Industrie 4.0

Auf dem Weg zur nächsten industriellen Revolution




Dennis Pfisterer, Jörg Baumgart, Julian Reichwald

Agenda

  • Auswirkungen des technologischen Fortschritts
  • Neue Technologien
    • Internet der Dinge
    • Cyber Physical Systems (CPS)
    • Szenarien
  • Industrie 4.0 als Spezialfall von CPS
  • Aktuelle Aktivitäten der WI

Technologischer Fortschritt

  • Technologische Innovationen führten zu tiefgreifenden gesellschaftlichen Veränderungen
    • Industriezeitalter
    • Informationszeitalter
  • Technologien, die Menschen näher zusammengebracht haben
    • Massive Auswirkungen auf das gesamte Leben
    • Auf globaler Ebene
  • Industrie- und Informationszeitalter = ?
Image: andre_schneider_de: Rasender Roland
Image: Deutsche Bahn
Image: Daimler AG
Image: chip.de
Image: Jojhnjoy (modified)
Image: http://iphone-developers.com/

Status Quo

  • Das Internet ist allgegenwärtig
    • Geprägt durch menschliche Aktionen und Interaktionen
    • Bill Gates "Information at your fingertips 2005" (1995) ist Realität
  • Jeder Internetnutzer ist Konsument und Produzent
    • Wenig Ressourcen erforderlich (Infrastruktur, Wissen, Geld)
    • Interaktivität, Verknüpfung, Integration und Teilen von Inhalten
  • Tiefgreifende Veränderung vieler Lebensbereiche
    • Abschaffung menschlicher Mittler wie z.B. Verkäufer (Amazon), Schalterbeamte (Online Banking), Makler (Immoscout), Flohmärkte (eBay), Taxizentrale (Uber), ...
    • Digital Natives erwarten diese Interaktionsform von Unternehmen (und suchen Unternehmen, die diese bieten)

Das heutige Internet nutzt nur einen Bruchteil seines Potenzials

Es steht kurz vor einem großen Evolutionsschritt, dem "Internet der Dinge"

auch: Internet of Things (IoT), Cyber-Physical Systems (CPS), Ubiquitous Computing
Image: Fotolia

Internet of Things

  • Digitale Repräsentation realer "Dinge" im Internet
    • Zustand realer Umgebungen über Sensorik in Echtzeit verfügbar (Temperatur, Helligkeit, CO2, Bewegung, Luftfeuchte, ...)
    • Beeinflussung der realen durch die digitale Welt über Aktuatoren (Lichtschalter, Ampeln, Displays, ...)
  • IoT-Anwendungen integrieren den Nutzerkontext
    • Internet-Nutzung oft nicht direkt erkennbar
    • Anwendungen verschmelzen mit der Umgebung (M. Weiser, 91)
  • Konsequenzen
    • Individualisierte "Produktion" abhängig vom Nutzerkontext
    • Gravierende Konsequenzen für die Produktion von Gütern
    • Potenziell hohe Kundenbindung
Image: http://popupcity.net/36416

IoT-Szenarien

  • Smart City / Smart Mobility / Smart Logistics
    • CO2-Emmissionen reduzieren (Carbon Credits)
    • Intelligenter ÖPNV (dynamische Routen, Abrechnung)
    • Smart Parking / Park & Ride
    • Sicherheit (Predictive Policing, Smart Street Lights, ...)
  • Smart Grid / Smart Home / Smart Building
    • Komfort und Effizienz (Waschen wenn die Sonne scheint, automatische Haussteuerung, ...)
  • Smart Factory?
Background image: Chris Chabot (CC BY-NC 2.0)

Smart Factory / Industrie 4.0

Industrie 4.0 ➞ die vierte industrielle Revolution Image: Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI)

Industrie 3.0: Computer-integrated manufacturing (CIM)

    Zentrale Steuerung (oben ➞ unten)
    • Sensorik/Aktorik zentral gesteuert (SPS)
    • Auf Prozess- bzw. Betriebsleitebene überwacht (SCADA / MES)
  • Wenig Kommunikation von unten ➞ oben
    • Produktionsschritte meist starr konfiguriert
    • Kaum Austausch mit vor- und nachgelagerten Schritten
    • Geringe/keine Integration mit Unternehmens-IT (z.B. ERP)
ERP: Enterprise Resource Planing, SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition, MES: Manufacturing Execution System, SPS: Speicherprogrammierbare Steuerung

Industrie 4.0

  • Treibende Faktoren
    • Regionalisierte und individualisierte Produkte ➞ ökonomische Produktion einer Losgröße 1
    • Kürzere Produktlebenszyklen ➞ Beschleunigung von Innovations- und Entwicklungszeiten
    • Ressourcenverknappung / ökologische Aspekte ➞ nachhaltige Fertigung
    • Dezentrale Fertigung in flachen Organisationsstrukturen
  • Konsequenzen
    • Umgang mit Komplexität (Produkte und Produktionsprozesse) ➞ wesentlicher Wettbewerbsvorteil
    • Durch dezentrale Systeme können wir die Komplexität reduzieren (Prof. Wahlster, DFKI)

Evolution hin zum CPS-Netz

  • Dezentrale Architektur (teil-) autonomer Systeme
  • Dynamische Rekonfiguration elementare Anforderung
  • Betrachtung sämtlicher benötigter Objekte sowie vor- und nachgelagerter Prozessschritte

Industrie 4.0: Charakteristika

  • Direkte Verbindung zwischen physischer und digitaler Welt
    • Neue Funktionalitäten durch Informations-, Daten- und Funktionsintegration
    • Zugriff über Netze (ortsgebunden sowie internetweit)
  • Kontextualisierte Produktkompositionen
    • Problem: Adverse Selection: gut genug vs. optimal
      (Clement, Schreiber, 2013)
    • Zielsetzung: Mark Weisers "calm technology"
      (Computer for 21st Century, 1999)
    • Mensch definiert nur die Zielvorgabe für das System
  • Umfangreiche Interaktion mit anderen CPS
    • Autonomie, Adaptivität, Automatisierung
    • Zielvorgaben werden automatisiert ausgeführt

Industrie 4.0: Herausforderungen

  • Digitalisierung des Produkt- und Serviceangebots
    • Industrie 4.0 ermöglicht neue, oftmals disruptive digitale Geschäftsmodelle
    • Autonome horizontale Kooperation zur optimalen Erfüllung von Kundenwünschen
  • Deutschen Mittelstand Industrie 4.0-tauglich machen
    • Erschwingliche und verständliche Lösungskonzepte
    • Entwicklung von Schulungsmaßnahmen für Mitarbeiter
    • Transitionskonzepte für bestehende Anlagen
  • Sehr hohe Anforderungen an Sicherheit
    • Entwicklung von Handlungsempfehlungen zur Absicherung kritischer Infrastrukturen

Aktuelle Aktivitäten der WI

  • Webseite zu Industrie 4.0 (www.industrie-4-0.org)
  • Smart Production Mannheim
  • Industrie 4.0-Labor
    • Praktische Übungen (von Industrieanlage bis Geschäftsprozess)
    • Transitionsbausteine zur Überführung bestehender Anlagen
  • Im Netz der Dinge (02.07.15, Technoseum)
  • Geschäftsmodelle für das Internet der Dinge / Industrie 4.0
    • Promotionsthema von Frau Radonjic-Simic
www.industrie-4-0.org