschen ist Massendaten. Der Begriff „Big Data“ unterliegt als Schlagwort derzeit einem kontinuierlichen Wandel; so wird mit Big Data ergänzend auch oft der Komplex der Technologien beschrieben, die zum Sammeln und Auswerten dieser Datenmengen verwendet werden. Bis Data ist somit auch ein Synonym für den intelligenten Umgang mit großen und gleichzeitig heterogenen Datenmengen. Besonders im Rahmen von Big Data wird oft von Predictive Maintenance gesprochen. Hierbei geht es um intelligente Datenauswertung zur vorausschauenden Maschinenzustandsüberwachung (z.B. wann ermüdet ein Werkzeug und muss ausgetauscht werden) und damit einhergehend auch der Wartungsoptimierung von Maschinen.
Business Intelligence ist der generelle Ausdruck für die Identifizierung, Herkunft und Analyse der Daten in elektronischer Form. Durch BI sollen mit den neugewonnenen Erkenntnissen bessere operative und strategische Entscheidungen ermöglicht werden. Die Datenanalyse erfolgt beim BI innerhalb einer Datenbasis, dem sog. Data-Warehouse.
Data Analytics ist ein Stück Software, mit dem Informationen aus einem Datensatz gezogen werden. Das Ergebnis kann ein Report, ein Status oder eine Aktion sein, die automatisch gestartet wird.