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Wirtschaft und Wissenschaft
Forschungsunion
UmsetzUngsempfehlUngen für das zUkUnftsprojekt IndUstrIe 4.0
Deutschlands Zukunft als Produktionsstandort sichern
promotorengruppe kommUnIkatIon
prof. dr. henning kagermann,acatech(SprecherderPromotorengruppe)
prof. dr. Wolfgang Wahlster,DFKI
dr. johannes helbig,DeutschePostDHL
Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0
Vorabversion
Berlin 2. Oktober 2012
4 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
Impressum
herausgeber
PromotorengruppeKommunikationderForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft:
Prof.Dr.HenningKagermann,
acatechDeutscheAkademiederTechnikwissenschaftene.V.(SprecherderPromotorenguppe)
Prof.Dr.WolfgangWahlster,
DeutschesForschungszentrumfürKünstlicheIntelligenzGmbH
Dr.JohannesHelbig,
DeutschePostAG
redaktion
ArianeHellinger,M.A.,
acatech-DeutscheAkademiederTechnikwissenschaftene.V.
lektorat
LindaTönskötter,M.A.
acatech-DeutscheAkademiederTechnikwissenschaftene.V.
layout & satz
spiegelgrafik.com
grafiken
heilmeyerundsernau.com
isotype.com
kontakt
StifterverbandfürdieDeutscheWissenschaft,
UlrikeFindeklee,M.A.
Tel.:030/322982507
E-Mail:[email protected]
Vertrieb
BüroderForschungsunionimStifterverbandfürdieDeutscheWissenschafte.V.
PariserPlatz6,10117Berlin
E-Mail:[email protected]
ImInternetunterwww.forschungsunion.de
Erscheinungstermin:Oktober2012
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seinerTeileurheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dieüberdieengenGrenzendes
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keineGewährübernommen.
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Wirtschaft und Wissenschaft
Forschungsunion
UmsetzUngsempfehlUngen für das zUkUnftsprojekt IndUstrIe 4.0
Deutschlands Zukunft als Produktionsstandort sichern
promotorengruppe kommUnIkatIon
prof. dr. henning kagermann,acatech(SprecherderPromotorengruppe)
prof. dr. Wolfgang Wahlster,DFKI
dr. johannes helbig,DeutschePostDHL
Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0
Vorabversion
Berlin2.Oktober2012
2 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
ExEcutIVE SummAry
DeutschlandistspezialisiertaufdieErforschung,EntwicklungundFertigungvonProduktionstechnologienundderführendeFabrikausrüsterderWelt.AuchimeigenenLandsetzendieDeutschenkonsequentaufihreIndustrieproduktionundinno-vativeTechnologien.SobildetdasproduzierendeGewerbemiteinemHandelsüberschussvonmehrals100MilliardenEuroimJahr2011dasRückgratderdeutschenWirtschaft.
DerglobaleWettbewerbinderProduktionstechniknimmtzu.KonkurrentenausAsiensetzendieheimischeIndustrieunterDruck.ZugleichwirddieindustrielleProduktionimmerdynami-scherundkomplexer.InZukunftmussdieIndustriezunehmendindividuelle,leistungsfähigereProduktezugleichbleibendenPreisenfertigen,umdenverändertenAnsprüchendesMarkteszugenügen.
NebendiesenwirtschaftlichenundgesellschaftlichenHeraus-forderungensiehtsichdiedeutscheIndustrieproduktionaucheinemtechnischenMeilensteingegenüber:SiestehtvoreinerviertenindustriellenRevolution,diedurchdasInternet der dinge und diensteinGanggesetztwurde,alsoautonomeein-gebetteteSysteme,diedrahtlosuntereinanderundmitdemInternetvernetztsind.InderProduktionentstehensogenannteCyber-Physical Production Systems (CPPS)mitintelligentenMaschinen,LagersystemenundBetriebsmitteln,dieeigenständigInformationenaustauschen,Aktionenauslösenundsichgegen-seitigselbstständigsteuern.SiekönnenindustrielleProzesseinderProduktion,demEngineering,derMaterialverwendungsowiedesLieferketten-undLebenszyklusmanagementsenormverbessern.
CPPSschaffenSmart Factories,derInbegriffdesZukunftspro-jekts Industrie 4.0.InderSmart Factory herrschteinevölligneueProduktionslogik:DieProduktesindeindeutigidentifizier-bar,jederzeitlokalisierbarundkennenihreHistorie,denaktuellenZustandsowiealternativeWegezumZielzustand.Dieeingebette-tenProduktionssystemesindvertikalmitbetriebswirtschaftlichenProzesseninFabrikenundUnternehmenvernetztundhorizontalzuverteilten,inEchtzeitsteuerbarenWertschöpfungsnetzwerkenverknüpft–vonderBestellungbiszurLieferung.Gleichzeitiger-möglichenunderfordernsieeindurchgängigesEngineeringüberdengesamtenLebenszykluseinesProduktseinschließlichseinesProduktionssystemshinweg.
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SummAry
ImMittelpunktderIndustrie4.0stehtderMensch(Beschäftigte,Management,Zulieferer,Kunden),derseineFähigkeitenmittelstechnischerUnterstützungerweitertundsoinderSmart Factoryzum„kreativenSchöpfer“undvomreinen„Bediener“zumSteu-erndenundRegulierendenwird.DieneueProduktionerforderteineBeherrschungderzunehmendenKomplexitätundeinhohesMaßanselbstverantwortlicherAutonomieunddezentraleFüh-rungs-undSteuerungsformensowieeineneue,kollaborativeArbeitsorganisation.
Industrie 4.0 adressiert alle großen herausforderungen–dieWettbewerbsfähigkeitunseresHochlohn-Standorts,dieSchaffungvonRessourcen-undEnergieeffizienz,dendemo-grafischenWandelunddieFragederurbanenProduktion.
WillDeutschlandseineFührungspositioninderProduktionstech-nikhaltenundausbauen,istaufgrunddesengenZeitfensterseineschnelleReaktionderBeteiligtenausPolitik,Wissenschaft,Wirtschaft,GewerkschaftenundZivilgesellschaftgeboten.
DieEinführungvonCPPSistnotwendig,umdieZukunftsfähigkeitdesdeutschenProduktionsstandorteszusichernundArbeits-plätzezuerhalten.DiedeutscheIndustriehatdamitdieChance,alsErstedasInternetderDingeundDienstefüreineviertein-dustrielleRevolutionzunutzenunddieChancenintelligenterPro-duktionssystemeauszuschöpfen.DieSmart FactorybeherrschtKomplexität,istwenigerstöranfälligundsteigertdieEffizienzderProduktion.SiebietetaufhöchstemProduktivitäts-undQua-litätsniveaueinesignifikanthöhereFlexibilitätundRobustheitbeioptimalemRessourceneinsatz.
DamitdieTransformationderindustriellenProduktionhinzurIndustrie4.0gelingt,sollteDeutschlandeinedualeStrategieverfolgen:DiedeutscheAusrüsterindustriesollweiterhinführendaufdemWeltmarktbleiben,indemsiezumLeitanbieterfürintelligenteProduktionstechnologienwird.Gleichzeitiggiltes,neueLeitmärktefürCPPSzugestaltenundzubedienen.UmdieseZielederdualenCPPS-Strategiezuerreichen,sindfolgendeCharakteristikaderIndustrie4.0verwirklichen:
• horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke• Vertikale Integration und vernetzte produktionssysteme• durchgängigkeit des engineerings über den gesamten
lebenszyklus
DerWegzurIndustrie4.0erfordertinDeutschlandeinigeAnstrengungeninForschungundEntwicklung.UmdiedualeStrategieumsetzenzukönnen,besteht forschungsbedarfzuderhorizontalenundvertikalenIntegrationvonProduktions-systemensowiezurDurchgängigkeitdesEngineerings.DarüberhinaussinddieBeschäftigtenundAkteure(Kunden,Zulieferer,etc.)inKooperationmitIndustrie4.0-SystemenindenFOKUSzunehmenundessindTechnologienzuCPPSweiterzuentwickeln.
MitderFortentwicklungvonCPPSsindnichtnurtechnische,methodischeundfachlicheHerausforderungenfürForschungundEntwicklungverbunden.DasEntsteheneinerIndustrie4.0hatauch auswirkungen auf die Wirtschaft und die gesell-schaft,dieindieneuenSystemeeingebundenist.SomussDeutschlandbranchenübergreifendgemeinsameNormenundStandardssowiegeeigneteReferenzarchitekturenanstrebenundeinebestehendeInfrastrukturfürInformations-,Produktions-undKommunikationstechnikanpassenundmodernisieren.Esgilt,SicherheitsaspektezubeachtenundKnow-how zuschützen.GleichzeitigisteineinnovativebetrieblicheArbeitsorganisationsowiedieQualifizierungundAus-undWeiterbildungderBeschäf-tigtenerforderlich.NursokannDeutschlandseineMarktpositionbeiinnovativenProduktionssystemenfestigenunddieChancenderIndustrie4.0fürdeneigenenWirtschaftsstandortnutzen.
4 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
DievorliegendenUmsetzungsempfehlungensindderAbschluss-berichtdesimJanuar2012eingesetztenArbeitskreisesIndustrie4.0unterVorsitzvonDr.SiegfriedDais(Robert-BoschGmbH)undProf.HenningKagermann(acatech–DeutscheAkademiederTechnikwissenschaften).DerArbeitskreiswurdedurchdiePromotorengruppeKOMMUNIKATIONderForschungsunionWirt-schaft-Wissenschaft(FU)Ende2011initiiertunddientderErar-beitungweiterführenderstrategischerUmsetzungsempfehlungenfürdasZukunftsprojektIndustrie4.0.
AlsZukunftsprojektderHightechStrategiederBundesregierungwurdeIndustrie4.0ausderPerspektivederInformations-undKommunikationstechnologien(Informatik)konzipiertundunterEinbeziehungderProduktionsforschungsowiederAnwender-Industrienweiterentwickelt.NaturgemäßergebensichausderBetrachtungsweiseandererDisziplinenauchandereAkzenteundSchwerpunktefüreinThema;dieFragederDeutungshoheitsolltejedochdengemeinsamenKonsenszurRelevanzdesThemasnichtüberlagern.DasvorliegendeDokumentverstehtsichdahernichtals„derWeisheitletzterSchluss“,sondernalskonstruktiverDiskussionsbeitragzueinemZukunftsthema,dasvonbranchen-unddisziplinübergreifenderBedeutungfürdenWirtschaftsstand-ortDeutschlandist.
DiePromotorenderForschungsgruppeKOMMUNIKATIONdan-keninsbesondereHerrnDr.SiegfriedDaisunddenAG-SprechernsowieallenMitgliederndesArbeitskreises,demRedaktionsteamundallenweiterenAutorenfürihrEngagement,ihreBeiträgeso-wiediewichtigenAnregungenundKommentare.
HIntErgrunD unD DAnkSAgung
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mItglIeder des arbeItskreIses | aUtoren
VorsitzendeDr.SiegfriedDais,Robert-BoschGmbHProf.Dr.HenningKagermann,acatech
ag-sprecherAG1–DieSmart Factory|Dr.ManfredWittenstein,
WITTENSTEINAGAG2–DasrealeUmfeld|Prof.Dr.SiegfriedRusswurm,
SiemensAGAG3–DaswirtschaftlicheUmfeld|Dr.StephanFischer,
SAPAGAG4–MenschundArbeit|Prof.Dr.WolfgangWahlster,DFKIAG5–DerFaktorTechnologie|Dr.HeinzDerenbach,
BoschSoftwareInnovationsGmbH
mitglieder aus der WirtschaftDr.ReinholdAchatz,ThyssenKruppAGDr.HeinrichArnold,DeutscheTelekomAGDr.KlausDräger,BMWAGDr.JohannesHelbig,DeutschePostDHLAGDr.WolframJost,SoftwareAGDr.PeterLeibinger,TRUMPFGmbH&Co.KGDr.ThomasWeber,DaimlerAGDr.ReinhardPloss,InfineonTechnologiesAGVolkerSmid,Hewlett-PackardGmbHDr.ChristianZeidler,ABBLtd.
mitglieder aus der WissenschaftProf.Dr.ReinerAnderl,TUDarmstadtProf.Dr.ThomasBauernhansl,FraunhoferIPAProf.Dr.MichaelBeigl,KITProf.Dr.ManfredBroy,TUMünchenProf.Dr.WernerDamm,UniversitätOldenburg/OffisProf.Dr.JürgenGausemeier,UniversitätPaderbornProf.Dr.OttheinHerzog,JacobsUniversitätBremenProf.Dr.FritzKlocke,RWTHAachen/WZLProf.Dr.GuntherReinhart,TUMünchenProf.Dr.BerndScholz-Reiter,UniversitätBremen/BIBA
forschungsunion & VerbändeDr.KarstenOttenberg,Giesecke&DevrientGmbHProf.Dr.GiselaLanza,WBK,KITIngridSehrbrock,DGBProf.DieterKempf,BITKOMRainerGlatz,VDMADr.BernhardDiegner,ZVEIProf.Dr.AugustWilhelmScheer,ScheerGroupProf.Dr.DieterSpath,FraunhoferIAODieterSchweer,BDI
gästeProf.Dr.Wolf-DieterLukas,BMBFDr.ClemensZielonka,BMBFDr.AndreasGoerdeler,BMWiDr.AlexanderTettenborn,BMWi
autoren-kernteam MathiasAnbuhl,DGBKlausBauer,TRUMPFWerkzeugmaschinenGmbH&Co.KGDr.DietmarDengler,DFKIJohannesDiemer,Hewlett-PackardGmbHDr.BernhardDiegner,ZVEIWolfgangDorst,BITKOMDr.StefanFerber,BoschSoftwareInnovationsGmbHRainerGlatz,VDMADr.WernerHerfs,RWTHAachen/WZLMarionHorstmann,SiemensAGDr.ThomasKaufmann,InfineonTechnologiesAGProf.Dr.UweKubach,SAPAGDr.ConstanzeKurz,IGMetallDr.AlassaneNdiaye,DFKIStevenPeters,WBK,KIT
Weitere autoren aus den agsVinayAggarwal,DeutscheTelekomAGDirkHilgenberg,BMWAGDr.GerhardHammann,TRUMPFWerkzeugmaschinenGmbH+Co.KGAndreasHaubelt,TRUMPFWerkzeugmaschinenGmbH+Co.KGDr.GünterHörcher,Fraunhofer-InstitutIPAUlrichDoll,HomagHolzbearbeitungssystemeGmbHBerndKärcher,FestoAG&Co.KGJörnLehmann,VFIDr.UlrichLöwen,SiemensAGDr.DetlefPauly,SiemensAGTobiasPhilipp,IWBDr.Heinz-JürgenProkop,TRUMPFWerkzeugmaschinenGmbH&Co.KGMichaelWetzel,DaimlerAG
redaktion und koordinationArianeHellinger,acatechUdo-MartinGómez,Robert-BoschGmbH
HIntErgrunD unD DAnkSAgung
6 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
Inhalt
1. DAS ZukunftSPrOjEkt InDuStrIE 4.0 – DEutScHlAnD AlS wEttBEwErBSfäHIgEn PrODuktIOnSStAnDOrt SIcHErn............ 8
2. InDuStrIE 4.0 – DIE VIErtE InDuStrIEllE rEVOlutIOn gEStAltEn....................................10
2.1 Innovationsprozesseforcieren,Wertschöpfungerhalten,Beschäftigteeinbeziehen................ 11
2.2 KernelementderIndustrie4.0–dieSmart Factory................................................................................12
2.2.1Use CasesundübergeordneteMerkmalezuIndustrie4.0.......................................................15
2.3 TechniktrendInternetderDingeundDienste–ChancenundHerausforderungen...................18
2.4 DieVisionIndustrie4.0alsTeileinerintelligenten,vernetztenWelt...............................................20
3. DuAlE StrAtEgIE: lEItmArkt unD lEItAnBIEtErScHAft.........................................................22
3.1 Leitanbieterperspektive....................................................................................................................................22
3.2 Leitmarktperspektive.........................................................................................................................................23
3.3 DiedualeStrategie(CPPSStrategie)undihrekennzeichnendenMerkmale................................24
3.3.1HorizontaleIntegrationüberWertschöpfungsnetzwerke.........................................................25
3.3.2VertikaleIntegrationundvernetzteProduktionssysteme........................................................25
3.3.3Durchgängigkeitdes EngineeringsüberdengesamtenLebenszyklus.................................26
4. wO lIEgt DEr fOrScHungSBEDArf?...................................................................................................27
4.1 LeitlinienundStrukturderHandlungsempfehlungen............................................................................27
4.1.1Clustering derHandlungsempfehlungen..........................................................................................27. 4.1.2Motivationfürdiemittel-bislangfristigeForschunginIndustrie4.0...................................28
4.2 KonsolidierteForschungsempfehlungen....................................................................................................29
4.2.1HorizontaleIntegrationüberWertschöpfungsnetzwerke..........................................................29
4.2.2VertikaleIntegrationundvernetzteProduktionssysteme........................................................31
4.2.3Durchgängigkeitdes EngineeringsüberdengesamtenLebenszyklus.................................32
4.2.4MenschundArbeitinderKooperationmitIndustrie4.0-Systemen....................................35
4.2.5TechnologieCyber Physical Production Systems(CPPS)...........................................................38
5. HAnDlungSfElDEr unD VOrläufIgE umSEtZungSEmPfEHlungEn............................ 42
5.1 NormenundStandards.....................................................................................................................................42
5.1.1UmsetzungswegezurStandardisierungeröffnen.........................................................................42
5.1.2ReferenzarchitekturIndustrie4.0alsErfolgsinfrastrukturderZukunft...............................43
5.2 RevolutionderIKTinderFertigung–eineInfrastrukturfürInformations-, Produktions-undKommunikationstechnik................................................................................................44
5.2.1.VorhandeneBasistechnologien.........................................................................................................46
5.2.2AusbauBreitband-InfrastrukturfürIndustrie4.0........................................................................47
5.3 Security..................................................................................................................................................................48
5.3.1BedrohungenfürindustrielleSysteme.............................................................................................48
5.3.2Security-Handlungsfelder.....................................................................................................................49
5.3.3ProduktpiraterieundKnow-How-Schutz........................................................................................49
5.3.4Datenschutz..............................................................................................................................................50
7
5.4 Mensch-MaschineInteraktion(MMI)– BetrieblicheArbeitsorganisationundArbeitsgestaltung......................................................................50
5.5 Mensch-MaschineInteraktion–QualifizierungundAus-undWeiterbildung...............................53
5.6 RechtlicheRahmenbedingungen...................................................................................................................54
5.7 VorläufigeUmsetzungsempfehlungenfürdiedualeStrategie............................................................54
1.EntwicklungvonTechnologie-RoadmapsundKoordination...........................................................54
2.FörderungderkonsolidiertenForschungsempfehlungen................................................................54
3.WeiterbildungundQualifikation...............................................................................................................54
4.Internationalisierung.....................................................................................................................................55
5.EinrichtungvonIndustrie4.0Kompetenzzentren..............................................................................55
6.AufbaueinerIndustrie4.0-Community..................................................................................................55
7.AufbauvonDemonstrationsfabriken.......................................................................................................55
6. wO StEHEn wIr Im IntErnAtIOnAlEn VErglEIcH?......................................................................56
7. AuSBlIck AB 2013 – wISSEnStrAnSfEr & Community-Building Auf DEr „PlAttfOrm InDuStrIE 4.0“..................................................................................................57
A. AnHAng................................................................................................................................................................59
A1:DieUse Cases Industrie4.0..................................................................................................................59
Use Case 1:ResilienteFabrik(QuelleFesto)..................................................................................60
Use Case 2:TechnologiedatenMarktplatz(QuelleTRUMPF)...................................................61
Use Case 3:IntelligentesInstandhaltungsmanagement(Quellewbk)..................................62
Use Case 4:VernetzteProduktion(Quelleiwb)............................................................................63
Use Case 5:SelbstorganisierendeadaptiveLogistik(QuelleDaimler).................................64
Use Case 6:KundenintegriertesEngineering(QuelleIPA).........................................................65
Use Case 7:NachhaltigkeitdurchUp-Cycling(QuelleIPA)........................................................66
Use Case 8:Smart FactoryArchitecture(QuelleIPA)..................................................................67
A2:ForschungsbedarfentsprechendderUse Cases..........................................................................68
A3: ZusammenfassungderKernaussagenzurMotivationdesForschungsbedarfs.................69
Vorbemerkung Alle Personenbezeichnungen in den Umsetzungsempfeh-lungen für das Zukunfts-projekt Industrie 4.0 bezie-hen sich ungeachtet ihrer grammatikalischen Form auf Männer und Frauen.
8 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
1. DAS ZukunftSPrOjEkt InDuStrIE 4.0 – DEutScHlAnD AlS wEttBEwErBSfäHIgEn PrODuktIOnSStAnDOrt SIcHErn
DiedeutscheWirtschaftistwiekeineandereaufdieErforschung,EntwicklungundFertigungvonProduktionstechnologienspezia-lisiert.IndiesemZusammenhangkommtdemMaschinen-undAnlagenbaumiteinemUmsatzvon200,5Mrd.Euroundrund931.000Beschäftigten(Durchschnitt2011)alsBefähiger(Enab-ler)undIntegratoreinebesondereBedeutungfürdieWirtschaftzu.Mit7,8MillionendirektBeschäftigtenundweiteren7,1Millio-nenindirektBeschäftigtensowieeinemHandelsüberschussvonmehrals100MilliardendurchIndustrieexporteistdasproduzie-rendeGewerbedasRückgratderdeutschenWirtschaft.WährendindenmeistenklassischenIndustrieländernübervieleJahreeinTrendzurDe-Industrialisierungfestzustellenwar,hatDeutsch-landkonsequentaufseineindustrielleProduktionsstärkeundinnovativeProduktionstechnologiengesetzt.EntsprechendhochistderAnteildesproduzierendenGewerbesandergesamtwirt-schaftlichenWertschöpfung(Abb.1).
Deutschlandistessogelungen,dieAnzahlderBeschäftigtenimproduzierendenGewerbeindenletztenzehnJahrenweitgehendstabilzuhaltenundseineFührungsrolleals„FabrikausrüsterderWelt“zubehaupten.DasdeutscheErfolgsmodellwirdinzwischenvonanderenStaatenalsVorbildgenommen,seies,umdereige-nenDe-IndustrialisierungentgegenzuwirkenoderumTechnolo-giedefiziteaufzuholen.AufgrunddieserEntwicklungenistmiteinerWettbewerbsverschärfungimBereichderProduktionundProduktionstechnologienzurechnen.
Anteil des Produzierenden Gewerbes (einschließlich Energie) an der gesamtwirtschaftlichen Bruttowertschöpfung
Quelle: OECD; IW Köln
10
15
20
25
30
35
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
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2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
FrankreichItalienVereinigtes Königreich
ÖsterreichDeutschlandJapanUSA
Abbildung 1:Industrieanteile im internationalen Vergleich
Abb.1–IndustrieanteileiminternationalenVergleich(1991-2010)
DerzeitistderdeutscheMaschinenbauvielfachTreibervonInnovationeninderProduktionstechnikund-ausrüstung.Ins-besonderedieNachfragenachressourcenschonendenTechno-logienfüreineGreen EconomybietetChancen,sichaufglobalenWachstumsmärktenalstechnischerWegbereiterfürRessour-ceneffizienzundinnovativeEnergieversorgungs-undLeichtbau-technologienneuzupositionieren.DerMaschinenbauunddiemitihmverbundenenPartnerbranchen(ZuliefererundAbneh-mer)stehendabeijedochunterstarkemVeränderungsdruck.DieglobaleKonkurrenzhatinsbesonderedurchdasAuftretenneuerWettbewerberausSüdostasienerheblichzugenommen.ZugleichwächstderDruckaufdieheimischeIndustrie,ihreLiefer-undWertschöpfungsstrukturenaberauchdieProduktezuinternatio-nalisieren.DieVerlagerungsowohlvonProduktions-aberzuneh-mendauchEntwicklungsfunktionenindiesogenanntenBRIC-Staaten(insbesondereChina,Indien)istdieFolge–mitChancenundRisikenfürdieInnovationsfähigkeitundBeschäftigunganunserenheimischenStandorten.
DiegroßeChanceindiesemglobalenWettbewerbliegtinderNutzungdesMegatrends„InternetderDingeundDienste“(Internet of Things & Services):IndenvergangenenzwanzigJahrenhatdasInternetdieWelterobertundüberdieKommuni-kationstechnologieeineweltweiteVernetzungermöglicht.DieAuswirkungaufunsertäglichesLeben,diedisruptivenMarkt-veränderungenunddiedynamischeAnpassungunserersozialen
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Strukturenbeginnenwirgeradeerstzuverstehen,dabahntsichschondienächstetechnologischeUmwälzungan:das Internet der dinge und dienstemitneuenBeteiligungsformenundneuenWertschöpfungsnetzen.DieLeistungsfähigkeiteingebet-teterSysteme(Embedded Systems)wächstdramatischmitderVerbesserungvonSensorikundAktuatorik.Esentstehenzuneh-mendautonomeSysteme,dieumfassendDatenüberihrUmfelderfassenundinvielfältigerWeisedaraufreagierenkönnen.WerdendieseSystemedrahtlosuntereinanderundmitdenDatenundDienstendesInternetsvernetzt,entstehtdasInternetderDinge.DerzweiteTrendhinzuIP-basierterdrahtloserVer-netzungindiemobileSensorcloudermöglichtinzwischenzu-nehmendeineIntegrationdertechnischenProzessemitdenGeschäftsprozessen(s.ausführlichKapitel3.3).
BeidiesensoevolutionärentstehendenCyber-Physical Systems (CPS)1werdenObjektebishinzuAlltagsgegenständendurchProgrammierbarkeit,Speichervermögen,SensorenundKommu-nikationsfähigkeitenintelligent.SiekönnendadurchdirektoderüberdasInternetdurchsogenannteMachine-to-Machine(M2M)-KommunikationeigenständigInformationenaustauschen,Aktio-nenauslösenundsichwechselseitigsteuern.DiesverbessertdieDurchführungindustriellerProzesseinderProduktion,demEngineeringfürdieIndustrie,derMaterialverwendungunddesLieferketten-undLebenszyklusmanagementsenormundführtsozueinerneuen form der Industrialisierung: Industrie 4.0.DieCyberPhysicalSystemsfürSmartFactories(IntelligenteFab-riken)lassensichauchalsCyber-Physical Production Systems (CPPS)bezeichnen.
Zielsetzungdes zukunftsprojekts Industrie 4.0 istesnichtnur,CPPStechnischzuermöglichen,sonderndamitauchneuePro-dukteundVerfahrenfürdenExportzugenerieren.MitdiesemAnsatzsollenvierZieleerreichtwerden,damitDeutschlandso-wohlzumLeitmarktalsauchzumLeitanbietervonCPPSwird:
1.die schaffung neuer formen der intelligenten produkti-onstechnik,uminnovativeProduktefürdenWeltmarktgene-rierenzukönnenundheimischeFabrikenressourceneffizienterundflexiblerzumachen
2.die optimierung bestehender und die erfindung neuer produkte der automatisierungstechnik,umDeutschlandinseinerAutomatisierungskompetenzeinengrößerenWett-bewerbsvorteilzusichern..
3.die standort- und beschäftigungssicherung durch intelli-gente gestaltung der produktion, des engineerings und des produktionsumfeldes,vorallemangesichtsdesdemo-grafischenWandelsundderdamitverbundenenHerausforde-rungenfüreinealtersgerechteArbeitsgestaltung.
4.DieSchaffungneuer kollaborativer formen der arbeits-organisationinderSmart Factory,dieaufqualitativeAnrei-cherung,interessanteArbeitszusammenhänge,zunehmendeEigenverantwortungundSelbstentfaltungausgerichtetist
AufdemGebietdersoftwareintensiveneingebettetenSystemehatsichDeutschlandinsbesondereimAutomobil-undMaschi-nenbaubereitseineführendeStellungerarbeitet.ImZugederHightechStrategieundderIKT-StrategiederBundesregierungsowiedemIT-Gipfel-ProzesswurdenmittelsmehrererTechno-logieprogrammeundFörderprojektebereitszentraleArbeitendiesbezüglichgeleistet.2SowurdemitderNationalenRoadmap Embedded Systems3bereitsaufdemNationalenITGipfel2009aufdieBedeutungvernetztereingebetteterSystemehingewie-sen,mitderintegriertenForschungsagendaCyber-Physical Systems(2012)4wurdenweitereintegrierteForschungsempfeh-lungenvorgelegt.IndiesemevolutionärenTrenddertechnischenundwirtschaftlichenVerschmelzungdervirtuellenundphysi-kalischenWeltzuCyber-Physical SystemsistderProduktions-standortDeutschlandgutaufgestellt,umseineWettbewerbs-fähigkeithaltenundausbauenzukönnen.
UmsichmitinnovativenCyber-PhysicalSystemsiminternationa-lenWettbewerbeinenführendenPlatzzusichern,istaufgrunddesengenZeitfenstersjedocheineschnelleReaktionvonIndus-trie,Wissenschaft,Politik,GewerkschaftenundGesellschaftgeboten.DerTransformationsprozessmussdaherinsbesondereinderProduktionzügiggelingen,umdieZukunftsfähigkeitdesdeutschenProduktionsstandorteszusichernundArbeitsplätzezuerhalten.DiedeutscheIndustriehatdanndieChance,ihreWettbewerbsfähigkeitnachhaltigauszubauen.
DAS ZukunftSPrOjEkt InDuStrIE 4.0 – DEutScHlAnD AlS wEttBEwErBSfäHIgEn PrODuktIOnSStAnDOrt SIcHErn
1 InderDiskussionumCPSlassensichdiebeidenPerspektiven„CPSalsIntegrationvonPhysikundComputing“versus„CPSalsIntegrationeingebetteterSystemeunddemInternet“nichtimmertrennscharfauseinanderhalten.DiesgiltauchfürdievorliegendePublikation.
2S.dazudieAufzählungderForschungsprogrammeundFörderaktivitätensowieAktivitätenderVerbändeundExzellenzcluster/SonderforschungsbereicheimthematischenKontextIndustrie4.0indenerstenHandlungsempfehlungenderPromotorengruppeKOMMUNIKATIONzumZukunftsprojektIndustrie4.0vom20.September2011,Abb.3,S.8.
3ZVEI(Hg.):NationaleRoadmap Embedded Systems,Frankfurt,2009.4BroyM./GeisbergerE.(Hg.):IntegrierteForschungsagendaCyber-Physical
Systems(acatechSTUDIE),SpringerVieweg,Heidelberg,2012.
10 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
2. InDuStrIE 4.0 – DIE VIErtE InDuStrIEllE rEVOlutIOn gEStAltEn
DasZukunftsprojektIndustrie4.0adressiertdenevolutionärentechnologischenWandeldes zusammenwachsensmodernerTechnologienderInformationstechnikmitklassischenindustriel-lenProzessenzuCyber-Physical Systems (CPS)undseinerevolu-tionärenAuswirkungenaufdieIndustrie.
DiekünftigeIndustrieproduktionwirddurcheinezunehmendeIndividualisierungderProduktegeprägtwerden,diedurchinte-grierteInformations-undKommunikationstechnologien(IKT)undderenFunktionalitätenuntereinanderundmitdemInternetver-netztwerden.DasProdukt„weiß“demnachbeispielsweise,wannesgefertigtwurdeodermitwelchenParameternesoptimalbe-arbeitetwerdenkann.DieseInformationenkönneninSummewiederumfürdieOptimierungderGeschäftsprozesseetwazurRessourceneffizienzgenutztwerden.DieserunumkehrbareTrendzuCPPSinKombinationmitdemInternetderDingeverzahntnichtnurdieProduktemitderProduktion,sondernwirddieGeschäfts-undWertschöpfungssystemeimGanzeninhoherGeschwindigkeitverändern.DasZusammenwachsenderrealenmitdervirtuellenWeltdurchCPSeröffnetderIndustriesomitneueMöglichkeitenfürintelligenteProduktionssystemesowiefürdieRealisierungvernetzterProduktionenmitübergreifendenLogistik-undWertschöpfungsketten.Diesgehteinhermitbe-deutendenFortschrittenbeimEngineering,beiderDurchführungindustriellerProzesse,beiderRessourceneffizienzundinderUmweltverträglichkeitsowieimLieferketten-undLebenszyklus-management.
DieserrevolutionäreWandellässtsichalseinevierteStufedesIndustrialisierungsprozessesbetrachten,dermitderEinführungmechanischerProduktionsanlagen–welchedieWarenfertigungrevolutionierten–Endedes18.Jahrhundertsbegann(Abb.2).
DieseersteunddiezweiteindustrielleRevolution–diearbeits-teiligeMassenproduktionvonGüternmithilfeelektrischerEner-gieseitderWendezum20.Jahrhundert–mündetenabMitteder1970erJahreindiebisheuteandauerndedritteindustrielleRevolution.HierbeiwurdemitdemEinsatzvonElektronikundInformationstechnologien(IT)dieAutomatisierungvonProduk-tionsprozessenweitervorangetriebenundeinTeilder„Kopfar-beit“vonderMaschineübernommen.DievertikaleVernetzungeingebetteterSystememitbetriebswirtschaftlichenProzesseninFabrikenundUnternehmenundderenhorizontaleVernetzungzuverteilten,inEchtzeitsteuerbarenWertschöpfungsnetzwerkenführenwieobenausgeführtnunzurviertenStufederIndustriali-sierung–der„Industrie4.0“.5
Ende18. Jhdt
Beginn20. Jhdt
Beginn 70er Jahre20. Jhdt
heuteQuelle: DFKI (2011)
Vierte Industrielle Revolution auf Basis von Cyber-Physical Systemen
Dritte Industrielle Revolution durch Einsatz vonElektronik und IT zurweiteren Automatisierungder Produktion
Zweite Industrielle Revolution durch Einführungarbeitsteiliger Massen-produktion mithilfe vonelektrischer Energie
Erste Industrielle Revolution durch Einführungmechanischer Produktions-anlagen mithilfe vonWasser- und Dampfkraft
Erster mechanischer Webstuhl1784
Erste SpeicherprogrammierbareSteuerung (SPS), Modicon 0841969
Grad
der
Kom
plexit
ät
Zeit
Erstes Fließband,Schlachthöfe von Cincinnati1870
Abbildung 2:Die vier Stufen industrieller Revolution
Abb.2:Die4StufenderRevolution
5 DerDiskursüberdiedritteindustrielleRevolutionknüpftimWesentlichenaneinenneuenInnovationszyklusan,derdurchdieNutzungunddenAusbauErneuerbarerEnergien,radikaleErhöhungderRessourcenproduktivität,AnwendungneuerMaterialien,WerkstoffeundVerfahren(Biomimicry)gekennzeichnetist(vgl.exem-plarischRifkin2011).Dasheißt,diedritteRevolutionwirdvorallemmitBlickaufUmweltfragenundeineÖkologisierungderProduktion(„waswirdproduziert“)definiert.
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InDuStrIE 4.0 – DIE VIErtE InDuStrIEllE rEVOlutIOn gEStAltEn
FürdenBestandunddenErfolgdesProduktionsstandortesDeutschlandistesunabdingbar,diesevierteindustrielleRevolu-tionaktivmitzugestalten,alsoautonome,selbststeuerndeundwissensbasierteProduktionssystemezuentwickeln,zuvermark-tenundzubetreiben.GleichzeitigmüssenneuartigeAnforderun-genbewältigtwerden:
•dieNachfragenachindividualisiertenProduktenzuPreisenüblicherMassenprodukte,diesteigendeLeistungsfähigkeitsowie
•dieBeherrschungderwachsendenKomplexitätunddertech-nischenHeterogenitätderProdukteunddieEntwicklungdazunotwendigerProduktionssysteme.
Dieserfordertkünftigeineganzheitliche sichtaufdieProduk-tion,dennkomplexeabhängigkeitenzwischenderphysischen und digitalen WeltsindheutemeistnurfallspezifischdurchdieInformationstechnikabgebildet.DabeiziehtjedeÄnderungauf-wendige,manuelleundoftanspruchsvolleTätigkeitennachsich.Esgiltdaher,einNetzwerkvonDienstleistungen,dieEnginee-ring-Aufgaben,dieFragenderVermarktungunddieFragedesjeweiligenGeschäftsplans(Business Case)ganzheitlichaufein-anderabzustimmen,wasdurchdenkonsequenten einsatz mo-derner Informationstechnikmöglichwird.Nebendemtechno-logischenEntwicklungspotenzialistdermensch in der Indust-rie 4.0zentralerundunabdingbarerTeilderVeränderung:NichtnuralsKunde,sondernalszentraleGrößebeimEntwurfundbeimEngineeringderCPPSundalsManagerundFacharbeiterinderProduktionmitneuenkollaborativenFormenundmulti-plenProzessenderMensch-Mensch-(SozialeNetzwerke)undMensch-Maschine-Interaktion.
2.1 Innovationsprozesse forcieren, wertschöpfung erhalten, Beschäftigte einbeziehen
DerEinsatzvoncyber-physischenProduktionssystemenunddieRealisierungderExportpotenzialewerdenganzwesentlichdavonabhängen,inwieweitdieinDeutschlandproduziertenTechnolo-gienmitimIn-undAuslandbereitsverwendetenproduktions-technischenAnlagenundKomponentenkompatibelsindbezie-hungsweisesichtrotzmöglicherweiseschwierigerIntegrierbar-keitalstechnischeindeutigüberlegenerweisenundsichdaherauflangeSichtdurchsetzen.
DasZukunftsprojektIndustrie4.0kanndabeiantraditionelleStärkenderhiesigenIndustrielandschaftanknüpfen:
•MarktführerschaftinvielenTeilbranchenderIndustrie•Innovationsführerschaftin Embedded Systemsund
Industrial IT•QualifizierteundhochmotivierteBeschäftigte•KurzeWegezuundteilweiseintensiveKooperationmitKunden
undLieferanten•LeistungsfähigeForschungs-undAusbildungseinrichtungen
DieUmsetzungderIndustrie4.0zieltdaraufab,vorhandenetechnologischePotenzialezuheben,ineinemsystematisiertenInnovationsprozesszuerschließenundmitdenKompetenzen,LeistungenunddemWissenderBeschäftigtenzueinemoptima-lenGesamtpaketzusammenzufügen.
DasNeueanderIndustrie4.0sindalsonichtalleinneuetechni-sche,sondernauchneue soziale Infrastrukturen der arbeit,diedieEinbindungderBeschäftigteninInnovationsprozessesi-cherstellen.EntscheidenddafürsindnebenumfassendenQuali-fizierungs-undWeiterbildungsmaßnahmenOrganisations-undGestaltungsmodellevonArbeit,dieeinhohesMaßanselbst-verantwortlicherAutonomiemitdezentralenFührungs-undSteu-erungsformenkombinieren,diedenBeschäftigtenerweiterteEntscheidungs-undBeteiligungsspielräumesowieMöglichkeitenzurBelastungsregulationzugestehen.
Mitdiesemsozio-technischen ansatz des zukunftsprojekts Industrie 4.0werdenneueRäumefürdringendbenötigteIn-novationeneröffnet,gestütztaufeinerweitertesBewusstseinfürdieBedeutungmenschlicherArbeitimInnovationsprozess.
12 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
2.2 kernelement der Industrie 4.0 – die Smart Factory
EinKernelementderIndustrie4.0istdieintelligenteFabrik–dieSmart Factory.SiezeichnetsichdurcheineneueIntensitätsozio-technischerInteraktionalleranderProduktionbeteiligtenAkteureundRessourcenaus.ImMittelpunktstehteineVernet-zungvonautonomen,sichsituativselbststeuernden,sichselbstkonfigurierenden,wissensbasierten,sensorgestütztenundräum-lichverteiltenProduktionsressourcen(Produktionsmaschinen,Roboter,Förder-undLagersysteme,Betriebsmittel)inklusivedererPlanungs-undSteuerungssysteme.DieSmart Factory zeichnetsichdurcheindurchgängiges Engineeringaus,dasso-wohldieProduktionalsauchdasproduzierteProduktumfasst,durchdasdiedigitaleundphysischeWeltnahtlosineinander-greifen.DieSmart Factory istzudemeingebettetinfirmenüber-greifendeWertschöpfungsnetze(s.Abb.3)
DieBeschäftigtensteuern, regulieren und gestaltendieintel-ligentvernetztenProduktionsressourcenunddieProduktions-schrittenachsituativenundkontextabhängigenZielvorgaben.SiespielendamitinderSmart Factory dieentscheidendeundqualitätssicherndeRolle.Durchdie Smart Factorywirddiezuneh-mendeKomplexitätbeherrschbar.DieSmart FactorybietetaufhöchstemProduktivitäts-undQualitätsniveaueinesignifikanthöhereFlexibilitätundResilienzundsicherteinenoptimalenRessourceneinsatz.
IndervollausgebautenSmart FactoryderIndustrie4.0herrschteinevölligneueProduktionslogik:DieProduktederSmart Fac-torysindeindeutigidentifizierbar,jederzeitlokalisierbarundken-nenihreHistorie,denaktuellenZustandsowiealternativeWegezumZielzustand.AlleSensorenundAktuatoreninderSmart FactorystellenihreDatenalssemantischbeschriebeneDienstebereit,dievondenentstehendenProduktengezieltangefordertwerdenkönnen.SemantischeM2M-KommunikationmitaktivendigitalenProduktgedächtnissenmachtdasProduktzumInforma-tionsträger,zumBeobachterundzumAkteur.
Quelle: Trumpf
Analog-Kommunikation• Heimatmärkte• Großrechner
Subs
yste
mSy
stem
Supe
rsyste
m
GesternIndustrie 1.0 und 2.0
HeuteIndustrie 3.0
MorgenIndustrie 4.0
Neo-Taylorismus• Vorratsfertigung• Verrichtungsorientierung• Meister-Organisation
Mechanisierung• Konv. Maschinen• Arbeitspläne• Zeichenbretter• Handräder
Internet und Intranet• Exportmärkte• PCs
Lean Production• JiT-Produktion• Prozessororientierung• Team-Organisation
Automatisierung• CNC-Maschinen• ERP / MES• 3D-CAD / CAD-CAM• Bedienpulte
Internet der Dinge• Lokalisierte Märkte• Mobile & Cloud Computing
Smart Factory• Individualproduktion• Resiliente Produktion• Augmented Operators
Virtualisierung• Social Machines• Virtual Production• Smart Products• Mobile Devices
Abbildung 3:Der Weg zur Smart Factory
Abb.3:DerWegzurSmart Factory
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Abb.4–InteraktioneninderSmart Factory(Quelle:Trumpf)
DieSmart FactoryalswesentlicherBestandteilvonIndustrie4.0ermöglichtmaßgeschneiderteProdukteundsichertdamitdendeutschenWettbewerbsvorsprungineinerglobalisiertenWelt.MitihrenSchnittstellenzuSmart Mobility, Smart LogisticsunddemSmart GridistsieeinwichtigerBestandteilzukünftigerintelli-genterInfrastrukturen.AlsintelligenteFabrikermöglichtsiedieBeherrschungderzunehmendenKomplexitätderProduktions-abläufefürdenMenschenundmachtdieProduktionattraktiv,urban-verträglichundwirtschaftlich:
•Dieressourceneffizienz wirdsignifikantgesteigert;BeständeundDurchlaufzeitenkundenindividuellerProduktemassivverkürzt.DamitwirddieandeutschenProduktengeschätzteQualitätundProduktivitätnachhaltigausgebaut.
•DieSmartFactorybeherrscht störeinflüsseundlöstbeste-hendeGrenzenauf.Wege,Layouts,Abfolgen,Betriebs-undRe-cyclingpunkte,ProdukteundTechnologienwerdenflexibilisiert.SieentfaltetdazuihrPotenzialdurchdieErfüllungbisheralswidersprüchlichgeltenderAnforderungen.InihrteilenSocial MachinesihrWissen:SieerkennenetwadurchLernerfahrungdiebestenParameter,mitdenensiebestimmteWerkstoffebe-arbeitenkönnen,erkennenundinformiereninihrem„sozialenNetzwerk“anderemitihnenvernetzteMaschinen,diedieseneuenEinstellungenwiederumautomatischübernehmen.
physisch cyber
Social Machines Global Facilities Augmented Operators Smart Products Virtual Productions
Industrie 4.0
Collaborative interaction
Abbildung 4:Smart Factory
Smart Products trageneigenesWissenundGlobal FacilitiesermöglichenneuartigeWertschöpfungsnetzwerke.
•DieVirtuelleProduktion(Virtual Production)trägtdurchEcht-zeit-AbbilderderProduktionzurreduktion von Verschwen-dungweitüberbestehendeAnsätzehinausbei.
•Im mittelpunkt der Interaktionen in der fabrikstehendie beschäftigten(Augmented Operators),dieihreAufgabendurchdie(virtuell)erweiterteSichtaufdierealeFabrikbesserwahrnehmenkönnen.SieerweiternihreFähigkeitenstetigundwerdensovomBedienerzumkooperierendenSteuerer,ReguliererundGestalter,derseineExpertisekontinuierlicheinbringenkann(vergl.Abb.4).
DiezukünftigemultiadaptiveSmart Factorywirdkeinesfallsmen-schenleersein,sondernsiewirddiebeschäftigten als aktive träger von entscheidungen und optimierungsprozessen drin-gendbenötigen.DieBeschäftigtenwerdenwichtigeFunktionenbeidemEntwurf,derInstallation,derUmrüstung,derWartungundderReparaturkomplexercyber-physischerProduktionssys-temeundderfürdasInternetderDingenotwendigenneuartigenNetzkomponentenübernehmen.NebendenBeschäftigtensindauchalleweiterenAkteure(Zulieferer,Kunden,etc.)indieInter-aktioneninderFabrikmiteingebunden.
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14 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
Abb.5:ArchitektureineragilenmultiadaptivenSmart Factory
ZurBewältigungdieserneuenAnforderungenmüssendieBeschäftigtenvonintelligentenAssistenzsystemenunterstütztwerden,umihreArbeitzuverlässigundeffizientdurchführenzukönnen.Völligneuartige multimodale benutzerschnittstellenspielenhierfüreineentscheidendeRolle.DieseSchnittstellennutzeneinerseitsdenAufgabenkontextderBeschäftigtenfürproaktiveAssistenzfunktionenundunterstützendenArbeitergleichzeitigauchdurchadaptivenPrivatsphärenschutz–wobeisiegleichzeitigdieSicherheitsaspektederSmart Factoryberück-sichtigen(vgl.Abb.5).
DievierteindustrielleRevolutionführtsomitauchzueinemparadigmenwechsel in der mensch-technik- und mensch-Um gebungs-InteraktionmitneuartigenFormenderkollabora-tivenFabrikarbeit.DieVerwirklichungderagilenmultiadaptivenSmart Factoryerfordertmenschenzentriertesozio-technischeFabrik-undArbeitssysteme.DieTechniksolldabeidiekognitiveundphysischeLeistungsfähigkeitderBeschäftigtendurchdierichtigeBalancevonUnterstützungundHerausforderungfördern–insbesondereimHinblickaufdieindustriellenAssistenzsys-teme,dieMensch-Technik-KooperationsowiedieAspektederQualifizierungundWeiterbildung.UnterstützendsollteauchdieArbeitdementsprechendorganisiertwerden(s.dazuKap.4.2.4undKap.5.4)
MultimodaleEingabeanalyse
Lernmodus
Produktions-modus
MultimodaleAusgabe-präsentation
IndustriellesAssistenzsystem
SmarteMaterialien
SmarteProdukte
CPS-Produktionssystem
Maschinen-steuerung
... Betriebsmittel-anpassung
Quelle: DFKI 2012
Multiadaptivität auf der Basis maschineller LernverfahrenPersonalisierung, Rekonfigurierbarkeit, Agilität
DiskurshistorieBenutzermodell
Lernmodelle
FabrikmodellArbeitspläne
ProzessmodelleProduktionskontext
Infrastruktur zur Gewährleistung von Betriebssicherheit, Arbeitssicherheit, IT-Sicherheit und PrivatsphärenschutzAbbildung 5:Architektur einer agilen, multiadaptiven Smart Factory
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Abb.6:ZielederSmart FactorynachThemenschwerpunktenundUse Cases
2.2.1 USE CaSES Und übergeordnete merkmale zU IndUstrIe 4.0
FürdieSmart FactorywurdenachtAnwendungsbeispiele(Use Cases)definiert,mittelsdererdasZieleinerhochflexiblenundrobustenSmart FactoryganzheitlichaufallenEbenenabgedecktwerdenkann(s.Abb.6undausführlichinAnhangA.1).Gleichzei-tigsollendieVorteilederSmart FactoryveranschaulichtunddietechnologischenHerausforderungeninihremGesamtzusammen-hangaufgezeigtwerden.
DieInhaltederAnwendungsbeispielesindimFolgendeninFormdreierübergeordneterMerkmalederSmart Factoryzusammen-gefasst,diefüralleachtUse Casesgelten:
•HorizontaleIntegrationüberWertschöpfungsnetzwerke•VertikaleIntegrationundvernetzteProduktionssysteme•DurchgängigkeitdesEngineeringsüberdengesamtenLebens-
zyklus
DiesedreiMerkmalewerdeninKapitel3imRahmenderdualenStrategiewiederaufgegriffenunderläutert.
Quelle: Trumpf
Intelligente Instandhaltung• Betriebspunkte flexibilisieren
Up-Cycling• Recyclingpunkte flexibilisieren
Selbstorganisierende, adaptive Logistik• Wege flexibilisieren
Technologiemarktplatz• Technologie flexibilisieren
Vernetzte Produktion• Abfolgen flexibilisieren
Resiliente Fabrik• Layout flexibilisieren
Kundenintegriertes Engineering• Produkte flexibilisieren
Abbildung 6:Ziele der Smart Factory nach Themen-schwerpunkten und Use-Cases
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16 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
1. horIzontale IntegratIon über WertschöpfUngsnetzWerke
Abb.7HorizontaleIntegrationüberWertschöpfungsnetzwerke(Quelle:Siemens)
InderIndustrie4.0erlaubteinechtzeitoptimiertes Wertschöp-fungsnetzwerk einedurchgängigeTransparenz,flexibleReak-tionaufStörungenundeineglobaleOptimierungüberdasge-samteWertschöpfungsnetzwerkhinweg.
MöglichwirddiesdurchdieCPPS-basierteVernetzungvonderEingangslogistiküberdieProduktion,dasMarketing,dieAus-gangslogistikbiszumService.HierdurchwerdenEntwurf,Konfi-guration,Bestellung,PlanungundProduktionüberdasgesamteWertschöpfungsnetzwerkkundenspezifischmittelsIKTverzahnt.DergesamteProzessvonderBestellungbiszurLieferungkanndadurchzwischendenbeteiligtenPartnerninvielfältigenDimen-sionen(Qualität,Zeit,Risiko,Robustheit,Preis,Umweltverträg-lichkeitetc.)dynamischverhandeltwerden.Dieswiederumführtzueinerhochgradigen flexibilität einzelner produktions stät-ten,zuderenVernetzungundLogistikunddamitzurechtzeit-optimiertenRealisierungeinerbedarfsorientiertenProduktion(„wandelbareFabrik“und„selbstorganisierendeadaptiveLogistik“).
VoraussetzungenfürdiesedurchgängigeVernetzungsindstan-dardisierte,offeneSchnittstellensowieProzesse,dieVertrauenundSicherheitfüralleanderWertschöpfungskettebeteiligtenAkteureermöglichen.Esmussdaherein MonitoringundFeed-back überdasgesamteWertschöpfungsnetzwerk(Fabrik,Logis-tik,Geschäftsbeziehungen)inEchtzeiterfolgen.DieGeschäfts-prozesseimechtzeitoptimiertenWertschöpfungsnetzwerkmüs-senemergente(imSinnederHerausbildungeinesübergeord-netenMehrwertsfürdasGesamtnetzwerk)GesamteffekteundveränderlicheRahmenbedingungen(Recht,Risiko,Haftung,Exportkontrolle)berücksichtigen.
2. VertIkale IntegratIon Und Vernetzte prodUktIonssysteme
Abb.8–VertikaleIntegrationundvernetzteProduktionssysteme(Quelle:Siemens)
DieselbstorganisierendeFabrikinderIndustrie4.0ermöglichteinevariantenreiche kundenspezifisch individualisierte produktionmitverteiltenundmöglicherweiseheterogenenProduktionsressourcenuntervolatilenRandbedingungen(zumBeispielkurzfristigveränderteNachfrage,Bestände,plötzlicheStörungen).
DieFertigungsmoduleineinerselbstorganisierendenFabriksindplug & produce-fähig,dasheißtRessourcenundProduktevernet-zensichadhoc.MaterialundTeilesinddadurchjederzeitlokalisierbar,sienavigierensichselbständigdurchdasProduk-tionssystemundspeicherndieHistorieallererfolgtenNaviga-tions-undBearbeitungsschritteab.Dadurchentfallenadminis-trativeBestandsführungs-,Buchungs-undInventurprozesse.MitintelligenterSensorikunddurchgängigenDaten–alsoverti-kalintegriertdurchalleEbenenderAutomatisierungspyramide–überwachtdieFabriksichgewissermaßenselbst:Sieerstellteinkontinuierliches(virtuelles)AbbildihrerProduk-tionundidentifiziertundprognostiziertungeplanteEreignisse.DieSelbstüberwachungistineinumfassendesSicherheitskon-zeptintegriert,indasderMensch(Augmented Operator)jeder-zeitsteuerndeingreifenkann.StörungenundAd-hoc-AufträgeführendabeizuautomatischerUmplanung.
Auchdas Instandhaltungsmanagement erfolgt selbstorgani-siert.UngeplanteEreignisse–wieetwaMaschinenausfall,Quali-tätsschwankungenoderÄnderungenderProduktspezifikation–werdenautomatischidentifiziert.ZustandundVerschleißderMaterialienwerdenkontinuierlichüberwachtundprognostiziert.DurchdieseAdaptiondesgesamtenProduktionsprozesseswerdenungeplanteMaschinenstillständevermieden.
17
3. dUrchgängIgkeIt des engIneerIngs über den gesamten lebenszyklUs
Abb.9:Seamless Engineering:VomEntwurfüberdenBetriebbiszurInstandhaltung(Quelle:Siemens)
DieZielevonIndustrie4.0erforderneine durchgängigkeit des Engineerings über den gesamten lebenszyklus des produkts und des zugehörigen produktionssystemshinweg.Fürneu-artigetechnischeProduktemüssendieentsprechendenneuenodermodifiziertenProduktionssystemezeitlichverzahntent-wickeltwerden.DiesführtzueinerintegriertenVorgehensweisebeiderEntwicklungvonProduktundProduktionssystemsowiederAbstimmungihrerLebenszyklen.
Dielebenszyklus-überspannendeBetrachtungerlaubtdiefrüh-zeitigeBerücksichtigungvonWartungs-undInstandhaltungskon-zepten(ReusevonEngineering-Daten).Diesbedeutet,dassWettbewerbsvorteile(Qualität,Service)beiKonsumproduktenerzieltwerden,underhöhtimFallderVerwendungdieserPro-dukteinnerhalbeinerweltweitenFertigungdieVerfügbarkeitdesProduktionssystems.DieseAspekteerfordern,dassdie„richti-gen“DatenundInformationenallenBeteiligteninallenLebens-zyklus-PhasenzurVerfügungstehenmüssen.DazusindKon-zepteundWerkzeuglösungenerforderlich(WelcheDatenmüssenaufwelcherAbstraktionsebeneinwelcherPhasevorgehaltenwerden?).
DurcheinekonsequenteWeiterentwicklungderSystems Engi-neering-AnsätzewerdenSynergieeffektezwischenProduktions-systemundProduktentwicklungaufdermethodischenEbeneerzielt.DieKonzeptioneinesübergreifendenMeta-Modellsfürmodellbasiertes,disziplinübergreifendesEngineeringundMetho-denzurAbstraktionversusVerfeinerungsindhierzweiBeispiele,diesowohlaufeineKomponentenentwicklungalsauchaufdasAnlagen-Engineeringangewendetwerdenkönnen(s.Empfehlun-geninKapitel4.2.3).
DasEngineering bildetinderProduktionnichtnurden Verknüp-fungspunkt zwischen produktionssystem und produkt,son-dernstärkt auch die rolle des menschen.EristderzentraleAkteur,derindenverschiedenenEntwicklungs-beziehungsweiseBetriebsphasenunterstütztwirdundinteam-übergreifenderZu-sammenarbeitInnovationenschafft.DurchgängigesEngineeringnutztdasZusammenwachsenderdigitalenundrealenWelt.AusDatenwerdenModelle,diezuvirtuellenPrototypenkombiniertwerdenundfrühzeitigeValidierungenundVerifikationenerlau-ben.Diedamitentstehenden,neuenEngineering-Workflows ge-staltendieflexiblerwerdendenProzesse.HeutigeWerkzeugeundIT-PlattformenkönnendurchentsprechendauszuarbeitendeMigrationskonzepteeinerseitswieder-undweiterverwendetwer-den,andererseitskönnensieauchinZwischenschrittenbereitsEffizienzsteigerungenermöglichen.
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Services Produktion
Produktionsengineering
Produktdesign und -entwicklung
Produktionsplanung
18 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
2.3 techniktrend Internet der Dinge und Dienste – chancen und Herausforderungen
IndenvergangenenzwanzigJahrenhatdasInternetdieWelter-obertundüberdieKommunikationstechnologiedenTraumeinerweltweitvernetztenMenschheitverwirklicht.DieAuswirkungaufunsertäglichesLeben,diedisruptivenMarktveränderungenunddiedynamischeAnpassungunserersozialenStrukturenbe-ginnenwirgeradeerstzuverstehen,dabahntsichschondienächsteRevolutionan:dasInternetderDinge.ZusätzlichwerdenjetztalleDinge,Geräte,Maschinen,SensorenundAktorenindasInternetintegriertunddarüberselbstzuAkteuren.Esent-steht–gemeinsammitdeninsozialen Online-Netzwerkenver-netztenNutzern(Internet of People)–dasInternetderDingeundDienste(Internet of Things and Services–Abb.10),daseinenahtloseVerknüpfungdervirtuellenundderphysikalischenWeltermöglicht.
BereitsinwenigenJahrensollensomehrereMilliardenvonGe-rätenundSystemeninderLagesein,selbständigDatenunter-einanderauszutauschen.AufzügeoderKlimaanlagenkommuni-zierendannüberdasNetzmitderWartungszentrale,diedenReparaturdienstkoordiniert;AutoswerdenmitLeitsystemeninKontakttretenundsoeinaktuellesBildderWetter-undVer-kehrssituationwiedergeben;ContainerkönnendanninEchtzeitihrePositionandasLogistikzentrumübermitteln,dasautoma-tischdenLastwagenzuderenAbholungdirigiertunddennot-wendigenLagerraumbereitstellt.
DieSmart FactoryderIndustrie4.0nutztsomitdiePotenzialedes InternetsderDingeundDienstemittelsCPPSundist
Quelle: Bosch Software Innovations 2012
Internet der Menschen106-108
Internet der Dinge107-109
Internet der Dienste104-106
System- undDienstleistungs-
plattformen
Smart Building
Social Web
Business Web
Smart Grid
Smart Factory
Smart Home
Abbildung 9
Abb.10Internet derDingeundDienste–VernetzungvonMenschen,DingenundSystemen(Quelle:Bosch2012)
dabeiengmitdenanderenAnwendungsfeldern(Smart Grid,Smart Mobility6,Smart Home/Smart Building)vernetzt(s.Folgeabschnitt3.2.1).
Dietechnologie-basisdesInternetsderDingeundDienstebestehtausdenfolgendenTeiltechnologien:
•elektronikermöglichtimmerschnellere,günstigere,kleinereundenergiesparendereBausteinezumBetreibenvonKommu-nikationundSoftware,
•mikrosystemtechnikermöglichtimmerkleinere,günstigereundleistungsfähigereSensorenundAktoren,
•kommunikationstechnologieermöglichtdieimmergünsti-gere,schnellere,weltweite,sekundenschnelleVerknüpfungvonProzessenundDatenbeständen,
•auto-IdmittelsBar-,Data-Matrix-CodeoderRadio-Fre-quency-Identifikation(RFID)ermöglichtdieeindeutigeIdentifi-zierungeinfachsterObjekteundderenVerknüpfungmitdervirtuellenWelt,
•mensch-maschine-schnittstellenermöglichendieintuitiveBedienungkomplexerSystemeunddieInteraktionmitihnenauchohnespezielleAusbildung,
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•softwareermöglichtdieweltweitedynamischeVerteilungvonFunktionalitätundistintegralerBestandteilfürdieSysteminte-grationüberdieTeilgewerkeMechanik,ElektrikundElektronikhinweg.DieSoftwareentwicklungstößtnichtantechnischeGrenzen,sondernhängt(alseinzigeTechnologie)ausschließ-lichvonderKreativitätunddenFähigkeitendesMenschen(Entwicklers)ab(s.dazuauchKapitel4.2.3).
DasichdieseTechnologiengegenseitigbeschleunigenundver-bessern,istvonzukünftignochrasanterenVeränderungsprozes-senauszugehen.
NebendertechnologischenBasisstelltdertechnologie-trend big data(dt.Erhebung,AnalyseundVerarbeitungunvorstellbargroßerDatenmengen)unddieFragedesdatenmanagements auchdieIndustrie4.0vorzentraleHerausforderungen:ImInter-netderDingeundderDienstewerdenkünftigenormeDaten-mengenverarbeitet.Wettbewerbsvorteilebesitzt,weresver-steht,dieseDatensicherunderfolgreichzusammeln,zuver-waltenundeinzusetzen.DieseLogiktrifftaufIndustrie4.0mitdenumfangreichenDatenmengenausderProduktionundderLogistikinganzbesonderemMaßezu.
DreiEntwicklungenresultierenausdenobenangeführtenTech-nologie-TrendsundbildendasInternetderDinge,DiensteundNutzer(Menschen).Diese(sozio-)technologischenTrendszugestaltenundzubeherrschen,istGrundvoraussetzungfürdasZukunftsprojektIndustrie4.0:
1. Smart Embedded Systems, mobile dienste und ubiquitäres Computing:
TeilderCPSsindintelligenteeingebetteteSysteme,diebereitsheutekooperativundvernetztagieren,allerdingsmeistnochalsgeschlosseneSysteme.VoralleminderAutomobilbrancheundderLuftfahrt,aberauchinderTelekommunikations-undAutomatisierungstechniksowieinderProduktionexistierenschonortsungebundeneDiensteundAssistenzfunktionen.DurchzunehmendeVernetzung,Interaktion,KooperationundNutzungvonMobilitätsdienstenundweiterenServicesausdemNetzsinddieseDienstejederzeitverfügbarundwerdenimmervielfältigerundreifer.
2. Internetbasierte geschäftsprozesse: VorallemimHandelundinderLogistikgibteslängst„intelli-
gente“undvernetzteObjekte(etwamittelsRFID-Technologie).ZunehmendwirddabeidasdigitaleProduktgedächtnisderObjekteauchfürdieProzessoptimierunggenutzt,etwabeimWarenfluss.DieObjektepassensichflexibelansoftwarege-steuerteUnternehmensprozesseanundinteragierenüberdasWebmitKunden.DiesekönnenbeispielsweiseüberdasInter-netverfolgen,wosicheinProduktmomentaninnerhalbeinerLogistikkettebefindet.IT-ServicesdieserArtwerdenzuneh-
mendindieCloud,alsoanexterneDienstleister,ausgelagert;ihrBetriebistdadurchunabhängigvoneinemRechenzentrumaneinembestimmtenOrt.DieIT-SystememüssenauchfürdieAuslagerungklassischerIT-undVerwaltungsaufgabenausdenUnternehmensowiefürdasÜbertragenvonAufgabenimZusammenhangmitHandel,Logistik,ProzesssteuerungundAbrechnungindieCloudgerüstetsein.
3. soziale netzwerke und Communities (Web 2.0): SozialeNetzwerkebündelnheutegroßeMengenvonDaten
undInformationen.DasgiltauchfüroffeneWissensnetzwerke:UnternehmennutzenzunehmendWiki-Systemezurbreitan-gelegtenBereitstellungvonInformationenundWissen.FürdieUnternehmensinddieNutzerpotenzielleKundenunddieNetzwerkepotenzielleWerbe-undVermarktungsplattformen.MitzunehmenderProfilbildungundSpezialisierungderTeilneh-merentstehtdieNachfragenachneuenDiensten,etwanachallgemeinenoderdomänenspezifischenApps (Applications)undvernetztenAnwendungen.EndgerätewieSmartphonesundTabletssteuernexplizitundimpliziteineVielzahlvonSen-sorenbei–aussozialenNetzwerkenentstehtsoeinCyber-Physical System.DiesenEffektgiltes,aktivundkontrolliertzunutzen.
CommunitiesauseinzelnenoderenggekoppeltenEntwickler-gruppentreibendieInnovation.SiesindmeistumEntwicklungs-plattformenorganisiert;dabeihandeltessichoftumOpen-Source-Projekte,die SoftwaremitoffenenQuellcodesentwi-ckeln,undzwarentwederinSelbstorganisationoderunterderLenkungdurcheinUnternehmenoderKonsortium.
DieobengenanntenTrendserfordernkonkreteInnovationenum,dieTechnologieCPSfürdieindustrielleProduktionimSinnevonCPPSzuertüchtigen.Diesmeint,demAnwendereinmethodi-schesRüstzeugzurAnwendungderTechnologieCPPSzurVerfü-gungzustellensowiedieKooperationvonCPPSmitMenschenoptimalzuunterstützen:
• technologie von cpps HeutigeInformations-undKommunikationstechnologien(IKT)inderProduktionstechniksindaufeineFabrik(odereineFerti-gungslinie)innerhalbeinesUnternehmenshinsichtlichderKostenundderEffizienzoptimiert.UmdiePotenzialevonCPSimUmfeldderProduktionhebenzukönnen,sinddieobenan-geführtenBasistechnologienderIKT(wiebeispielsweiseMo-dellierungssprachen,-techniken,Plattformenetc.)ausgehendvondengeschäftlichenTreibernfürdieAutomatisierungstech-nikzuertüchtigen.AufgrunddervielfältigenAnforderungensinddabeivorallemgeeignete,aufdieverschiedenenAnwen-dungsfälleabgestimmteReferenzarchitekturenzuentwickelnundinStandardszuüberführen(s.EmpfehlungeninKapitel3).
6Mobilität/MobilitywirdhieralsintegrierteBetrachtungvonPersonen-undGüterverkehrverwendetundumfasstdamitauchdenBereich„Logistik“.
InDuStrIE 4.0 – DIE VIErtE InDuStrIEllE rEVOlutIOn gEStAltEn
20 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
•anwendung von cpps und methodische aspekteMitCPPSwerdenvertikaleundhorizontaleWertschöpfungs-netzwerkerealisiert,indenenDienstleistungen,dasEnginee-ring,dieProduktionsowiedieVermarktungundEinbindungvonKundenforderungendurchdenkonsequentenEinsatzderInformationstechnikmiteinandergekoppeltsind,wasinKapitel3und4mitfolgendenMerkmalenweiterpräzisiertwird:
1.horizontale Vernetzunginverteilten,nahezuinEchtzeitsteuerbarenWertschöpfungsnetzen
2.Vertikale VernetzungeingebetteterSystememitbetriebswirt-schaftlichenProzesseninFabrikenundUnternehmen
3.durchgängigkeit überdiegesamten lebenszyklenallerbe-trachtetenSysteme,insbesondereimHinblickaufEngineering,ProduktionundLogistik
•mensch und arbeit in der kooperation mit cpps InderdurchIndustrie4.0deutlichstärkervernetztenWelt
werdenauchandenMenschenneueAnforderungengestellt.DiesgiltsowohlfürdiekreativenPlanungs-undEntwicklungs-prozessealsauchfürdeneheroperativgeprägtenArbeits-prozessinProduktionundLogistik.NurwennderMenschimZentrumstehtundinrealeAblaufprozessegeeignetundmitsystemseitigerkontextabhängigerUnterstützungeingreifenkann,liefernCPPSeinenwirklichenMehrwert.
DiegenanntenThemenerfordernnachhaltigeForschungsan-strengungen,umSystemezuschaffen,dietatsächlichdiekomplexenAnforderungenerfüllenundzuSystemenführen,dieinihrerFlexibilitätundUnterstützungzurKomplexitäts-reduktionundzurBeherrschungbeitragen–undnichtselbstwiederQuellezusätzlicherKomplexitätsind(s.Kapitel3und4.4).
2.4 Die Vision Industrie 4.0 als teil einer intelligenten, vernetzten welt
Ineiner„intelligenten,vernetztenWelt“(Smart Globalized World)wirddasInternetderDingeundDienstewieausgeführtinunter-schiedlichenBedarfsfelderngenutztwerden:inderEnergie-versorgung(Smart Grids),indenVerkehrsnetzen(Smart Mobility,Smart Logistics)undinderProduktion(Smart Factories),woIndustrie4.0entsteht(S.Abb.11).
Industrie4.0ermöglichtdabeivorallemeinezunehmende flexibilisierungundrobustheitvonEngineering-,Produktions-undLogistikprozessen.Dadurchkönnendiezunehmende dynamikund komplexitätnachhaltigbeherrschtwerdenimHinblickauf:
•maschinenbaulicheundanlagentechnischeAusführungundBetriebkünftigerProduktionssysteme,
•Lifecycle-BetrachtungenbezüglichdeszuproduzierendenProdukts(Product Lifecycle Management,PLM),desdabeizu-grundeliegendentechnologischenProzessessowiederdabeigenutztenRessourceneinschließlichdesAngebotsdergene-rellzurVerfügungstehendenTechnologien,
•dieEnergieversorgungundUmweltbilanzierungkünftigerAn-lagenundFabrikeneinschließlichderMaterial-undRohstoff-versorgungwieauchderInter-undIntralogistikkünftigerFabrikenund
•dieEinbindunginimmerumfangreichereundsichschnelleränderndeumfassendeWertschöpfungsnetze.
CPPSerlaubendadurch,dassverteilteheterogeneProzesseundStrukturenzuhandhabbaren,effizienten,dynamischenundselb-storganisiertenWertschöpfungsnetzenzusammenwachsen.MenschenundMaschinenkommunizierenganzselbstverständ-lichineinemgemeinsamen„sozialen“Netzwerk.DiephysischeunddiedigitaleWeltwachsen zusammenunderöffnenneueMöglichkeitenhinsichtlichBedienbarkeit,Komplexitätsbeherr-schungundsomitderWertschöpfung.
•DieFlexibilitätunddynamischeKonfigurierbarkeitvonproduktionssystemenunterNutzungallgemeingültigerPla-nungs-undSteuerungskonzepteermöglicheneineoptimaleBedienungdersichkontinuierlichveränderndenKunden-undMarktanforderungen.
•Diesteigendeundzukünftigmanuellnichtmehrbeherrsch-bareKomplexitätvonEngineering-prozessen istdamitaufeinehöherePlanungs-undAbstraktionsebeneohneMedien-brücheverlagert,sodasssieintellektuellundumfangseitigimsichständigänderndenUmfeldleistbarbleibt.
21
•DieglobalenWertschöpfungsnetzeoptimierensichzukünftigselbst.SieerfüllenkomplexetechnischeundgeschäftlicheAnforderungenundbeherrschentechnischeundgeschäftlicheRandbedingungendurchdynamischeundselbstorganisierteInteraktionallerbeteiligtenKomponenteninderphysischenunddigitalenWelt.
DiemultilateraletechnischeIntegrationderEntwicklungs-undProduktionsprozessemussdabeisowohlinnerhalbeinerSmart FactoryalsauchineinerCloud-gestütztenFöderationvonSmart Factoriesbeherrschbarsein(vgl.Abschnitt2.2).
DerhierfürnotwendigeParadigmenwechselhinzurIndustrie4.0isteinlangfristiges Vorhabenundwirdnurineinemevolutio-närenProzessüberdezentraleUmstellungvonTeilbereichenmöglichsein.DervollständigeNutzenstelltsicherstspätereinundmussübereinegeschickteMigrationsstrategiemitfrühemTeilnutzenangegangenwerden.
Abb.11:EinordnungIndustrie4.0undSmart FactoryineinenGesamtkontext.
Smart Grids
Smart Logistic
Smart HomesSmart Mobility
CPPSCPS
Smart Buildings
Internet der Dinge
In
ternet der DiensteAbbildung 11:Einordnung Industrie 4.0 und Smart Factory in einen Gesamtkontext
Smart Factory
InDuStrIE 4.0 – DIE VIErtE InDuStrIEllE rEVOlutIOn gEStAltEn
22 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
3. DuAlE StrAtEgIE: lEItmArkt unD lEItAnBIEtErScHAft
DievierteindustrielleRevolution(„Industrie4.0“)bieteterheb-lichePotenzialefürdieproduzierendeIndustrieinDeutschland.EinerseitskanndievermehrteEinführung/derverstärkteEin-satzvonCyber-Physical Systems(CPS)indeutschenFabrikendenProduktionsstandortDeutschlanddurchEffizienzsteigerun-genderheimischenFertigungstärken.AndererseitsbirgtdietechnischeWeiterentwicklungvonCPSdurchdeutscheUnter-nehmensubstanzielleChancenfürdenExportvonTechnologienundProdukten.ZielvorgabebeiderUmsetzungdesZukunfts-projektsIndustrie4.0solltedahersein,dieMarktpotenzialefürdieproduzierendeIndustriezuhebenundmittelseinerdualenStrategieLeitanbieterschaftundLeitmarktfürIndustrie4.0zuerreichen(s.Abb.12).
IndenfolgendenAbschnittenwerdenVoraussetzungenundMarktpotenzialefürdieCPS-Domäne„produzierendeIndustrie“beschrieben,diemitderkonsequentenEntwicklungundEinfüh-rungvonCyber-Physical Production Systems(CPPS)verbundensind.DieHerleitungdessichinderGesamtheitdarstellendenPotenzialserfolgtschrittweiseindenAbschnitten3.1(Leitan-bieterperspektive)und3.2(Leitmarktperspektive).ImAbschnitt3.3werdendieLeitanbieter-undLeitmarkperspektivesynerge-tischineinerdualenStrategiezusammengeführt.
3.1 leitanbieterperspektive
DieLeitanbieterperspektivebeleuchtetdiePotenzialevonCPPSimWesentlichenausderSichtderAusrüsterindustrie.DieAus-rüsterindustriefürdasproduzierendeGewerbeistgrundsätzlichineinergutenStartposition,imBereichderEntwicklung,desBe-triebsundinderglobalenVermarktungvonCPPSeineFührungs-rolleeinzunehmen–insbesondere,weilsieeinerseitsalsAus-rüsterCPPSentwickeltundandererseitsimRahmendereigenenProduktionCPPSanwendenkann.NebendemMaschinen-undAnlagenbau,derAutomatisierungstechnik,dem Engineering undausgewähltenBereichenderInformations-undKommunikations-technologiesinddeutscheUnternehmenderAusrüsterindustriemitihrentechnischenLösungenweltweitführend.
Eskommtjetztaberdaraufan,technischhochstehendeLösun-genmitdenneuenMöglichkeitenderInformationstechnologieintelligentzuverknüpfen,umsoeinenInnovationssprung einzu-leiten.NurdurchdaskonsequenteZusammenführenderInfor-mations-undKommunikationstechnikmitdenklassischenHoch-technologieansätzenwerdendieVoraussetzungengeschaffen,diezunehmendeMarktdynamikundKomplexitätvonglobalenMarktabläufenzubeherrschenunddarausauchneueMarktposi-tionenfürdaseigeneUnternehmenabzuleiten:
•Dazuisteszunächstnaheliegend,diein anderen anwen-dungsbereichen gewonnenen erfahrungenbeimAufbauvonCPSzunutzenundsieimHinblickaufdiebesonderenBedürf-nissederProduktionweiterzuentwickeln.
•Danebenwirdesauchnotwendigwerden,eine hochleis-tungsfähige Infrastruktur zum datenaustausch zu realisie-renundangepassteMethodenundSystemezurDatensicher-heitundzumKnow-how-Schutzzuerforschen,umaufdieserBasisallerelevantenGeschäftsprozesse,wiebeispielsweisedieintegrierteProdukt-undProduktionssystementwicklung,dasEngineering,dieProduktionunddieLogistik,neuzugestalten.
LeitmarktLeitanbieter
Abb.12:GlobaleWettbewerbsfähigkeitdurchdieDualeStrategie.
23
DuAlE StrAtEgIE:lEImArkt unD lEItAnBIEtErwIErScHAft
InEinzelpunktenkanndieLeitanbieterperspektivefolgender-maßenzusammengefasstwerden:•InvielenBranchendesproduzierendenGewerbessinddeut-
scheUnternehmenweltweittechnischführendunddeshalbgrundsätzlich gut in der lage,eineLeitanbieterpositionimBereichvonCPPSzuentwickeln,anzuwendenundmarkt-relevantzurealisieren.
•DieEntwicklungeinerLeitanbieterpositionistabernurmög-lich,wenn die vorhandenen basistechnologien auf die besonderheiten der produktion angepasst beziehungsweiseanwendungsorientiert weiterentwickeltwerden.UmSka-leneffektezuerschließenundeineflächendeckendeWirkungzuerzielen,mussdiesinzweiRichtungengeschehen:
– TechnischeundinformationstechnischeWeiterentwicklung bereitsrealisierterAnlagenundProduktionenimHinblick aufdieRealisierungvonCPPS-Fähigkeiten(Brownfield)
– ErforschenundEntwickelnvonModellenundKonzepten zurAuslegungundRealisierungvonCPPS-Produktions- strukturenanneuenStandortenundfürneueMärkte (Greenfield)
•UmdieangestrebteFührungsrolleimBereichCPPSnachhaltigauszufüllen,müssenvorrangig forschungs-,technologie- und QualifikationsentwicklungeninfolgendenBereicheninitiiertwerden:
–EntwicklungvonMethodenundBeispielapplikationenim BereichderautomatisierungstechnischenModellierung undSystemoptimierung,insbesondereunterNutzungvon KI-Methoden(KünstlicheIntelligenz)
–NutzungundWeiterentwicklungdertechnischenInfrastruk- tureinschließlichleistungsfähigerBreitbandinformations- übertragungen
–AusbildungundQualifizierungvonFachpersonal;Entwick- lungvonmaßgeschneiderten,leistungsfähigenOrganisa- tionskonzeptenfürkomplexeArbeitszusammenhänge (Geschäftsverständnis,Produktentwicklung,Produktions-
systemeeinschließlichinterdisziplinärerKollaborationund Kooperation)
•EineweiterewichtigeAufgabeist,dietechnologien zu nutzen, um neu entstehende Wertschöpfungsnetze zu gestalten.Diesbeinhaltet
–aufdenverschiedenenInformationsebenenangepasste SystemezurDatensicherheitundzumKnow-how-Schutz zuentwickelnundeinzusetzensowie
–neuerGeschäftsmodellezuentwickeln,insbesonderedie ProduktemitgeeignetenDienstleistungenzuverknüpfen.
3.2 leitmarktperspektive
LeitmärktefürCPPSkönnensowohldurchdieproduzierendenUnternehmeninDeutschlandalsauchdurchglobaleProduk-tionsmärkterealisiertwerden.InsbesonderedieimAbschnitt4.1adressiertenLeitanbietersindmitdeneigenenFertigungen,wennhierCPPSrealisiertsind,RepräsentantenvonLeitmärkten.
UmLeitmärkteneuzugestaltenunderfolgreichzubearbeiten,werdensowohleineengeVernetzungvonanverschiedenenStandortenangesiedeltenTeileneinesUnternehmensalsauchinsbesondereKooperationenüberFirmengrenzenhinweger-forderlich.Dieserfordertwiederum,dasseinelogischeDurch-gängigkeitderverschiedenenLebenszyklenbezogenaufdasProdukt,ProduktprogrammunddiezugehörigenProduktions-systemebestehenmuss.DieVoraussetzungenunddenGestal-tungsrahmenhierfürschaffenCPPS.
EineNotwendigkeitundgleichzeitigeinebesondereHerausfor-derungistes,in diese neu zu gestaltenden Wertschöpfungs-netze gleichzeitig heute schon global agierende großunter-nehmen wie auch häufig noch regional agierende klein- und mittelstandsunternehmen (kmU) einzubinden.Dieheutevor-handeneStärkederproduzierendenIndustriebasiertwesentlichaufeinerausgewogenenIndustriestruktur,dieauseinerVielzahlmittelständischerUnternehmenundinderAnzahlwenigerGroß-unternehmenbesteht.VieleKMUsindaberaufdiesenStruktur-wandelnochnichtvorbereitet,seiesaufgrundfehlenderFach-kräfteoderaufgrundeinergewissenZurückhaltungundSkepsisgegenübereinemnochunbekanntenTechnologieansatz.
DieseHemmungenmüssenüberwundenwerden,umdieStruk-turstärkeausMittelstandundGroßunternehmenauchweiterhinzunutzen(s.dazuauchdieEmpfehlungenderAgendaCPS,20127).
EinSchlüsselansatzzurIntegrationmittelständischerUnter-nehmeninglobaleWertschöpfungsnetzeist,einen auch in die breite ausgerichteten Wissens- und technologietransfer zu konzipieren und zu realisieren.BeispielhaftkönnenhierPilot-anwendungenundBest Practice-RealisierungeninderVernet-zungvonGroß-undMittelstandsindustriehelfen,diePotenzialevernetzterWertschöpfungskettensichtbarzumachenundauchdenMittelstandzuüberzeugen,Methoden-undOrganisations-werkzeugesowieTechnologienvonLeitanbieternzunutzen.AufdieseWeisewerdenBarrierenfürmittelständischeUnternehmenabgebaut,dieMethodenvonCPPSkennenzulernen,sieanzuneh-menundimeigenenUnternehmensumfeldeinzusetzen.
7 S.acatechPOSITIONagendaCPS(2011):Kapitel6.5SchlüsselrolledesMittelstandsfürCyber-Physical Systems:„[…]NebenvereinfachtemZugangzuForschungsprojektensindweitereMaßnahmenfürdieStärkungvonKMUsinUnternehmensnetzenzuCyber-Physical Systems erforderlich.DasbetrifftRahmenbedingungen,OrganisationsmodelleundNetzwerke.PlattformenundVerbundprojektesindzuschaffen,diegezieltdenMittelstandeinbinden“,S.33.
24 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
ImEinzelnenkanndieLeitmarktperspektiveinfolgendenPunktenzusammengefasstwerden:
•LeitmärktefürCPPSwerdendurchdieproduzierendenUnter-nehmenimIn-undAuslandeinschließlichderbeteiligtenWert-schöpfungsnetzwerkegestaltet.
•UmerfolgreichLeitmärktezugestaltenundzubedienen,wirdeszukünftignotwendigsein,Vernetzungen über verschie-dene firmen und digitale durchgängigkeit über die ver-schiedenen lebenszyklen von produkten und produktions-systemen zu realisieren.DiesisteinoriginäresZielvonCPPS.
•EinErfolgsfaktorfürdieAnwendungvonCPPSinderprodu-zierendenIndustrieDeutschlandsist,methoden und Wege zu finden, die mittelständische Industrie beim aufbau und beim betrieb von cpps frühzeitig einzubinden.
•UmLeitmarktstrukturenaufzubauen,musseinegeeignete
dateninfrastrukturrealisiertwerden.DerschnelleundsichereAustauschgroßerDatenmengenisteineGrundvoraus-setzung.
3.3 Die duale Strategie (cPPS Strategie) und ihre kennzeichnenden merkmale
DieZielsetzungenvonIndustrie4.0werdennurdannoptimalerreicht,wennsowohldiePotenzialederLeitanbieterperspektivealsauchjenederLeitmarktperspektiveaufeinanderabgestimmtundineinerSymbiosezusammengeführtwerden.DieswirdimFolgendenalsdualeStrategiebezeichnet.ZusammenfassendkönnendiefolgendengrundsätzlichenCharakteristikaeinerdualen cpps-strategie genanntwerden,inderdieTechnologienundAnwendungenvonCPPSevolutionärweiterentwickeltwerden,wasinseinerGesamtheitabereineRevolutionzurFolgehabenwird(s.dazuauchKap.2.2):
•AufbauvonWertschöpfungskettenundWertschöpfungsnetz-werkenüberFirmengrenzenhinweg;dieswirdimFolgendenalshorizontale Integrationbezeichnet.
•AufbauundRealisierungvonflexiblenundrekonfigurierbarenProduktionssystemeninnerhalbeinesUnternehmens;dieswirdimFolgendenalsvertikale Integrationbezeichnet.
•Digitaledurchgängigkeit des Engineerings überdengesam-tenLebenszyklusdesProduktsunddeszugehörigenProduk-tionssystems
DiezuvorgenanntenMerkmalesindwichtigeBefähiger(Enabler)fürdieproduzierendeIndustrie,umineinemMarktgeschehenmithoherVolatilitätstabileUnternehmenspositionenzurealisie-renundaußerdemdieeigeneWertschöpfungaufsichänderndeMarktanforderungenflexibelanzupassen.DieMerkmaledieserdualenCPPS-StrategieversetzenproduzierendeUnternehmenindieLage,ineinemdynamischenMarktumfeldschnell,termin-treu,fehlerfreiundzuMarktpreisenzuproduzieren.DurchdiestrategischeEntwicklungundErtüchtigungderAusrüsterindus-triedürfen folgende zusatznutzenerwartetwerden:
•AusderführendenPositionDeutschlandsinderAusrüster-industrieherauserfolgteinekonsequenteWeiterführungund-entwicklungindenBereichderInternettechnologien.
•CPPS-LeitanbieterertüchtigendeutscheUnternehmen,insbe-sonderedenMittelstand,Zukunftstechnologienzuentwickeln,MarktpositionenauszubauenundBeschäftigungamStandortDeutschlandzuerhalten.
•CPPS-LeitanbieterexportierennebenTeillösungenCPPS-FabrikenderZukunft(Smart Factories).
•DurchhorizontaleIntegrationsindauchmittelständischeZuliefererindiesenExportpfadeingebunden.
•DeutscheproduzierendeUnternehmennutzendasgewonneneKnow-howundZeitvorteilezurFestigungundzumAusbaudereigenenWettbewerbsposition.
25
DuAlE StrAtEgIE:lEImArkt unD lEItAnBIEtErwIErScHAft
•DiedeutscheAusrüsterindustriewendetpilotartigCPPSinnationalenMärktenanundrealisiertsoApplikationsanwen-dungeninnationalenMärkten.DiessteigertdieSichtbarkeitunddasImagederdeutschenIndustrie.
EinedualeCPPS-Strategieistvondrei zentralen merkmalengekennzeichnet,dieimFolgendenausgeführtwerden:diehori-zontaleIntegrationüberWertschöpfungsnetzwerke,dievertikaleIntegrationundVernetzungderProduktionssystemeunddieDurchgängigkeitdesEngineeringsüberdengesamtenLebens-zyklus.
3.3.1 horIzontale IntegratIon über WertschöpfUngsnetzWerke
Modelle,KonzeptionenundRealisierungenzurhorizontalenIntegrationüberWertschöpfungsnetzwerkewidmensichderBeantwortungderHauptfrage:
Wie können die geschäftsstrategie eines Unternehmens und neuartige Wertschöpfungsnetze sowie vollständig neue ge-schäftsmodelle nachhaltig durch cpps unterstützt werden?
BeiderBearbeitungdiesesForschungs-,Entwicklungs-undAnwendungskomplexesmüssenfolgendeEinzelaspekteberück-sichtigtwerden:
•EineVernetzungüberUnternehmensgrenzenhinwegberührtrechtlicheFragen,Haftungsfragen,FragendesExportsundauchdesRisk Managements.DurchWechselwirkungentretenbeiderVernetzungoftemergenteGesamteffekteauf,aufdieinkurzerZeitdurchgeeigneteMaßnahmenreagiertwerdenmuss.
•AufBasisdesProduktprogrammsundderGeschäftsstrategie
beziehungsweiseneuerGeschäftsmodelleistesbesonderswichtig,dieeigeneMarktposition(Scale- / Scope-Orientie-rung),FragendesIn- und Outsourcingszusammenmitdenre-levantenFragendesKnow-how-Schutzessauberzudefinieren.
•BeihorizontalerIntegrationvonWertschöpfungskettenge-winnenFragenzuroptimalenBündelungvonSach-undDienst-leistungensowieQualifikationenundWissenüberUnterneh-mensgrenzenhinwegeinebesondereBedeutung.
•DasMonitoringundFeedbackproduktionsrelevanterDaten(Fabrik,Betriebsdaten,Logistik,Outsourcingetc.)musskonzipiertundprozesssicherrealisiertwerden.
•DieFestlegungundauchdiedynamischeAnpassungdergesamtenGeschäfts-undHerstellungsprozessevonderBe-reitstellungbiszurLieferungmüssenimVorfeldkonzipiertundrealisiertwerden.BeispielsweisekönnenhierFragenderLieferzeitundLiefertreue,derProduktqualitätund-haftung,umwelt-undressourcenrelevanteFragestellungen,Preisetc.alssignifikanteKriterienadressiertwerden.BeigleichzeitigerVernetzungmitkundenspezifischenForderungenundderkun-denbezogenenEinbindungindenGesamtprozesssindDesign-fragen,Konfiguration,Planung,ProduktionunddynamischeAnpassungvonProduktionskapazitätenundProduktionsfähig-keiten(wandelbareFabrik)undLogistik(selbstorganisierende,adaptiveLogistik)imBedarfsfallzuberücksichtigen.
•DerSchutzdeseigenenKnow-hows(Security,Knowledge Management)gegenübervernetztenPartnernundauchgegen-überderAußenweltmussgewährleistetsein.
•UnternehmensstrategischeFragen,wiedienachRessourcen-effizienz,nachhaltigerProduktions-undWirkungsgradsteige-rung,Energieeffizienz,Life Cycle Design,Qualifikations-undPersonalentwicklungetc.,müssenunternehmensindividuellberücksichtigtwerdenkönnen.
3.3.2 VertIkale IntegratIon Und Vernetzte prodUktIonssysteme
BeidervertikalenIntegrationstehtdieBeantwortungderFrageimVordergrund:
Wie können produktionssysteme unter nutzung von cpps flexibel und rekonfigurierbar gestaltet werden?
DerGestaltungsrahmendervertikalenIntegrationistimAll-gemeinendieFabrik,dieProduktionsstätte.HierausleitetsichauchdersynonymverwendeteBegriff Smart Factoryab.DasallgemeineKennzeicheneinerSmart Factoryist,dassdieProduktionsstrukturennichtvonvornehereinkonkretundfestvorgegebenwerden.
StattdessenwerdenKonfigurationsregelndefiniert,ausdenenfallspezifischundautomatisierteinekonkreteStruktur(Topolo-gie)samtallendamitverbundenenAbhängigkeiteninBezugaufModelle,Daten,KommunikationundAlgorithmenabgeleitetwird.
ImEinzelnenkönnenfolgendeAspektewichtigsein:
•DigitaleDurchgängigkeitvonAktor-undSensorsignalenüberverschiedeneEbenenbiszurERP-Ebene(zumBeispielSkalier-barkeitrespektiveDetailtreueindenAbstraktionsebenen,Echtzeitreaktionen,dynamischeAnpassungvonModellenanhandvonIst-Daten,AuswertungundAbgleichvonModellenanIst-Zuständenetc.)
26 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
•ModularisierungundWiederverwendung(zumBeispielRekonfigurierbarkeit,KategorisierungundSystematisierungvonModelltypen,AufbauvonKlassifizierungskonzepten,Interoperabilität,StandardisierungundNormungetc.)
•VernetzungundRekonfigurationvonProduktionsumgebungen(etwaintelligenteAnlagenfähigkeitsbeschreibungen,flexibleVorgabevonSystem-Zielen,Lernfähigkeit,Ad-hoc-Vernetzung,plug&produce,SelbstorganisationvonProduktionssystemeneinschließlichDeterminismusundRobustheitsbewertungetc.)
•UnterstützungderBeschäftigteninderProduktion(Nachvoll-ziehbarkeitvonEreignissenundEntscheidungen,AuslegungvonRegulierungsfunktionen)
•BerechnungenundBewertungenderEnd-to-End-Performance(Gesamtdurchsatz,Gesamtanlageneffektivität(OEE),Energie-undRessourcenverbrauchetc.)
•BerücksichtigungundImplementierungdernotwendigenSicherheits-undArbeitsschutzmaßnahmen
3.3.3 dUrchgängIgkeIt des engIneerIngs über den gesamten lebenszyklUs
DieangestrebtedigitaleDurchgängigkeitdesgesamtenEnginee-ringsunddamitVerschmelzungderdigitalenundrealenWeltüberdenLebenszykluseinesProduktsüberFirmengrenzenhin-ausundauchunterEinbeziehungvonKundenforderungenwirftfolgendeHauptfrageauf:
Wie können die geschäftsprozesse einschließlich des Engineering Workflows mithilfe von cpps durchgängig gestaltet werden?
DazusindfolgendeAspektezuberücksichtigen:
•DurchgängigkeitüberalleunterschiedlichenLebenszyklen(beispielsweiseProduct-Lifecycle-Management,Produktions-system-Lifecycle-Management-Konzepte,Werkzeugunter-stützung,Abstraktion/Verfeinerungetc.)
•DisziplinübergreifendeZusammenarbeitundUnternehmens-bereich-überschreitendesZusammenwachsenderdigitalenundrealenWelt(beispielsweiseVirtual Systems Engineering,Entwicklungsmethoden,AnforderungsermittlungundArchitek-turentwurf,frühzeitigeValidierung/Verifikationbeispiels-weisedurchSimulation,SkalierbarkeitundDetailtreueetc.),umdieimEngineeringnotwendigeKreativitätderBeschäftig-tennachhaltigzuunterstützen
•QualifizierungundUnterstützungdesinvolviertenFachperso-nalsbeiderEntwicklungundbeimEngineering(beispielsweiseWerkzeugunterstützung,VerständlichkeitundEinfachheit,Mensch-Maschine-KommunikationimSinnevonKnowledgebasedEngineeringetc.)
•ErhaltungdesWertsderinstalliertenBasis(beispielsweiseMigration,unterschiedlicheInnovationszykleninderdigitalenundrealenWeltetc.)
•BerücksichtigungunterschiedlicherstrategischerPotenzial-treiber(beispielsweiseinderEntwicklungvonProduktendiehöhereFlexibilitätdurchmehrVirtualitätstattPrototypenbau,inderProduktionniedrigereBetriebskostendurchFehlerver-meidungundBetriebsunterstützung,imAnlagen-EngineeringkürzereProjektlaufzeitenundbessereRisikobeherrschungdurchverbesserteProjektabwicklungssystematikenetc.)
kernaussage: MitCPPSwerdenvertikale und horizontale Wertschöpfungsnetzwerke realisiert,indenenDienstleistungen,dasEngineering,dieProduktion,dieLogistiksowiedieVermarktungundEinbindungvonKundenforderungendurchdenkonsequentenEinsatzderInformationstechnikmitein-andergekoppeltsind.DieUmsetzungdesZukunftsprojektsIndustrie4.0solltesowohlhinsichtlichderForschungsförderungalsauchderkonkretenEntwicklungs-undUmsetzungsschritteimSinneeinerdualenStrategieaufdiebeidenZielsetzungenLeitmarktundLeitanbieterschaftausgerichtetsein.
4 wO lIEgt DEr fOrScHungSBEDArf?
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Industrie 4.0 ist eines der zukunftsprojekte der Hightech-strategie 2020 der bundesregierung,dasmitinsgesamtca.200MillionenEuroimRahmendesAktionsplansder High-TechStrategievomBundesministeriumfürBildungundForschung(BMBF)undvomBundesministeriumfürWirtschaftundTechno-logie(BMWi)aufgrundeinesKabinettbeschlussesgefördertwerdensoll.AlsAnregungundOrientierungfürdieGestaltungderentsprechendenFörderprogrammedurchdieMinisterienhatder arbeitskreis Industrie 4.0 die wichtigsten mittel- und langfristigen forschungsbedarfe aus sicht der Wirtschaft und Wissenschaftermittelt.DiefolgendenForschungsbedarfevertiefendabeidieEmpfehlungenderPromotorengruppeKOM-MUNIKATION,dieinFormzweierBerichte(JanuarundSeptem-ber2011)inderForschungsunionvorgelegtwurden.DiedarinenthaltenenEmpfehlungen,dieErgebnissedesBMBF-geförder-tenProjekts„IntegrierteForschungsagendaCyber- Physical Systems“8sowiederBMWi-Studie„DaswirtschaftlichePotentialdesInternetsderDienste“umzusetzen,behaltenentsprechendihreGültigkeit.DiefolgendenForschungsbedarfesinddaheralsErtüchtigungderIKT-undKI-BasistechnologienfürdieAutoma-tisierungs-undProduktionstechnikeinschließlichderWeiterfüh-runggenerellerForschungsbedarfezusehen,gleichzeitigalsKonkretisierungderHandlungsbedarfezurRealisierungderimVorfeldbeschriebenenSzenarienindemkonkretenAnwen-dungsbereich„industrielleProduktion“.
InterdisziplinaritätisteinewesentlicheVoraussetzungzurRealisierungderdurchCPPSerforderlichen„Vernetzung“inderProduktionsforschung.Diebereichsübergreifende,interdiszipli-näreZusammenarbeitistBefähiger(Enabler)fürdenmittelstän-dischgeprägtenMaschinen-undAnlagenbau,umschnelleramMarktzuagierenundsichalsLeitanbietervielerneuerProdukte,DienstleistungenoderGeschäftsmodellezuetablieren.Inter-disziplinaritätbedeutetzudem,dassdieBeschäftigtenmitihrenFähigkeitenundErfahrungensowohlindiekreativenEntwurfs-undPlanungsprozessealsauchindasoperativeArbeitsumfeldstärkereingebundenwerden.CPPSerforderndaherauchneueArbeitsstrukturen,dieinsgesamtdieLeistungsfähigkeitderBe-schäftigtenfördern.
4.1.1 clUsterIng der handlUngsempfehlUngen
DieHandlungsempfehlungensindanhandvonZeithorizontenindreiClusteraufgeteilt:
kurzfristig:Handlungsempfehlungen,derenUmsetzungohneForschungsbedarfnaheliegendistunddiekurzfristigumgesetztwerdenkönnen.
HierzukannaufbestehendeunderprobteMethoden,Werk-zeugeundTechnologienzurückgegriffenwerden.DieUmsetzun-genkönnendirektinitiiertwerden,eineUnterstützungdurchForschungsprogrammeistnichtnotwendig.DieRealisierungistinnerhalbeinesJahresmöglich.
mittelfristig:Handlungsempfehlungen,derenUmsetzungeinebranchen-oderteilspezifischeEntwicklungvonMethoden,WerkzeugenoderTechnologienerfordert.Deshalbisteinean-wendungsnaheForschungsförderungnotwendig.DieMethoden,WerkzeugeundTechnologienzurRealisierungvonCPPS-Strukturenliegenzwarvor,aberdieAnwendungundRealisierungistnichtnaheliegend.DienotwendigenForschungs-undEntwicklungsarbeitenhabenfürdieAutomatisierungs-undProduktionstechnikbranchenspezifischrepräsentativenCharak-terodersiezeigenexemplarischdenWeginneueGeschäfts-modelle,Pilotanwendungenetc.DerEntwicklungs-undAnpas-sungsbedarfhatvorwettbewerblichenCharakter.DieRealisie-rungszeitbeträgtzweibisdreiJahre.DanachwerdendieErgeb-nissesukzessiveinbreiteIndustrieanwendungenausgerollt.
langfristig:Handlungsempfehlungen,zuderenUmsetzungumfangreiche,längerfristigangelegteForschungs-undEntwick-lungsarbeitennotwendigsind.
8S.ForschungsempfehlungenzuCPSinderProduktion:„DerEinsatzvonCyber-Physical SystemsinProduktionssystemenführtzur„Smart Factory“.DerenProdukte,RessourcenundProzessesinddurchCyber-Physical Systemscharak-terisiert;durchderenspezifischeEigenschaftenbietetsieVorteileinBezugaufQualität,ZeitundKostengegenüberklassischenProduktionssystemen.Empfohlenwird,imRahmender2011gestartetenInitiative„Industrie4.0“einentsprechendesProjektaufzusetzenmitdemZiel,technologischeundwirtschaft-licheHemmnissezubeseitigenunddieRealisierungunddenEinsatzvonSmart Factorieszuforcieren.“acatechPOSITIONagendaCPS(2011),S.35.
4.1 leitlinien und Struktur der Handlungsempfehlungen
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SiedienendergrundsätzlichenBefähigungvonUnternehmen,sichinLeitanbieterpositionenzuentwickelnoderLeitmärktezugestalten.HierzugehörenzumBeispieldieErforschungundValidierungvonModellenundMethodenzurEinbindungdesMittelstandsinhorizontaleundvertikaleWertschöpfungsnetze.AußerdemmüssendieübergeordnetenFragenzurSicherheitundauchzurDateninfrastrukturnachhaltiggelöstwerden.AberauchgezielteGrundlagenforschungmussinitiiertwerden.DerZeithorizontbeträgtmindestensfünfJahre.
4.1.2 motIVatIon für dIe mIttel- bIs langfrIstIge forschUng In IndUstrIe 4.0
InIndustrie4.0werdendierevolutionärenAnwendungenvor-rangigdurchdieKooperationderInformations-,derKommunika-tions-,derProduktions-undderAutomatisierungstechniker-wartet.DabeimüssenEigenschaftenderzeitigerCPSerstmittel-fristigfürdenEinsatzinProduktionssystementauglichgemachtwerden,womitCPSzuCPPSmigrieren.NebendemphysischenEinsatzderCPS-KomponentenimProduktionssystemliegtdieStärkedesdeutschenMaschinen-undAnlagenbausinsbeson-dereindenzielgerichtetenkreativenEntwicklungsprozessenzurSchaffungneuerCPPS.
DiedamitverbundenehöhereStufeder„Vernetzung“aufgrundderDurchgängigkeitvonModellendesProdukts,desProduk-tionsmittelsunddesProduktionssystemsbirgtlangfristignochimmensenForschungs-,Entwicklungs-sowieStandardisierungs-bedarf.DazuzählenaucheineSuchenachneuartigenGeschäfts-modellensowiedieaufBasisderVernetzungsmöglichkeitmitsozialenNetzwerkeneinhergehendeUntersuchungmöglicherBegleitumständediesersignifikantflexibilisiertenBeschäfti-gungsverhältnisse.
DerSchwerpunktzukünftigerForschungstätigkeitenverlagertsichhinzurUntersuchungundEntwicklungvollständigbeschreib-barer,abernochbeherrschbarer,Kontext-abhängiger(selbsttätig)regelbarerProduktionssysteme.DiesewerdenlangfristigausCPS-Funktionskomponentenbestehen,diedisziplinübergreifen-denmodularenBaukastensystemenentstammenundentwedermitAssistenzfunktionenkonfiguriertwerdenkönnenodersichwährendderLaufzeitsynergetischineinebestehendeInfrastruk-tureinbinden.DabeiwirddieVerflechtungvonvirtuellgeplantenundrealenProzessensignifikantzunehmen.AusForschungssichtergibtsichdaherdieNotwendigkeit,langfristigmodularisierteCPPSzuentwickeln,dieBestandteileinerexemplarischen Smart Factorysind.
fazit: Industrie4.0ertüchtigtCyber-Pysical Systems zurAnwendunginderproduzierendenIndustriedurcheinemodelltechnisch,architekturell,kommunikationstechnischundinteraktionsmäßigdurch-gängigeBetrachtungvonProdukt,ProduktionsmittelundProduktionssystemunterBerücksichtigungsichändernderundgeänderterProzesse.DamitmigrierensiezuCyber-Physical Production Systems(CPPS)undfindeninsmartenProduktionssystemenVerwendung.
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wO lIEgt DEr fOrScHungSBEDArf?
DienachfolgendenkonsolidiertenForschungsempfehlungensind–nebendemClusterZeithorizont–gemäßdergrundsätzlichendrei charakteristika der dualen cpps-strategieausKapitel3geclustertundprimärdurchdieAnwendunggetrieben.ZusätzlichwerdendiebeidenCluster menschenzentrierung undtechnolo-giederCPPSaufgenommen,dieeherdurchdieverfügbarenIkt-technologienundcps-produktegetriebensind.DabeiistdieseAbgrenzungaufkeinenFallscharfzusehen,danaturgemäßvieleEmpfehlungenmehrereClusterbetreffen.
4.2.1 horIzontale IntegratIon über WertschöpfUngsnetzWerke
IndiesemAbschnittsindForschungsempfehlungenformuliert,umdieGeschäftsstrategieeinesUnternehmensundneuartigeWertschöpfungsnetzesowievollständigneueGeschäftsmodellenachhaltigdurchCPPSzuunterstützten.
4.2.1.1 gestaltUng Von WertschöpfUngs netzWerken Und geschäftsmodellen
CPPShabendasPotenzial,imSinneeinerradikalenDisruptiondieIndustriezurevolutionierenundsomittradierteGeschäfts-modelleabzulösen.DeshalbmüssendurchentsprechendeForschungsvorhabendiemöglichengeschäftlichenBedrohungenundKonsequenzensystematischanalysiertwerdenundHand-lungsempfehlungenabgeleitetwerden.
•ImSinneeines„Frameworks“istdasThemenfeldWertschöp-fungsnetzwerkeineinersystematischenWeiseimHinblickaufZielsetzungen,Treiber,PotenzialeundRandbedingungenzustrukturieren.DazugehörtaucheineumfassendeZusammen-stellungvonexistierendenBespielen,Best-Practice-Sammlun-genundErfahrungenausanderenIndustrienundeineÜber-tragungdesGedankengutsaufdieProduktion[mittelfristig].
•EsistimSinneeinesübergreifenden„Frameworks“dasThemageschäftsmodelleineinersystematischenWeisezustruktu-rieren.EsgibtderzeitverschiedensteAnsätzedafür,allerdingssinddieseoftnichtkompatibelzueinander.EingemeinsamesVerständnisüberGeschäftsmodelleisteinezentraleVoraus-setzung,umdiePotenzialeeinerfirmenübergreifendenVernet-zungnachhaltighebenzukönnen.NebeneinerVereinheitli-chungundKonsolidierungexistierenderAnsätzeisteinsyste-matischesErfassenvonBest-PracticesundErfahrungen,ins-besondereauchausanderenBranchen,notwendigsowieeineÜbertragungaufdieProduktionundAnalysedersichdarausergebendenKonsequenzen[mittelfristig].
•EssindMethodikenzuranalyse und bewertung der wirt-schaftlichen und technologischen potenzialevonCPPSzuentwickeln,umAussagentreffenzukönnen,unterwelchen
Randbedingungen(beispielsweiseimHinblickaufZeit,Ge-schäftsmodell,Brancheetc.)sichderEinsatzvonCPPSwirt-schaftlichrechnetundunterwelchenBedingungeneinEinsatzvonCPPSnichtzielführendseinkönnte.DazusinddieVoraus-setzungen,TreiberundKonsequenzenvonCPPSsystematischzuerarbeiten.AlsVorarbeitsolltenhierzudieentsprechendenKapitelundAbschnitteausderAgendaCPS(2012)genutztwerden.[mittelfristig].
•NebeneinersystematischenErarbeitungisteineumfassende pilotierungdererarbeitetenKonzeptenotwendig,umdieThemenwie(neue)Geschäftsstrategien,Geschäftsmodelle,GeschäftsprozesseunterstärkererEinbeziehungvonKunden,Lieferanten,PartnernundMarktunterpraktischenGesichts-punktenzubeleuchten.DazusolltenfürdiekonkretenBei-spieleBusiness-PläneerstelltundErfahrungenbezüglicheiner„Orchestrierung“gesammeltwerden,wasdannauchinFormvon(zukünftigen)AnforderungenanCPPSalsPlattformzurUnterstützungvonWertschöpfungsnetzwerkenveröffentlichtwerdensollte[mittelfristig].
• DerAustauschunddieZusammenarbeitmitdemQuer-schnittsthema „geschäftsmodellinnovationen“ derForschungsunionwirdempfohlen,umSynergieeffektezunutzen[kurzfristig].
4.2.1.2 gestaltUng Und schUtz des eIgenen WIssens
DaseigeneWissenistvonzentralerBedeutungfüreinUnter-nehmen.CPPSermöglicheneineneueDimensionderFormali-sierungvonWissen.Deshalbmüssenadäquate,zuverlässigeundwirtschaftlicheLösungenfürdenSchutzvonWissenentwickeltundetabliertwerden.DiePromotorengruppe„Sicherheit“derForschungsunionerarbeitetdazuimRahmenihresZukunftspro-jekts„SichereIdentitäten“übergreifendeHandlungsempfehlun-gen;dieVerzahnungzwischenIndustrie4.0unddiesemweiterenZukunftsprojektwirddahernachdrücklichempfohlen.
•ImSinneeinerWissens-landkarte solltedasimKontextvonCPPSrelevanteWissenzusammengetragenundkategorisiertwerden,umdaraufaufbauendverschiedeneBedrohungssze-narienundMöglichkeitenfürdieunterschiedlichenArtenvonWissenbezüglichSchutzbeziehungsweiseManagementdesSchutzeszuerarbeiten.DabeisindgesetzlicheundtechnischeRandbedingungen,wiebeispielsweisebeisicherheitskriti-schenSystemendieOffenlegungdurchSicherheitsnachweise,zuberücksichtigen.EssinddazuauchBestPractice-Commu-nitiesundErfahrungsaustauscheanzustoßen[mittelfristig].
•BesondereBedeutungkommtderGestaltungdesWissens über produktionssystemezu.HiersindinsbesondereFragenderDurchgängigkeitundVollständigkeitvonWissensmodellen
4.2 konsolidierte forschungsempfehlungen
30 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
überdengesamtenLebenszyklussowiedieKonsistenzzwischenderdigitalenundrealenWeltzuadressieren[mittel-fristig].
•UmdasstetigeWachstumvonProduktpiraterieunddenDieb-stahlgeistigenEigentumseinzudämmen,müssendasKopierenunddasReverse-EngineeringvonCPS-undCPPS-Produktenverhindertwerden.EinenForschungsaspektsolltedaherdieEntwicklungtechnischer konzeptefürKapselungundSchutz(zumBeispielPlagiate,Gütesiegel,Echtheitszertifikate)vonWissenundInformationbilden.Nebeneindeutigenundsiche-renProduktidentitäten,wiedigitale typenschilderundWis-sensmodellefürdenmaschinellenAustauschvonFähigkeitenundFunktionalitäten,sinddieThemenIndustrial IT-Security,Verschlüsselungsmechanismensowie„Embedded Security“zumSchutzvorProduktpirateriezuerforschen(s.dazuauchBerichtderPromotorengruppeSicherheit) [mittelfristig].
•NebenderEntwicklungvonMethodenundTechnologienistdiepraktische erprobunginFormvongeeignetenPilotierungennotwendig,wodieentwickeltenKonzepteprototypischinFormvonAlgorithmen,ApplikationenundFallstudienimplementiertwerden[mittelfristig].
•Darüberhinaussolltenaberauchmöglicheneue konzepte und VerfahrenzumSchutzvonWissenerforschtwerden[langfristig].
4.2.1.3 standardIsIerUng
Erstübereingemeinsamgetragenes,technischesundbetriebs-wirtschaftlichesVerständnis,dassichinentsprechendenSchnitt-stellenundStandardsmanifestiert,isteinebranchenweiteVer-netzungvonIndustrie-undLogistikunternehmenmöglich.DiesesBewusstseineinschließlichderdamitverbundenenKonsequen-zenistzuschaffenundgemeinsamzugestalten.
•Esmussbottom-updieDiskussioneinerstandardisierungs-strategiefürIndustrie4.0initiiertwerden.ImVerlaufediesesProzessesmüssenbereitsexistierendeAnsätzezurStandardi-sierung(nichtnurTechnologienwieIdentifikationskonzepte,sondernauchmechatronischewieetwafunktionaleBetrach-tungen,ProzesseundWorkflows,High-level-Architekturenetc.)imHinblickaufVerwendbarkeitimKontextvonCPPSanalysiertundbewertetwerden.DaraussollteeineRoadmapbezüglichderUmsetzungabgeleitetwerden(welchevorhandenenNor-men/Richtliniensindanwendbarbeziehungsweiseanzupas-sen,woistHandlungsbedarfbezüglichneuerAktivitäten).ZuberücksichtigensinddabeiinsbesondereauchAufwand-Nutzen-BetrachtungensowiederAspektderzeitlichenUm-setzung(s.hierzuauchdieEmpfehlungenzurStandardisierunginderAgendaCPS,S.31und32)[kurzfristig].
•ImSinneeiner„top-down“-InstitutionsollteeinIndustrie 4.0-arbeitskreis standardisierungeingesetztwerden,deroffenundtransparentorganisiertistundderauseinerganz-heitlichenBetrachtungherauseinBig PicturederStandardisie-rungmoderiert,Empfehlungen(beispielsweisebezüglichMig-ration)ausspricht,überBranchen-undProjektgrenzenhinwegStandardisierungsaktivitätenevaluiertundkommuniziertsowiedurchInnovationsübertragungweitereInnovationenstimuliert.WichtigistdabeiauchdieDiskussioneinersinnvollenGrenzezwischenStandardisierungundIndividualitätsowiedieFragederbeteiligtenStakeholderbeiderSchaffungundNutzungvonStandardssowiegegebenenfallsLizenzmodellen[kurzfristig].
4.2.1.4 sIcherstellUng der nachhaltIgkeIt (SUStainability )
NebendemErhalt(undderErhöhung)desWerteseinerinstal-liertenBasisimUmfeldvonCPPSmussbereitsheutebeiProduk-tionssystemennebenderProduktivitätauchdieressourcen-effizienzalsgleichrangigberücksichtigtwerden.BesonderswichtigistaberdasganzheitlicheDenkeninbalanciertenKreis-läufen,dasdenEinsatzvonCPPSzukünftigleitenundprägensollte.
•DerAspektderWerterhaltung der installierten basis von produktionsanlagen(diskret,kontinuierlichoderinderKom-bination)mussbetrachtetwerden.ZukünftigwerdenzumindestinEuropameistexistierendeProduktionssystemezumoderni-sierensein,womaninsbesonderediedeutlichunterschied-licheLängederInnovationszykleninderdigitalenundrealenWeltberücksichtigenmuss.DazusindgeeigneteStrategienundKonzeptezuerarbeiten[mittelfristig].
•DiePotenzialederressourceneffizienz, produktivitäts- und Wirkungsgradsteigerung,Energieeffizienz,Energiebetrach-tungwiedasVermeidenvonEnergiespitzen,Material Lifecycle Assessment,Recyclingetc.müssenkonsequentausgeschöpftwerden.DabeiistunterNutzungvonCPPSdasGesamtopti-mumbezüglichProduktivitätundWirkungsgradeinschließlichRessourceneffizienzzubetrachten.NotwendigsinddieEnt-wicklungentsprechenderMethodenundKonzeptesowiediePilotierungdurchprototypischeUmsetzungen[mittelfristig].
•NebendemverstärktenBetrachtenneuerRecyclingstrategien,wiebeispielsweiseeine„saubere“Rückgewinnungvonsel-tenenErden,istinsbesondereeinganzheitlichesdenken in balancierten übergeordneten zyklenbezüglichMaterialundEnergienotwendig.DieswirdeinerseitsverstärktAuswirkun-genaufeinressourcenschonendes,montagegerechtesundneuartigesDesignkünftigerKomponenteninProduktionsum-gebungenhaben,andererseitsstehteineökologischeGesamt-betrachtung(CO2-Footprint,Sustainability-Indexusw.)imMittelpunktdesHandelns.Dieswirdsichinsbesondereauch
31
positivaufdieAußenwahrnehmungeinesUnternehmensinderGesellschaftundamArbeitsmarktauswirken.DieEntwicklungundEinführungmaterial-undenergieeffizienterTechnologienistinderBreitezuforcieren[langfristig].
4.2.2 VertIkale IntegratIon Und Vernetzte prodUktIonssysteme
HiersindForschungsempfehlungenadressiert,umProduktions-systemeunterNutzungvonCPPSflexibelundrekonfigurierbarzugestalten.
4.2.2.1 prodUktIonsreleVante entWIcklUng lokal oderglobal Vernetzter Und echtzeIt fähIger sensoren / aktoren
DurchCPPSisteinesignifikanteSteigerungvonzusätzlicherSensorikaberauchneuerAktorikinProduktionssystemenzuer-warten.DiedamitverbundenenHerausforderungensindsowohlwirtschaftlichalsauchalgorithmischundinformationstechnischzulösen.
•EsmüssenForschungsbestrebungeninBezugaufeinead-hoc-Verteilung und Vernetzung von sensorik initiiertwerden.DabeisollteunteranderemdieEigenparametrierungund-diagnosedurchdieErkennungvonkontextbehaftetenZusammenhängenimVordergrundderBetrachtungenstehen.AußerdemistdieUntersuchungeinerbildgestütztenAuswer-tunginderProduktionzuforcieren[mittelfristig].
•EinweitererSchwerpunktsolltediesystematischebestim -mung von lebensdauermodellenbildensowiediedamitein-hergehendeDynamisierungvonModellenderSimulationaufBasisvonMessungeninderrealenProduktion.DiesgiltsowohlfüreineKomponenteeinesCPPSalsauchfüreineAnsamm-lungvonKomponenteneinesCPPSinnerhalbeinessmartenProduktionssystems[mittelfristig].
•SoftwareseitigmüssennebenderInformationserfassungdurchSensoreninsbesonderealgorithmen und methoden zur In-formationsfilterung und -aufbereitung beziehungsweise zur intelligenten Verarbeitung(Fusion)undzuderenexpliziterEinbettunginstandardisierteFrameworksentworfenwerden.
DabeiistinsbesonderedieEinbringungerprobterMethodenderKünstlichenIntelligenz(KI)indieindustrielleAutomatisie-rungstechnikerforderlichzwecksAuswertungeinerVielzahlskalarerundkomplexerSensorenundihrerVerdichtungzuhöherwertigenAussagen [mittelfristig].
•BezogenaufdenkooperativenArbeitsaspektsollteauchdieaktuatorischunterstützteAssistenzdesBeschäftigtenimVor-
dergrundstehen.Hierkönntedieanwendungs-orientierteForschungzueinerneuen generation von leichtbauroboternführen.Dieseermöglichenbeispielsweise,dassFachkräftegefahrlosarbeitenundsieals„Dienstleister“unterderenLeitungzusätzlichedynamischadressierbareHilfenanbieten.DabeiwirdeinmenschenähnlichesReaktionsverhaltenge-fordert,umeineengeZusammenarbeitalsrobusterAssistentzugewährleisten[mittelfristig].
4.2.2.2 modUlarIsIerUng Und WIederVerWendUng
FlexibilitätundRekonfigurierbarkeitvonCPPSkönnennurerreichtwerden,wenndenProduktionssystemen,dieheuteUnikatesind,zukünftigeinestringenteModularisierungzugrundeliegtunddar-auseinesystematischeWiederverwendungresultiert.Entschei-dendist,dassauchbeiderModularisierungundWiederverwen-dungdieInterdisziplinaritäteinführendesArchitekturprinzipist.
•WichtigistindiesemZusammenhang,disziplinübergreifendeineBestandsaufnahmeunddamiteinhergehendebegriffs-klärungimHinblickaufModularitätundWiederverwendungdurchzuführen.IndenverschiedenenDisziplinengibtesvielfäl-tigedisziplinspezifischeKonzepte(Plattformen,Produktlinien,Baukästenetc.),dieaberwederbegrifflichnochkonzeptionelldisziplinübergreifendkompatibelsind.IndiesemProzessmüs-seninHinblickaufdieKlassifizierungunddiewährendderNutzungangestrebteWandelbarkeitbeziehungsweiseRekonfi-gurationalleKonzeptemöglichstbreitberücksichtigtwerden.DieErgebnissesollteningeeignetenRichtliniendokumentiertwerden,aberauchindieLehreeinfließen [mittelfristig].
•Essindkonzepte, methoden und richtlinien(imSinnevonEmpfehlungen)zurModularisierungzuerarbeiten.NebeneinerSystematisierungundTypisierungsindKriteriennotwendig,umModularisierungs-undWiederverwendungskonzeptequalitativ,quantitativsowietechnischalsauchbetriebswirtschaftlichzubewerten.FlankierenddazusolltenBest PracticesgesammeltundErfahrungsaustauscheangestoßenwerden[mittelfristig].
•UnterdemGesichtspunktderAutomatisierungvonProduk-tionsanlagenhatdasThemaderdezentralisierungeinebe-sondereBedeutung.Esistwichtigzuverstehen,woineinemkonkretenFalldas„Optimum“einerDezentralisierungaustechnischerundbetriebswirtschaftlicherSichtliegt.Überge-ordnetesZielisteineInteroperabilitätzwischenunterschied-lichenbeziehungsweiseheterogenen Engineering-undSteue-rungs-beziehungsweisekontinuierlichenunddiskretenRe-gelungssystemen,wobeisichdieAbhängigkeitenzurLaufzeitdynamischverändernkönnen[mittelfristig].
•DieKonzepteundMethodensindinpraxisrelevanten an-wendungsfällenzuerproben,umsoeinenProof of Conceptzuerbringen [mittelfristig].
wO lIEgt DEr fOrScHungSBEDArf?
32 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
4.2.2.3 IntellIgenz, flexIbIlItät Und WandlUngsfähIgkeIt
RekonfigurierbarkeitundWandlungsfähigkeiterfordern,dieimFolgendenspezifizierteIntelligenzeinesProduktionssystemsaufeiner„höheren(Modell-)Ebene“zubetrachten.UmdiedamitverbundenenPotenzialezuhebenunddieseAspekteinderPra-xiseinsetzenzukönnen,müssensiezunächstverstanden,dannangewandtundschließlichauchbeherrschtwerden.
•NebendenPotenzialenzukünftigerflexiblerundwandlungsfä-higerProduktionssystemesindauchganzheitlichdiegenauenanforderungen einschließlich der treiberanzukunftswei-sende,wandelbareCPPSzuermittelnundzubewerten.AusdieserBewertungsinddietreibendenarchitekturellenMerk-malewandelbarerCPPSineinerganzheitlichenSichtzuer-mitteln[mittelfristig].
•FlankierendzueinersystematischenAnforderungserhebungsindausgewählte prototypen, pilotanwendungen und fall-beispielezuerstellenundzubearbeiten,umfrühzeitigeinFeedbackausderPraxisindieWeiterentwicklungderMetho-denundTechnologieneinfließenzulassen[mittelfristig].
•FlexibilitätundWandelbarkeiterfordernausderIKTange-passtebeziehungsweiseneuemethoden, konzepte und be-schreibungsmittelinFormintelligenterAnlagen(fähigkeits-)beschreibungen,umflexibeldieVorgabevonSystemzielenfor-mulierenzukönnenunddabeidieAspekteLernfähigkeitundAd-hoc-Vernetzungsowieplug & producezuberücksichtigen[langfristig].
•ZudemerfordernFlexibilitätundWandelbarkeitneuestrate-gien undalgorithmen.DiesbetrifftoptimierteSteuerungs-strategienfürwandelbareProduktionssysteme,insbesondereunterdenAspektenderDezentralisierung,der(Re-)Konfigu-rationundderAd-hoc-Vernetzung.Letztendlichmussdurchgeeignete„Intelligenz“dieEnd-to-end Performancesicher-gestelltwerden–undzwarnichtnurinnerhalbeinesUnter-nehmens,sondernüberdasgesamteWertschöpfungsnetz-werkhinweg[langfristig].
•LangfristigsindbelastbareAntwortendaraufnotwendig,wieemergente gesamteffekte beherrschtwerdenkönnen(s.Kapitel4.3).EssinddieverschiedenenEinflussfaktoren(etwaKomplexitätundDynamik,Selbstorganisation,Kognition,Lern-fähigkeitetc.)undAnforderungen(wieStabilität,Robustheit,Determinismus,Nachvollziehbarkeit,Zertifizierung,Securityetc.)systematischzuerfassenundimHinblickaufmöglicheKonsequenzenumfassendzuerforschen[langfristig].
4.2.3 dUrchgängIgkeIt des engIneerIngs über den gesamten lebenszyklUs
HiersinddieForschungsempfehlungenadressiert,umGe-schäftsprozesseeinschließlichdesEngineering Workflowsmit-hilfevonCPPSdurchgängigzugestalten.
fazit: Langfristigwerdenproduktlebenszyklusübergreifende Wissensmodelle,dieauchinter-disziplinäre zusammenhängeunddieAutomatisierungstechnikberücksichtigen,fürdenkreativen,denmaschinellensowiedenmenschzentriertenInformationsaustauschbenötigt.
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4.2.3.1 co-modellIerUng – bIdIrektIonale modellIerUng der realen Und VIrtUellen prodUktIon
DastechnischeVerschmelzenderdigitalenundphysischenWeltverfolgtinsbesonderezweiZiele:ImSinnevonPlanungsmodellenermöglichtes,diekreativeWertschöpfungvonIngenieurentrans-parentzumachenundschafftdamitdieGrundlage,komplexeSystemeüberhaupterstellenzukönnen.Außerdemermöglichtes,mithilfevonErklärungsmodellenkomplexeSystemezuanaly-sierenbeziehungsweiseDesign-EntscheidungenvonIngenieurenzuvalidieren.über die planungsmodelle hat also die digitale Welt signifikanten einfluss auf das design der realen Welt, über die erklärungsmodelle hat umgekehrt die reale Welt ein-fluss auf die modelle der digitalen Welt.BenötigtwirdhierzueinwissenschaftlichesFundamentimSinneeinerproduktions-technischenModellierungstheoriefürdenMaschinen-undAnlagenbau.
•DasThema „modellierung technischer systeme“istinseinerbegrifflichkeit undineinemdisziplinübergreifendenAnsatzzusystematisieren.NebeneinemAbgleichderunterschiedlichs-tenBegriffeisteineErläuterunganhandvonUse Casesbezie-hungsweiseSzenariensinnvoll.DaraufaufbauendmusseinInstrumentariumgeschaffenwerden,umverschiedeneTreiberfüreineModellierunggemeinsamdiskutierenzukönnen(etwainderEntwicklungvonProduktenhöhereFlexibilitätdurchmehrVirtualitätstattPrototypenbau,inderProduktionniedri-gereBetriebskostendurchFehlervermeidungundBetriebs-unterstützung,imAnlagen-EngineeringkürzereProjektlauf-zeitenundbessereRisikobeherrschungdurchverbesserteProjektabwicklungssystematiken).UmdienächsteGenerationIngenieuregeeignetvorzubereiten,sinddieErgebnissesowiedieBegrifflichkeitenebenfallsinderAusbildungsowieinderproduktionstechnischenLehredisziplinübergreifendaufzuneh-men[mittelfristig].
•EssindbewährteBeschreibungsmittelundMethodenein-schließlichdamitverbundenerBasistechnologienausderIn-formatikimHinblickaufeinenbreitenEinsatzindenIngenieur-wissenschaftenzuertüchtigen.Esbietetsichan,dieautoma-tisierung als mittlerzwischendenverschiedenenWeltenzustärken,dasiedieerforderlicheInterdisziplinaritätverinner-lichthat.DaraufaufbauendkönnensowohlSoftware-Basis-werkzeugeinterdisziplinärweiterentwickeltwerdenalsauchdisziplinübergreifendmoderierendagieren[mittelfristig].
•EsisteinewissenschaftlichfundiertemodellierungstheoriezurModellierungtechnischerSystemezuentwickeln.WichtigeElementedieserTheoriesindeinedefinierteSemantik,dieFormalisierungvonKonzeptenwieAbstraktion,Durchgängig-keit,Perspektiven,Aspekte,Abhängigkeiten,Typ-Instanz,Meta-Modellierungetc.DieseTheoriemussdieGrundlagebilden,umFragestellungenfundiertbeantwortenzukönnen,
etwa„WassindguteModelle?“,„Wiefindetmandiepassen-denModelle?“,„Waskanninderdigitalenundwasinderrea-lenWeltrealisiertwerden(etwazusätzlicherphysischerSensorversusintelligenteAuswertungbestehenderSensorik)?“[langfristig].
4.2.3.2 entWIcklUngsmethodIk zUr dIszIplInübergreIfenden zUsammenarbeIt
UmdigitaleModellezielgerichteteinsetzenzukönnen,werdennebeneinemwissenschaftlichenFundamentMethodikenbe-nötigt,uminsbesonderediedisziplinübergreifendeZusammen-arbeit,sowohlinnerhalbeinerFirmaalsauchentlangderfirmen-übergreifendenWertschöpfungskette,zuunterstützen.
NebenderEntwicklungsolcherMethodenistauchdieSchulungundAnwendungsolcherMethodeninderindustriellenBreiteundinsbesondereimMittelstandnotwendig.
•EinwichtigerHebelistdiezielgerichtetenutzung von model-lenimEngineeringvontechnischenSystemen.Esmussver-standenwerden,wieimSinnedes(Virtual)Systems Enginee-ringsModellezurdisziplinübergreifendenZusammenarbeitge-nutztwerdenkönnen,umdasEngineeringzuoptimieren.DasdazunotwendigeVerständnisüberdieAnwendungvonModel-lenmussflächendeckendinFormeinesMethodenbaukastensfürdurchgängigesProdukt-,Prozess-undProduktionsmittel-Engineeringgelehrtbeziehungsweisegeschultwerden.DabeibestehtBedarfaneinergeeignetenKombinationaustheoreti-schenundanwendungsbezogenenInhalten.Wichtigisteben-falls,dassdiezugrundeliegendenKonzepte(wieSkalierbar-keit,Simulation,Detailtreue,Dynamisierung,Echtzeitetc.)auchunabhängigvonderUmsetzunginspezifischenWerkzeu-genvermitteltwerden.DieVorarbeitenderAgendaCPSzumSystemEngineeringsinddabeizunutzen(s.AgendaCPS,Kap.5.3Engineering-KonzepteundKompetenzen)[mittelfristig].
•EntscheidendistderAufbauvondurchgängigen Informa-tionsmodellen.DazusindnebendenModellierungskonzeptenauchdieAnwendungen(wieKonstruktion,Simulation,virtuelleInbetriebnahme,WartungundService,Bestellwesen,Doku-mentenmanagementetc.)zuberücksichtigen,diesichausei-nemdurchgängigenInformationsmodellspeisensollen.AuchdieZusammenarbeitunddieWechselwirkungenimRahmenderiterativenProduktentwicklungmitanderenUnternehmenmüssenberücksichtigtwerden.EssindgeeigneteLeitfädensowieeindisziplinübergreifendesReferenzmodellzuentwi-ckelnundinFormvonPilotanwendungenaufihrePraxistaug-lichkeitzuüberprüfen[mittelfristig].
•Sehrwichtigistdereinsatz von modellen in frühen phasen,umübergeeignetesFrontloading-DesignFehlerfrühzeitigentdeckenundbeseitigenzukönnen.Diesbetrifftebenfalls
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34 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
Aktivitäten,dieauftragsunabhängigzurSchaffungwieder-verwendbarerErgebnissedurchgeführtwerden.EsmüssenForschungsarbeitenvorangetriebenwerden,dieeineanwend-bareSystematikentwickeln,wiebereitsvordereigentlichenAngebotsphasesystematischdieAnforderungensowieAuf-wändeimRahmenvonEntwicklung,Produktion,MontageundInbetriebnahmegeprüftwerdenkönnen.Diesgelingtbeizu-nehmenderVariantenvielfaltunddemDenkeninProduktfami-liennur,fallsauchindiesemThemenfeldeinevernetzteMe-thoden-undWerkzeugunterstützungvorliegt[mittelfristig].
•InsbesonderedasThemainterdisziplinäre simulationistzubearbeiten.Hieristzuuntersuchen,welcheAspektebereitsdurcheinedisziplinübergreifendeSimulationimPLM-Prozessaprioribestimmtbeziehungsweisevorgegeben–unddamitnichtweiterinderRealitätverfolgt–werdenundwelcheimRahmenderoperationalenAusführunginderProduktionerstentstehenunderfasstbeziehungsweiseaggregiertwerdenmüssen.Wichtigistdabeiinsbesondere,dieBalancezwischenAufwandundNutzenzukennen[mittelfristig bis langfristig].
•AuchdieNutzungvonModellenzurEntwicklung„höherwerti-ger“ steuerungs- und optimierungsansätze für die auto-matisierte, menschintegrierte produktionistzubearbeiten.DiesbeziehtsichsowohlaufdieMaschinen-undAnlagene-bene(Echtzeit)alsauchaufdieEbenedesgesamtenProduk-tionssystems.[mittelfristig bis langfristig].
DarüberhinausistinsbesonderedieklassischeErzeugungvonFunktionsabläufeninProduktionssystemendurchmanu-elle und iterative programmierzyklen zu überdenken.HierkönnendurchdieAnwendungundAdaptionkognitiverBasistechnologienausderKI-WelterheblichePotenzialefürdiesoftwareintensiveInbetriebnahmeunddenBetriebimMaschinen-undAnlagenbauerschlossenwerden.[mittelfristig bis langfristig].
4.2.3.3 dUrchgängIgkeIt Und WerkzeUg- UnterstützUng
AufgrundderzunehmendenKomplexitätderinterdisziplinärenEntwicklungisteineleistungsfähigeWerkzeugunterstützung–auchüberFirmengrenzenhinweg–notwendig.Esmüssendes-halbdiesogenanntenProduct LifecycleManagement-Systeme(PLM)inBezugaufdieLife-Cycle-BetrachtungendesProdukts,desProduktionsmittelssowiederbeteiligtenProzessabläufegeeigneterweitertundbefähigtwerden.
•DiezentraleThematikderdurchgängigkeitsollteinFormei-nesBig Pictureformalisiertwerden.EsisteinübergreifendesKonzeptfüreinendurchgängigenInformationsflusszuerstellenunterBerücksichtigungderunterschiedlichenFertigungstech-nologien(diskretundkontinuierlich),Lebenszyklen(Produkt
undProduktionssystem),Stakeholder(Wertschöpfungsnetz-werk),aberauchDisziplinen,Rollenetc. [mittelfristig].
•DurcheinesystematischeZusammenführungvonAnwendernundEntwicklungbeziehungsweisedurchdasProdukt-Manage-mentvonEngineering-Werkzeugensolltewerkzeugübergrei-fendeinePlattformalsReferenzgeschaffenwerden,umdieanforderungen an Engineering-Werkzeuge,insbesondereimHinblickaufIntegrationbeziehungsweiseDurchgängigkeitbes-serzuverstehen.DabeisolltenauchbereitsexistierendeUser GroupsfürspezifischeEngineering-Werkzeugemiteingebun-denwerden[kurzfristig].
•EssindtragfähigeWerkzeugkonzeptezwecksdurchgängigerUnterstützungdesintegriertenProdukt-,Prozess-undRes-sourcenengineeringszuentwickeln.Diesbetrifftbeispiels-weiseIntegrationsarchitekturenvon(Software-)Werkzeugen,DatenmodelleundDatenkonsistenz,KollaborationskonzepteinsbesonderebezüglichweltweiterZusammenarbeitundZu-sammenarbeitmitanderenUnternehmen,skalierbareBenut-zerschnittstellen,OffenheitundErweiterbarkeit, Customizingetc.[mittelfristig].
•AufgrundderBedeutungderfirmenübergreifendenVernetzungsollteeindemonstratorimKontext„Logistik“und„Supply Chain“geschaffenwerden.Hiersollteeineumfangreiche,integrierteEngineering-WerkzeugkettezumEinsatzkommenundessolltenAnalysenzurModellbildungeinerglobalenFunk-tionsbeschreibung(aufverschiedenenEbenenderModellbil-dung),eineSimulationsowieeineOperationalisierungeines„großen“verteiltenundselbststeuerndenSystemsfürFerti-gung,MontageundLogistikvorgesehenwerden[langfristig].
•DurchdieWeiterentwicklungimUmfeldderKünstlichenIntelli-genz(KI)könneninderProduktionstechnikverstärktkreativeplanungs- und Design-aufgabendurchgeeigneteMethodenundAlgorithmen unterstütztwerden.DieseVerfahrenmüssenprototypischevaluiertwerdenundanschließendgeeignetinEngineering-WerkzeugefürdenMaschinen-undAnlagenbauintegriertwerden[mittelfristig].
•DurchdieverstärkteAbbildunginformationstechnischerMo-dellemitskalierbaremInhaltspieltdereffizienteUmgangmitgroßen datenmengen (big Data)inderEntwicklungvonPro-duktenundderzugehörigenProduktionssystemeeinewichtigeRolle,wasaberauchdiewährendderProduktioneinesPro-duktionssystemsanfallendenDatenbetrifft(s.Kapitel3.2).HierzusindgeeigneteKonzepte,WerkzeugeundAlgorithmenzuentwickeln[mittelfristig bis langfristig].
•DarüberhinausistinsbesonderedieklassischeErzeugungvonFunktionsabläufeninProduktionssystemendurchmanu-elleunditerativeProgrammierzyklenzuüberdenken.HierkönnendurchdieAnwendungundAdaptionkognitiverBasis-
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technologienausderKI-WelterheblichePotenzialefürdiesoftwareintensiveInbetriebnahmeunddenBetriebimMaschinen-undAnlagenbauerschlossenwerden.[mittelfristig bis langfristig].
4.2.4 mensch Und arbeIt In der kooperatIon mIt IndUstrIe 4.0-systemen
InderdurchIndustrie4.0deutlichstärkervernetztenWeltwer-denneueundandersartigeAnforderungenandenMenschenundseinArbeitsvermögengestellt.Diesgiltsowohlfürdenkreativen planungsprozessimRahmenderAnforderungserhebung,desProduktdesignsundderProduktentwicklung(virtuelleWelt)alsauchfürdeneheroperativ geprägten arbeitsprozessinPro-duktionundLogistik(realeWelt).NurwenndieBeschäftigtenimZentrumstehenundinrealeAbläufeaktivundmitsystemseiti-ger,kontextabhängigerUnterstützungeingreifenkönnen,liefernCPPSeinenwirklichenMehrwert.DerSchwerpunktderFor-schungsarbeitensolltedaherauf interdisziplinären Vorhabenliegen,indenensichdieSystemelementeProduktionstechnolo-gie,SoftwarearchitekturenundlernförderlicheArbeitsorganisa-tionanunterschiedlicheZiel-undBeschäftigtengruppenrichten.Umzugewährleisten,dassdieseumfassendenAnsätzedurch-gängigundkonsistentgestaltetsind,könnensienurunter be-teiligung eines interdisziplinären teamsmitPsychologen,Er-gonomen,Sozial-undArbeitswissenschaftlernsowieMedizinernundDesignernerfolgreichbearbeitetwerden(s.dazuauchdasKapitel3.3Mensch-Maschine-InteraktionundgeteilteKontrollederAgendaCPS).
4.2.4.1 kreatIVe planUngsprozesse In der dIgItalen Welt effIzIent gestalten
DieKomplexitätinflexiblen,wandelbarenundvermehrtsitua-tionsabhängigparametrierbarenProduktionssystemenmussmit-telfristigfürden„Modellerstellerund-transformator“Menschaufbereitetundadäquatskaliertwerden.DieBeschäftigtensindsomitanunterschiedlichstenStellenundaufdenunterschied-lichstenEbenenTeildesWertschöpfungsnetzes,sodassdertypi-scheIndustrie4.0-ArbeitsplatznichtnurindiesemPunktkünftigindividuellanpassbargestaltetwerdenmuss.DerkreativePlaneroderEntwicklermusszunehmenddieKomplexitätvariantenrei-cherProduktprogrammeauchdisziplinübergreifenderfassenundZulieferungendurchKomponentenherstellerimEntwicklungs-prozessanforderungsgerechtorchestrieren.Damitwirdbei-spielsweiseverhindert,dasseineVeränderungineinerDisziplinerstimRahmenderInbetriebnahmeineineranderenDisziplin(z.B.Montage,Inbetriebnahme)identifiziertwird.Durchvor-gelagerteSimulationsuntersuchungenkanndarüberhinausver-hindertwerden,dassdieZielgrößendes(Gesamt-)SystemsimAnwendungskontextnichterfülltwerdenkönnen.
NebenderEntwicklungsollteauchinderProduktionundimServicedaraufgeachtetwerden,dassdieKommunikationunterdenBeschäftigtengefördertwirdundArbeitsunterstützung,LernaufgabensowiephysischesTraininginsinnvollenIntervallenindenArbeitsalltagintegriertwerden.ZudemmussauchfüralleBerufsgruppenRücksichtaufdieArbeitsplatzergonomieundBelastbarkeitderBeschäftigtengenommenwerden.InSummeleitetsichlangfristigeinMethodenbedarfzurBeherrschungderKomplexitätab,wobeidieModularität,dieFilterungundÜberschaubarkeitwichtigeHebeldafürseinkönnen.
•EineeffizienteundnutzerfreundlicheBereitstellungvonInfor-mationeninderEntwurfs-undEntwicklungsphasesowieimProduktionsumfeldsolltedieModell-KomplexitätvordemAn-wenderverbergensowieintuitiv,situationsbezogenundan-wendungsgerechtsein.HiersolltenAspektedesData-Mi-nings,derWorkflow-Unterstützung,desKnowledge based EngineeringseinschließlicherweiterterAuswertungen für entwickler, berater und Ingenieurewissenschaftlichbeglei-tetuntersuchtwerden[mittel- bis langfristig].
•Esmussgewährleistetsein,dassauchbeidynamischen,Ad-hoc-odernichtnachvollziehbarenVeränderungenineinerautomatisiertenProduktiondennocheineadäquatetechnischeundgegebenenfallsmultimodaleUnterstützungdurchCPPSwährendderInbetriebnahme,derProduktionoderimService-fallvorhandenist.DazumüsseninIndustrie4.0verstärktvoll-ständige plm- und Informationsmodelle untersucht und erweitertwerden.DieseModellerweiterungenbeziehensichinsbesondereaufdiedirekteVerknüpfungderDisziplinenwiebeispielsweiseMechanik,Elektronik,Elektrotechnik,Soft-waretechniketc.[mittel- bis langfristig].
•ZudemfehleninvielfältigenBereichendesProduktionsumfeldsmöglichkeiten, die erfahrungen und das Wissen der be-schäftigten aus dem operativen Umfeld in der produktion in die entwicklungsprozesse und -werkzeugeeinfließenzulassen.ZurOptimierungdesGesamtprozessessowiezurUnterstützungdessituationsabhängigenlebenslangenLernensinallenBereichendesUnternehmenssolltediesemAspektebenfallseinbesonderesAugenmerkgeschenktwerden[langfristig].
•DarüberhinausisteineErweiterungunderneuerung klassi-scher lernmethoden und methoden der Wissensrepräsen-tationsinnvoll,daeinsichständigänderndesArbeitsumfeldvermutlichüberfordertundÄnderungenbereitsvorliegen,bevordereigentlicheLern-undLehrprozesszyklusabgeschlos-senist[mittel- bis langfristig].
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36 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
4.2.4.2 operatIVe arbeItsprozesse In der realen Welt beschäftIgtenorIentIert gestalten
DerMenschstehtimkünftigensmartenProduktionssystemimMittelpunktunddieTechniksollseinekognitiveundphysischeLeistungsfähigkeitdurchdierichtigeBalancevonUnterstützungundHerausforderungfördern–insbesonderedieindustriellenAssistenzsysteme,dieMensch-Technik-KooperationsowiedieQualifizierung.
•BeiderBetrachtungeinesMensch-Maschine-Systemssolltenvorgelagertlernförderliche, sozial durchlässige arbeits-organisationskonzepte für die Industrie 4.0entwickeltunderprobtwerden.DabeispielendieArbeits-undTeamgestal-tung,dieSteuerungundKooperation,QualifizierungsmoduleunddieBerücksichtigungderproduktivenArbeitszeiteineRolle.DerProzesssolltedurchwissenschaftlicheEinrichtun-gen,UnternehmensnetzwerkeundGewerkschaftensowiebetrieblicheInteressenvertretungenbegleitetwerden[kurzfristig].
•KommteszuadhocnichtnachvollziehbarenVeränderungenineinerautomatisiertenProduktion,solltenebenderbeschrie-benenKontextgenerierungaucheineadäquateInformations-präsentationdurchCPPSwährendderInbetriebnahme,derProduktionoderimServicefallaufmultimodalenEndgerätenerfolgen.
Fachkräftesolltendurchtragbare sensorik, aktuatorikund(indieBerufskleidung)eingebetteteSystemeunterstütztwer-den.Diesesollenzueinererhöhung der leistungs- und aus-dauerfähigkeitbeitragen.Hierzusindzudemneuartigemulti-modaleBenutzerschnittstellenerforderlich,dieeinerseitsdenAufgabenkontextbeschreiben,gleichzeitigaberauchadapti-venPrivatsphärenschutzunterstützen[mittel- bis langfristig].
•Eine(Weiter-)entwicklung von(arbeitswissenschaftlichen)ansätzen zur erforschung der gesundheitlichen belastun-gen,dievonverändertenMensch-Technik-System-Koopera-tionenundSensornetzwerken(einschließlichdesBeschäftig-ten)ausgehen,sollteebenfallsBestandteileinerumfassendenForschungsaktivitätsein.DifferenziertnachBeschäftigten-gruppen(vomVertriebüberdenIngenieureinschließlichderProduktionsbeschäftigten)sollenrealegesundheitlicheFolgenimRahmenvonPiloten(Gefährdungsanalysen)erfasstwerden.NotwendigwerdendaherArbeitenzurEntwicklungvontech-nisch-organisatorischfundiertenErgonomiekonzepten,diedenbesonderenAnforderungenderfortschreitendenVerschmel-zungrealerundvirtuellerArbeitsweltenfüralleBeschäftigten-gruppenRechnungtragen[mittel- bis langfristig].
•EinewesentlicheRolleindemThemenfeldMensch-Technik-InteraktionkommtderEntwicklungvoninteraktiven syste-men mit wahlfreier und symmetrischer multimodalität(Sprache,Gestik,Touch,physischeAktion,BlickbewegungenbishinzuBrain Computer Interface)mitwechselseitigerDisambiguierungfürdieintuitiveundeinfacheInteraktionmithochkomplexenCPPS-basiertenFabrikenzu.Dieseinter-aktivenSystemesollendenBeschäftigteneinefreieAuswahlzwischenverschiedenenangesprochenenSinnensituations-abhängigermöglichen [kurzfristig].
•DiebeispielsweiseinderServicerobotikbereitsprototypischvorhandenenmobilenPlattformensindfürdenEinsatzfallimProduktionsumfeldinderRegelnichthinreichendrobustoderessindgravierendeEinschränkungenbeiderProduktivitätzuerwarten.eine vom roboter unterstützte kooperative ar-beit in einem arbeitsraum ist –nichtzuletztaufgrunddesGefahrenpotenzials–somitderzeitin vielen bereichen nicht praktikabel realisierbar.Hiergiltes,weitereForschungsan-strengungenmitdemFokuseinerwirtschaftlichenNutzungimProduktionsumfeldzufördern[mittelfristig].
4.2.4.3 InnoVatIVe mUltImodale IndUstrIelle assIstenzsysteme erforschen
InderkünftigenSmart FactorywerdenneuartigeFormenfürdiekollaborativeFabrikarbeit,gestütztdurchintelligenteAssistenz-systeme,entstehen.
•Cyber-physischeundhochautomatisierteProduktionssystemeentstehenunteranderemdurchdrahtlose,dezentraleaber interoperable semantische kommunikation mit aktiven produktgedächtnissen,dieinzufertigendenKomponentenundAnlagemoduleneingebettetsind.FürdiezustandsbasierteInstallation,Umrüstung,WartungundReparaturdieserSys-temesindneueadaptierteAssistenzsystemezuentwickeln [kurzfristig].
•DarüberhinaussindMethodenundSystemefürdiekontext-basierte Informationspräsentation über maschinenzu-ständesowieVerfahrenzurErfassungvonsicherheits-undressourcenrelevantenInformationendurchEreigniserkennung,Workflow-VerfolgungundSensorfusionzuerforschen[kurz-fristig].
•DurchdenEinsatzvonMethodenundTechnikendererweiter-ten realität(Augmented Reality),derdualwelttechnologie(Dual Reality)unddersynchronisierten und multiplen Welten(EchtzeitsynchronisationvonsensomotorischenundsemantischenFabrikmodellenmitrealenSmart Factories)wer-denpartielle und kollaborative teleoperationenvonhoch-komplexenKomponenten,etwabeiderFehlersuche,ermöglicht.HierfürmüssenneueCPS-orientierteSysteme
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aufBasiserweiterterunddualerRealitäterforschtwerden[kurz- bis mittelfristig].
•Essindlokationsbasierte assistenzdienste inindustriellenAnlagenmittelsneuartiger,robusterTracking-undPositions-erfassungssystemefürInnenräumezuentwickeln,umorts-abhängig und kontextadaptiv assistenz fürFachkräftean-zubieten.DieseAssistenzdienstemüsseneinhochpräzisesTrackingallerProdukt-undProduktionsmoduleermöglichenundtrotzdemrobustinderFertigungsumgebungarbeiten[kurzfristig].
•ImKontextderSmart FactorykommtderErforschungvonfernwartungstechnologien und -systemeneinewesentlicheRollezu.DurchsolcheSystemekönnenFachkräfteinderSmart FactoryvorOrtdurchexterneExperten,beispielsweiseunterVerwendungvonDualwelttechnologienundTechno-logiendererweitertenRealität,angeleitetwerden,umlokalFehlereigenständigbehebenzukönnen[kurzfristig].
•DieUmsetzungvonIndustrie4.0führtinnerhalbderSmart FactoryzuneuemkollaborativenundkooperativenVerhaltenzwischendenBeschäftigten.Hiersindetwaneue koopera-tionsformen unter fachkräften mithilfevonfürdieArbeitinSmart Factoriesangepassten sozialen netzwerken und sozialen medien zu erforschen,umbeispielsweisefürhöhereArbeitszufriedenheitunddennotwendigenkontinuier-lichenWissenstransferzusorgensowiedie teamarbeitzuunterstützenunddieArbeitsabläufezuoptimieren.ErgänztwirddiesdurchdieEntwicklungvonArbeitsprozessen/Arbeitssystemen,diedieIntegrationsolcherKooperations-formenerlauben[mittelfristig].
•UmderHeterogenitätderBelegschaftRechnungzutragen,müssenpersonalisierteundaufspezielleZielgruppenleichtadaptierbareInteraktionssystemeentwickeltwerden,diedemEinzelnenmehrAbwechslungundFreudeanderArbeitbeigleichzeitighöhererEffizienzbieten [mittelfristig].
•UmkonsistenteProzessplanungundMonitoringlaufenderPro-duktionsvorgängemitoptimierterErgonomieermöglichenzukönnen,müsseninKontextvonIndustrie4.0neueAnsätzezurIntegration virtueller menschmodelle zur Unterstützung der simulation maschineller produktionsabläufeuntersuchtwerden[mittel- bis langfristig].
fazit: ArbeitenineinemständigverändertenArbeitsumfeldmitimmerkomplexerenWerkzeugenundAssistenzsystemenführtzuextremhohenAnforderungenanfähigkeitenundWissenderbeteiligtenProduktionsressourcensowiedasArbeitsvermögenderBeschäftigten.
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4.2.4.4 beschäftIgUngsfolgen Und akzeptanz (-probleme) erforschen
DurchdieEinführungundErweiterungheutigerSystemezurMensch-Technik-InteraktionwirdesallerVoraussichtnachzumaßgeblichenVeränderungenderzukünftigenIndustriearbeitkommen,diesichinihrenAusmaßenundEffektenfürProduk-tions-undindustrielleDienstleistungstätigkeitenderzeitnochnichtprognostizierenlassen.VondahersindquantitativeBeschäftigungsfolgensowiediegrundsätzlicheAkzeptanzzuerforschen:
•akzeptanzanalyse:AufbaueinerTrendberichterstattungzumUmsetzungsstandvonIndustrie4.0.Qualitativeundquantita-tiveErfassunghemmenderundförderlicherAspektederUm-setzungvonIndustrie4.0(einschließlichQualifikations-,Ar-beitszeit-,Leistungs-,Entgeltdimension)sowohlausBeschäf-tigten-alsauchUnternehmenssicht[kurzfristig].
•Quantitative analyse der beschäftigungsfolgen:Prospek-tiveAbschätzungderquantitativenBeschäftigungseffekte,diesichausderUmsetzungvonIndustrie4.0ergeben–differenziertnachBranchen,BeschäftigtengruppenundTätigkeitsspektrum [mittelfristig].
4.2.4.5 QUalIfIzIerUng für alle beschäftIgtengrUppen sIcherstellen
NeueArbeits-undLernmethoden,Arbeitsabläufe,Verschie-bungeninAltersstrukturenderBeschäftigtensowiesignifikantveränderteMensch-Technik-InteraktionenführenzueinemQualifizierungsbedarfinallenBereichendesUnternehmens.
•förderung digitaler lerntechniken:DigitalenMedienundinnovativenLerntechnologienmusseineherausragendeRolleinderWissensvermittlungundKompetenzentwicklungzu-kommen–auch,umdieimmerwenigerenMitarbeitermög-lichstwenigzurAusbildungausdenUnternehmenzureißen[kurzfristig].
•Qualitative erfassung des bedarfs vonQualifikationenundKompetenzendifferenziertnachBeschäftigtengruppen(An-gelernte,Facharbeiter/innen,Techniker/innen,Ingenieure/innen)[kurzfristig].
•AufBasisderBedarfsanalysenErforschungundEntwicklungvonarbeitsplatznahenFormendesQualifizierungs-undKom-petenzerwerbs–unterEinbeziehungundWeiterentwicklung digitaler lerntechniken [mittelfristig].
4.2.5 technologIe CybEr-PHySiCal ProDUCtion SyStEMS (CPPS)
HeutigeInformations-undKommunikationstechnologien(IKT)inderProduktionstechniksindaufeineFabrik(odereineFertigungslinie)innerhalbeinesUnternehmenshinsichtlichderKostenundderEffizienzoptimiert.AufgrundheterogenerAn-lagentechnikmitSteuerungsarchitekturenunterschiedlichsterHerstellerfürdieautomatisierteProduktioninVerbindungmitmanuellenArbeitsprozessen–wieetwafürdieKomponenten-undSystemmontage–bietenheutigeProduktionssystemenureinesignifikanteingeschränkteAnzahlvonSchnittstellenan.DiesewiederumlieferneinenochgeringereAnzahlinformations-technischbeeinflussbarerOptimierungskriterienfürdieProduk-tionsplanung.ZudembringtdiestarkeInformationskapselungaufdenunterschiedlichenEbenenderProduktionweitereNachteilemitsich(s.ausführlichKap.5.2).
UmdennocheinlokalesOptimumdeswirtschaftlichenBetriebszuerreichen,wurdeninderVergangenheitvieleForschungenzurEntkopplungvoneinanderabhängigereinzelnerHerstellungs-prozessedurchgeführt.InsgesamtbildetenAspektederOrgani-sationsentwicklung–wiebeispielsweisedieLean ProductionoderauchLean Innovation –dieBasisfürdieheutebekanntenunternehmensspezifischenProduktionssysteme(Toyota-,Bosch-,Siemens-,Trumpf-Produktionssystemetc.).
TechnologischkonnteninderVergangenheitaufgrundfehlender Vernetzungsmöglichkeiten und fehlender angepasster Ikt-basistechnologien in der produktiondiskutierteKonzeptedesComputer Integrated Manufacturing (CIM)nichtindustrialisiertwerden.KürzereLebenszyklenvermarktungsfähigerProdukteunddievielfachimEinzelunternehmenbereitsvorhandeneVer-netzungindergesamtenSupply ChainführenallerdingserneutzunichtausgewogenenAuftragseingängen,Beständenoderabereinernicht„getakteten“Produktion.DadurchistderVersuch,einGesamtoptimumüberUnter-nehmensgrenzenhinauszuerzielen,aufgrundfehlendertechnologischerLösungensowieStandardi-sierungenheutemitvielenUnsicherheitenverbunden.DarüberhinauskönnenAnforderungen,wieeinefirmenübergreifendeVernetzungvonFertigung,AgilitätundFlexibilitätbezüglichFerti-gungsänderungen(wegennichtvorhandenerDaten-undPro-zessdurchgängigkeitinunterschiedlichenEbenenderProduk-tion)nurinaufwändigenmanuellenÄnderungsprojektengestelltwerden.DasführttypischerweisezulängeremProduktions-stillstandundhohenUmstellungskosten.
AndieserStellesetztdasPotenzialvonCPPSimRahmenvonIndustrie4.0an.
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4.2.5.1 basIstechnologIen der Ikt ertüchtIgen für dIe aUtomatIsIerUngstechnIk
DieInformatikhältvieleBasistechnologienbereit,diefüreinenunmittelbarenEinsatzinderAutomatisierungs-beziehungsweiseProduktionstechnikkonzeptionellüberdachtundweiterentwic-keltwerdenmüssten.VonbesondererBedeutungfürdieIndust-rie4.0istjedochdieGesamtintegrationundSynthesedieserBasistechnologien,umbeispielsweisedurchintelligenteSensorikundInformationstechnologiedieOrchestrierunghochgradigverteilterIT-undProduktionssystemesicherzustellen.MethodenundAnsätzezurSynthesevorhandenerTechnologienundzumTransferindasProduktionsumfeldsindnochnichtinausreichen-demMaßeerarbeitet.ZudemfehlenderzeitvalideKonzepte,MethodenundinsbesondereWerkzeuge,umdisziplinübergrei-fendeproduktionstechnischeModelleschnellzuerfassenundaufdieserBasisproduktionsrelevanteEntscheidungenzutreffen.AusdiesemGrunderachtetderArbeitskreisdiefolgendenkon-solidiertenForschungsempfehlungenalszentral:
•zum zeitpunkt der anforderungsaufnahme:DasinderInfor-matikimRahmenderProduktentwicklungundzurgezieltenAufnahmevonAnforderungenetablierterequirement Engi-neeringistfürdenMaschinen-undAnlagenbaunichtaus-reichend.WerdenAnforderungenfürdenAufbauvonProdukt-baukästenverwendet,soliegenauchhierkeineunmittelbarübertragbarenAnsätzeausdenIKTvor.DiezurBildungvonProduktfamilieninderSoftwareverwendetenKonzeptemüsstenebenfallsaufdendisziplinübergreifendenEntwurfimMaschinen-undAnlagenbauübertragenwerden(s.dazudasKapitel5Technologie-undEngineering-HerausforderungenderAgendaCPS) [langfristig].
•zum zeitpunkt der planung:FürdieiterativePlanungvonProduktundProduktionssystemindendiversenDisziplinenmitunterschiedlichstenMitarbeiterfähigkeitenund-kompeten-zenwirdeinebeschreibendesowieunterstützendeArchitekturfürIndustrie4.0benötigt.DiedazuerforderlichenstatischenunddynamischenModellekönnentechnischbeispielsweiseineinerOntologieabgebildetwerden.UnterdemFokuseinerin-dustriellenAnwendunginIndustrie4.0bleibtallerdingsbislangoffen,wiedieauswertungsmöglichkeiten einer umfang-reichen ontologie eines produktionssystemsbeispielsweisefüreineOptimierungsignifikantbeschleunigtwerdenkönnen[langfristig].
•zum zeitpunkt der ausführung in der produktion:FürdieProduktionineinemkooperierendenunddezentralenNetz-werkvonFertigungseinrichtungenunterschiedlicherFirmenwirdeineverteilte dienstorientierte architektur(beispiels-weiseaufBasisderserviceorientiertenArchitekturSOA)benö-tigt,dieERP,FertigungundLogistiküberdefinierteServicesundeineoffeneDatenbasisverknüpft[langfristig].
•zum zeitpunkt der ausführung in der produktion:DieEnt-wicklunghochzuverlässigerfunkkommunikation fürindustri-elleUmgebungensollteinindustrienaherForschungundent-wicklung der telekommunikationsfirmeninIKTangegangenwerden[mittelfristig].
•übergreifende betrachtung von planung und betrieb:InderproduktionstechnischenForschungsindmethoden zur konti-nuierlichen echtzeitsimulation und Visualisierung über alle ebenen und firmengrenzenhinwegzuerarbeiten(Simulation and Monitoring of Services and Things)[mittelfristig].
•Informationsaustausch mit automatisierten Workflows:NebeneinemoperativengerichtetenInformationsaustauschinnerhalbeinerDisziplinoderüberdisziplinspezifischeGren-zenhinaus(Vertrieb,Entwicklung,Produktion,Serviceusw.)müssenfürIndustrie4.0inderSupply Chain unternehmens-übergreifendeBasisfunktionalitäteneinesProduct-Life-Cycle-Mana gement-Systems bereitgestelltundweiterentwickeltwer-den.DazuzählenimWesentlichenfürdieProduktionstechnikanzupassendeManagementsystemeausdenBereichenProzessManagement, RulesManagementetc.[mittelfristig].
•automatisierter und sicherer Informationsaustausch:Entwicklungstandardisierter Wissensmodelle und zugriffs-methoden,dieUmfang,Vertraulichkeit,Gültigkeitsdauer,ZugriffsrechteundDatenschutzvonProzessinformationendefinierenundlangfristigsicherstellen[langfristig].
•sicherer, schneller und nachhaltiger Informationsaus-tausch:ImGegensatzzur SecurityinklassischenIT-Systemen,fürdiebereitseineVielzahlvonLösungsansätzenundProduk-tenexistiert,sindheutigeProduktionssystemenurvergleichs-weiseschwachoderzumeistgarnichtabgesichert.Essindda-her IT-SecurityMethodenundSystemeneuzuentwickelnodersozuüberdenken,dasssiedenindustriellenAnforderungenhinsichtlich prozessumfeld, realzeitverhalten, zuverlässig-keit und langlebigkeitgenügen. Security-Konzeptefürklassi-scheIT-Systeme,Cloud-Servicesund Industrial ITmüssenkompatibelundintegrierbarsein,umganzheitliche,system-undunternehmensübergreifendeSecurity-Lösungenrealisie-renzukönnen(s.auchKapitel5.3) [mittelfristig].
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40 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
4.2.5.2 referenzarchItektUren als erfolgsInfrastrUktUr der zUkUnft
AufgrunddervielfältigenErfordernisse–sowohlModellierungs-sprachen,-technikenalsauchPlattformensindfürdenEinsatzinderProduktionstechniktauglichzugestalten–,rückenvermehrtStandardisierungsbemühungenindenVordergrundderBetrach-tungen.UmSkaleneffekteinCPPSzuerreichen,müssenzudemeinerseitsmodularisiertesmarteProduktionssysteme,diemitCPSinteragieren,entwickeltwerdensowieandererseitsmittel-fristigProduktionsdienstebereitgestelltwerden,diezwangsläufigaufeineexemplarische–undfürdenAnwendungsfallsinnvolle–Referenzarchitekturzurückgreifen.
Was versteht man unter einer referenzarchitektur?
MansprichtvoneinerReferenzarchitektur,wennessichumeingenerischesMuster–alsoeineidealtypischeModellausprägung–fürdieKlassederzumodellierendenSystemeundderenArchi-tekturhandelt.UmhochgradigverteilteSystemeumzusetzen,bedarfes(alsTeilderReferenzarchitektur)einergeeignetenpro-duktionstechnischenServiceplattform.SiemussbestimmteFunktionalitätenbieten,ummitdenverschiedenstenundmögli-cherweiseverteiltenTeilnehmerndesGesamtsystemszuinter-agieren.MithilfesolcherPlattformenlassensichregelbasierte,dynamischeundselbststeuerndeAnwendungenentwickeln,dienebeneinemumfassendenEreignis-undSituationsmanagementalleFunktionenzurVerfügungstellen,umeinsmartesProduk-tionssystementstehenzulassen.
VorgabenfürReferenzarchitekturenergebensichunteranderemausSOA-Konzepten.NachOASISistSOAeinParadigmafürdieStrukturierungundNutzungverteilterFunktionalität,dievonun-terschiedlichenBesitzernverantwortetwird.9DasSOAParadig-mabautdaraufauf,dasstechnischeElementederAnwendungs-entwicklung(zumBeispielProgrammcode,Datenbankschemasund-abfragen,Konfigurationsdateien)zuhöherwertigen,fachlichorientiertenKomponentenzusammengefasstwerden.DiesefachlichenSOA-KomponentenbietenDienstean,diebeispiels-weisealsGrundlagefürdieAutomatisierungvonProzessabläufendienenkönnen.SogenannteComposite ApplicationsfassenmehrerefachlicheSOA-KomponentenmittelsdersogenanntenService-OrchestrierungzuneuenApplikationenzusammen.10DieFachverbändesolltenzurSchaffungundDurchsetzungeinerReferenzarchitekturIndustrie4.0aktiveingebundenwerden.
beispiel für die automobilindustrie – autosar Autosar(AUTomotive Open System ARchitecture)stellteinmög-lichesAusprägungskonzepteinerReferenzarchitekturdar,dasinTeilbereichenbereitsEinzugindieautomobileProduktentwick-lunggehaltenhat.HierbeibestehtdiegrundsätzlicheMöglich-keit,ApplikationenundFunktionenzwischenunterschiedlichenSteuergerätenflexibelzuverschieben.Darüberhinausbegleitet
abschließendeineSimulationdieKonfigurationeinesgewähltenNetzwerks.DiesodurchgeführtegenerischePlanungvomSoft-warecodeohnedirektenBezugzuHardware-ZielplattformenstelltdieeigentlicheRevolutiondesKonzeptsdar.
AllerdingsmüssenauchbeidieserReferenzarchitekturweiteresignifikanteForschungsanstrengungenunternommenwerden,bevordasKonzeptvollständigumgesetztist.EinVersuch,diegrundlegendenGedankenundKonzepteaufdieBedarfedesMa-schinenbausundderAutomatisierungstechnikanzupassenundweiterzuentwickeln,wirdimZugevonIndustrie4.0undmögli-chenStandardisierungsbemühungendringendempfohlen.DaimUmfeldderProduktionzudemandereWertschöpfungsstrukturenetabliertsindundandereProduktlebenszyklenalsinderautomo-bilenProduktentwicklungwirken,ergibtsichdarüberhinauseinForschungsbedarfaufunterschiedlichenAbstraktionsebenen.
forschungsbedarf referenzarchitektur
•ImSinneeinerlandkartesinddiebereitsexistierendenundetabliertenKonzepteundAusprägungenvon„Referenzarchi-tektureninderAutomatisierung“aufzunehmenundimHinblickaufWeiterentwicklungundMigrationimKontextvonCPPSzubewerten [kurzfristig].
•Dieerarbeitung von referenzarchitekturenfürunterschied-licheAnwendungsfälleinderIndustrie4.0istAufgabeeinerForschungsausschreibung.DieForschungfürLogistik-,Ma-schinen-undFertigungsprozessesolltezukünftigaufBasissolcherReferenzarchitekturenLösungenerarbeitenundüberStandardisierungsbemühungenInnovationenschnellerzudenFirmenindieMärktetransportierenkönnen[mittelfristig].
•ZurUnterstützungderWandlungsfähigkeitundzurFlexibilisie-rungimAnlagenbetriebwirdeinumsetzungsnahes konzept benötigt,dasentsprechendeheterogeneEchtzeitanwendun-genundSteuerungenorchestriert.BeiderBetrachtungeinereinzelnenMaschineoderAnlageaufderZellenebenekönntebeispielsweiseaufderausderAutomatisierungstechnikent-standenenBasistechnologieOPC-UAaufgesetztwerden.Hier-beisindnebensoftwaretechnischenBasisentwicklungenauchweitergehendeHardwareentwicklungenderSteuerungsher-stellererforderlich[mittelfristig].
•UmdieobenerwähntestarkeInformationskapselungzuüber-winden,mussfürdieReferenzarchitektureinübergreifender,ganzheitlicherAnsatzgefundenwerden,derdieerfordernisse auf den unterschiedlichen ebenen der produktion berück-sichtigt.Enterprise Resource Planning(ERP),Manufacturing Execution System(MES),speicherprogrammierbareSteuerung(SPS,PLC)unddieZellenebenebishinzurSensor-/Aktore-benealsField Control Level müssensichdorteinordnenlassen[mittelfristig].
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•UmdieIndustrie4.0ausdiesenEinzelanwendungenherausauchlosgelöstvonbereitsexistierendenAnsätzeneinerRefe-renzarchitekturaufeinerabstrakterenwissenschaftlichenEbenemitpotenziellenAnwendernzudiskutieren,solltezu-demeinmöglichesmetamodell einer referenzarchitekturineinemKompetenzzentrum,vergleichbareinemFachausschussdiskutiertundentwickeltwerden[langfristig].
•DieDefinitionvon„basis-diensten“füreine(standardisierte)KommunikationmiteineraustauschbarenInformationsplatt-formgehörtweiterhinzudenwichtigenForschungsthemen.DabeisolltediePlattformeinebestimmteFunktionalitätbie-ten,ummitdenverschiedenstenundverteiltenTeilnehmerndesGesamtsystemszuinteragieren.MithilfesolcherPlatt-formenlassensichregelbasierte,dynamischeundselbststeu-erndeApplikationenentwickeln,dienebeneinemumfassen-denEreignis-undSituationsmanagementalleFunktionenzurVerfügungstellen,umeinsmartesProduktionssystement-stehenzulassen[mittelfristig].
•ImSinneeinerlifecycle-bezogenenBetrachtungmüssenauchdiebenötigtenEngineering-WerkzeugealswesentlicheLiefe-rantenvonModellenundDatenaufeinergeeignetenAbstrak-tionsebeneindieReferenzarchitektureinbezogenwerden[mittelfristig].
wO lIEgt DEr fOrScHungSBEDArf?
9[OASIS06]10[SlN2011]
42 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
5 HAnDlungSfElDEr unD VOrläufIgE umSEtZungSEmPfEHlungEn
MitderFortentwicklungder Cyber-Physical SystemsfürdieIn-dustriesindweitreichendeHerausforderungenfürdenStandortDeutschlandverbunden,sowohlgenerelleralsauchspeziellerNatur.DieKomplexitätderAufgabezeigtsichtechnisch,metho-dischundfachlichinderForschungundEntwicklung,aberauchinderNutzungundhinsichtlichderAuswirkungenderCyber- Physical Systems aufWirtschaftundGesellschaft.VoraussetzungfürdieFestigungderPositionDeutschlandszuCyber-Physical SystemsisteineschnelleAusrichtungderInfra-,Wirtschafts-,Arbeits-undBeschäftigungsstrukturenaufdieErfordernissevonCyber-Physical Systems.NursokannDeutschlanddieChancenfürdenProduktionsstandortnutzen(s.Kapitel3.3.zudentech-nologischenHerausforderungen).
KonkretbedeutetdiesgesamtgesellschaftlicheAnstrengungenfüreinebranchenweiteVernetzungmitgemeinsamennormen und standardssowieeinerreferenzarchitekturundeiner Infrastruktur.Paralleldazuisteineinnovative arbeits-, Qualifi-zierungs- und sozialorganisation erforderlich,diedienachhal-tigeEntwicklungderArbeitsfähigkeitenderBeschäftigtensicher-stellenkönnen.Nichtzuletztgiltes,sicherheitsfragenzuklärenundKnow-how-schutzzuetablieren.
DerArbeitskreisIndustrie4.0hatinseinerneunmonatigenArbeitsphasediewichtigstenHandlungsfelderidentifiziertunderstevorläufigeUmsetzungsempfehlungenerarbeitet,dieimFolgendenerläutertwerden.DiesevorläufigenEmpfehlungensindnichtalsabschließendeFeststellungenzuverstehen,son-dernvielmehralsImpulse,dieDiskussionenfortzuführenundweitereHandlungsfelderzuerschließen.PerspektivischsollendieUmsetzungsempfehlungenfürdieöffentlicheBerichtsversion(HannoverMesse2013)fortgeschriebenundausgeführtwerden,GleichesgiltfürdieKapitel„RechtlicheRahmenbedingungen“(Kap.6.6)und„WostehenwiriminternationalenVergleich?“(Kap.7).
5.1 normen und Standards Erstübergemeinsamgetragenetechnischeundbetriebswirt-schaftlicheSchnittstellenundStandardsisteinebranchenweiteVernetzungvonIndustrie-undLogistikunternehmenmöglich.DasInternethatüberDe-facto-StandardsdieWeltvernetztunddieheutigeinformationstechnischeGlobalisierungerstermög-licht(zumBeispielTCP/IP-Protokollfamilie,Web-Services).NichtnurdieInternettechnologiehatdieWeltrevolutioniert,son-dernauchdieoffene,transparenteundschnelleFormderStan-dardisierungjenseitsdernationalenStandardisierungsorganisati-onen.BeiderBewältigungdertechnologischenHerausforderun-geneinerallgegenwärtigenVernetzungvonSystemen,ProduktenundProduktionsstättenspieltdiereferenzarchitektureinezen-traleRolle.
5.1.1 UmsetzUngsWege zUr standardIsIerUng eröffnen
Diekomplexen,vernetztenTechnologiekombinationendervier-tenindustriellenRevolutionerfordernzwingendeineStandardi-sierung,damitsiesichamMarktdurchsetzenkönnen.ÜberalleBranchen-,Technologie-undLändergrenzenhinwegmusseinenahtloseKommunikationzwischendenKomponenteneinenunterbrechungsfreienBetriebsicherstellen.Wiebereitsdarge-stelltgibteszweiWegezurErzielungeinesStandards:überdieKonsensbildunginNormungsgremienoderüberdiedirekteDurchsetzungamMarktdurchüberragendeLeistungsfähigkeit(odereinMonopol).
DererstgenannteWegkannalsentwicklungsbegleitendeNormungparallelzudenForschungsprojekteneingeschlagenwerden.DieForschungsergebnissefließendabeidirektindieStandardsein,währendumgekehrtNormungserfordernissedieForschungsinhaltemodifizierenkönnen.
Die„De-facto“-StandardisierungdurchdirekteMarktpenetrationkannimBereichderSoftwaredurchOpen Source Communities beschleunigtwerden.DiesetragendurchdieVielfaltderbeteilig-tenEntwickleraußerdemzueinerQualitätssicherungbei.Pas-sendeGeschäfts-undLizenzmodellesinderforderlich,umdieInvestitionenderUnternehmenrückzuvergüten.
Vorläufige Umsetzungsempfehlungen:DerArbeitskreisIndustrie4.0empfiehlt,bereitsmitdernächstenAusschreibungineinemodermehrerenProjekteneineLandkartevorhandenerStandardserstellenundgeeig-neteUmsetzungsstrategienzuderenStandardisierungent-wickelnzulassen.InallenForschungsprojektenzurIndustrie4.0solltendannStandardisierungsaspekteund-aktivitätenimSinnedieserUmsetzungsstrategieempfohlenwerden.
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HAnDlungSfElDEr unD VOrläufIgE umSEtZungSEmPfEHlungEn
5.1.2 referenzarchItektUren für IndUstrIe 4.0 als erfolgsInfrastrUktUr der zUkUnft
Diereferenzarchitekturen füe Industrie 4.0könnenalsMusterfürkonkreteArchitekturenderProzess-undIT-Systemebetrach-tetwerden(s.dazuausführlichKapitel4.2.5.2).Siesindbran-chenübergreifendeModelledertypischenAbstraktionsebenenundderenSchnittstellenentlangdergesamtenSupply NetworksbasierendaufArchitekturanforderungenderrelevantenStake-holder.
DieReferenzarchitekturenfürIndustrie4.0könneneinen
•größerenMarktfürStandard-Software-Firmen,•ZugriffaufStandard-SoftwarefürAnlagenherstellerund•dieschnellereundgünstigeIntegrationvonAnlagen
beidenproduzierendenUnternehmenermöglichenundschaffendadurchdenRahmenfüreinattraktivesBusinessEcosystem.ReferenzarchitekturenfürIndustrie4.0unterstützenStandardi-sierungsaktivitäten,indemsieaufvorhandeneStandardswieetwaKommunikationsprotokollezurückgreifenunddiesefürIn-dustrie4.0empfehlen,selbstalsStandarddienenunddamiteineeinheitlicheBasisfürInteroperabilität,KompatibilitätundeinesystematischeWiederverwendungschaffen.
VorgabenfürReferenzarchitekturenergebensichbranchenüber-greifendausSOA-KonzeptenineinerneuenStruktur.VerbändewieBITKOM,VDI,VDA,VDE,ZVEI,VDMAundBDIsolltenfürdieSchaffungundDurchsetzungvonReferenzarchitekturenfürIndustrie4.0aktivwerden.
VondenNormungsorganisationensollteimSinnederent-wicklungsbegleitendenNormung(EBN)eineArbeitsgruppe„Industrie4.0Standardisierung“eingesetztwerden,dieüberBranchen-undProjektgrenzenhinwegdieStandardi-sierungsaktivitätenevaluiertundkommuniziertsowiedurchInnovationsübertragungweitereInnovationenstimu-liert.DiesesolltenanalogzurOpen-Source-Standardisie-rungoffenundtransparentorganisiertwerden.
Vorläufige Umsetzungsempfehlungen:
forschung: DerArbeitskreisIndustrie4.0empfiehltergän-zendzudenForschungsempfehlungeninKapitel4.2.5.3diefolgendeUmsetzung:
marktanordnung:DieMarktteilnehmermüssendaraufvertrauenkönnen,mithilfevonReferenzarchitekturenihreigenesGeschäftbesserausbauenzukönnen.HiersolltendieIndustrieverbändedieFührungsrolleübernehmenundvertrauensbildendeMaßnahmendurchführen.
aus- und Weiterbildung:DieAnwendungvonReferenzar-chitekturenbeiklassischenMaschinenbau-undbeiprodu-zierendenUnternehmenmitbishernurgeringemIT-Kom-petenzbedarfmussdurchWeiterbildung,BeratungundIT-Integrationsfirmenunterstütztwerden.DerArbeitskreisIndustrie4.0empfiehlt,dasThemaReferenzarchitekturenindenBildungskanonderentsprechendenuniversitärenStudiengängeundderAusbildungsberufeaufzunehmen.
politische rahmenbedingungen:EmpfohlenwirddieFör-derungvonProjekten,OrganisationenundUnternehmen,diewesentlicheBeiträgezurReferenzarchitekturundderenVerbreitungleisten.
standardisierung:EineDefinitionvonKommunikations-,Schnittstellen-undSimulationsstandardsisterforderlich,dieüberHierarchie-undFirmengrenzenhinwegzurBe-schreibungvonProdukten,RessourcenundTechnologieda-tenführt.EinIndustriestandardlässtsichklassischüberdieGremienarbeitoderüberdieMechanismendesInter-netsinOpen Source Communitieserzielen.DerzweiteWegbietetdenVorteilderhöherenGeschwindigkeitsowiedeslauffähigenStandardsunddieInvestitionssicherheitübereinpassendesLizenzmodellderbeteiligtenUnternehmen
DerArbeitskreisempfiehltdaher,dieVorarbeitenzudemThemaReferenzarchitekturIndustrie4.0unmittelbarineinerkleinenProjektgruppezubeginnen,umeinentspre-chendesVerbundprojektvorzubereiten,indasdieErgeb-nissederProjektgruppemünden.
ZielsollteeingutvorbereiteterStartin2013sein.
44 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
Abb.13–GängigePerspektiveninderIKT-Automatisierungstechnikheute(Quelle:Festo)
ImGegensatzzudenheuteetabliertenInformations-undKom-munikationstechnologien(IKT)inderFertigung,dieüberwiegendineinerhierarchischenEbenenstrukturangeordnetsind,erfor-dertdieIndustrie4.0einekooperativeNetzwerkarchitektur.DiefolgendenAbschnitteskizzieren–ausgehendvondenexistie-rendenBasistechnologien–dieAnforderungenandieNetzwerk-architekturunddieBreitbandinfrastrukturfürdieIndustrie4.0.
HeutigeIKTinderFertigungsindfüreineFabrik(odereineFerti-gungslinie)innerhalbeinesUnternehmensfastausschließlichhinsichtlichderKostenundderEffizienzoptimiert.DieIKTba-siertaufeinerhierarchischen,zumTeilproprietären,abgeschlos-senenArchitektur,dietypischerweiseinvierEbenenaufgeteiltist:
1.Planungsebene:Enterprise Resource Planning(ERP)
2.Produktionsleitebene:Manufacturing Execution System (MES)
3.Steuerebene:Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, PLC)
4.Feldebene:Field Control Level(FLC)
5.2 revolution der Ikt in der fertigung – eine Infrastruktur für Informations-, Produktions- und kommunikationstechnik
Quelle: Festo 2012
Steuerungs-Hierarchie
Software-Hierarchie
Fabrik
Produktions-/Fertigungslinie
Anlagen/Maschinen
Applikation
Baugruppen
Komponenten Aktorik/Sensorik
PlanungsebeneERP- und PPS-Systeme
Produktionsleitebene/MES-Systeme
Anlagenebene
HMI/Steuerebene/Schnittstellen
Feld-ebene
Abbildung 14:Gängige Perspektiven der ITK-Automatisierungs-technik heute
DiefolgendeAbbildungverdeutlichtdiebeidenunterschiedlichenPerspektivenausSichtderSteuerungundderSoftware,dieheutenochvorherrschen(s.Abb.13).Anforderungen,wieetwadiefirmenübergreifendeVernetzungvonFertigung,AgilitätundFlexibilitätbezüglichFertigungsände-rungen,könnenwegennichtvorhandenerDaten-undProzess-durchgängigkeitnurinaufwendigenmanuellenÄnderungsprojek-tengestelltwerden,diealleobengenanntenEbenenbetreffen.DasführttypischerweisezulängeremProduktionsstillstandundhohenUmstellungskosten.
45
Abb.14:Industrie4.0-VernetzungsmodellderSmart FactorymitdemrealenUmfeld(Quelle:Beigl,KIT)
HAnDlungSfElDEr unD VOrläufIgE umSEtZungSEmPfEHlungEn
VerstehenwirdieProduktionhingegenalsein kooperierendes und dezentrales netzwerk von fertigungseinrichtungenunterschiedlicherFirmen,soführtdieszueinerkooperativenverteiltenArchitektur(Software Oriented Architecture),dieERP,FertigungundLogistiküber ServicesundeineoffeneDatenbasisverknüpft(s.Abb.14)
DazusindstatischeunddynamischeModelleüberMaschinenundFertigungsprozessenotwendig,umdieSemantikundderenkonzeptionelleBeziehungenineinerOntologieabzubilden.DieseModellevonMaschinenundFertigungsprozessenliegenheuteoftnichtvor(zumBeispieloftnurausHeuristik,daheralsoschwermodellierbar;keineinheitlicherModellierungsansatzvorhanden).ErsteForschungsansätzeexistierendazuindermobilenRobotikoderalsTeilmodelleimSystems Engineering.DieseModellesindzuvervollständigen,zuintegrierenundinEngineering-Prozesseeinzubringen,beispielsweiseüberdieErweiterungderCAD-AnsätzeundderPLM-Methodenaufsoft-wareintensiveSysteme.
AngrenzendeoderüberlappendeProzessewieLogistik,Diag-nose,Qualitätssicherung,Instandhaltung,Energiemanagement,Umweltschutz,Mitarbeiterressourcenplanungwerdenheute(noch)nichtintegriertbetrachtet.
Durcheinengenerischen prozessansatzkönnendieseaufje-derEbene(Fertigung,Linie,Maschine)selbstähnlichgelöstwer-den(„FraktaleFabrik“).DaindenProzessdatendasgesamtewettbewerbsrelevanteWisseneinesproduzierendenUnterneh-menssteckt,mussderDatenaustauschbestensgeschützterfol-genundjeweilsnurzwischendenerforderlichenPartnern,dieeinentsprechendesAbkommengeschlossenhaben.Von einer lösung dieser kommunikationstechnischen aufgabe wird wesentlich das Vertrauen der industriellen anwender abhängen.
Entwicklung und Prozess
Kommunikation und Dienste
Erkennung und InteraktionReales Umfeld
Produktionsumfeld
Logistik
Arbeits-umfeld
Middleware
Sensor/Actor
Cloud/Services
Maschine Produkt Server ComputerMensch
FlexibleZuordnung
Energie/Umwelt
Lokale Kommunikation
Abbildung 13Vernetzungsmodel der Smart Factory mit dem realen Umfeld
46 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
5.2.1. Vorhandene basIstechnologIen
FürdieEntwicklungunddenEinsatzvonCPPSinzukünftigenProduktionensinddiedafürnotwendigenBasistechnologienElektronikundElektroniksysteme,IT-Systeme,Kommunikations-system,IT-SicherheitundMensch-TechnikInteraktioninihrenGrundsätzenvorhanden.
VonbesondererBedeutungfürdieIndustrie4.0istjedochdiegesamtintegration und synthese dieser basistechnologien,umbeispielsweisedurchintelligenteSensorikundInformations-technologiedieOrchestrierunghochgradigverteilterIT-undProduktionssystemesicherzustellen.MethodenundAnsätzezurSynthesevorhandenerTechnologienundzumTransferindasProduktionsumfeldsindnochnichtinausreichendemMaßeerarbeitet.
• Service-oriented-architecture (Soa) SOAisteinParadigmafürdieStrukturierungundNutzung
verteilterFunktionalität,dievonunterschiedlichenBesitzernverantwortetwird.DasSOA-Paradigmabautdaraufauf,dasstechnischeElementederAnwendungsentwicklung(zumBeispielProgrammcode,Datenbankschemasund-abfragen,Konfigurationsdateien)zuhöherwertigen,fachlichorientiertenKomponentenzusammengefasstwerden.DiesefachlichenSOA-KomponentenbietenDienstean,diebeispielsweisealsGrundlagefürdieAutomatisierungvonProzessabläufendienenkönnen.Sogenannte„Composite Applications“fassenmehrerefachlicheSOA-Komponentenmittelsdersoge-nanntenService-OrchestrierungzuneuenApplikationenzusammen.
•prozessmanagement ProzessmanagementsystemehelfenbeiderDefinition,
Ausführung,Analyse,ÜberwachungundOptimierungvonProzessen,zumBeispielvonFertigungsprozessen.AlleamProzessbeteiligtenGeräte,SystemeundPersonenwerdenorchestriert.
• rules management RegelninhochgradigverteiltenSystemenmüssendynamisch
änderbarsein,umdemhohenÄnderungsaufkommengerechtzuwerden.RulesManagementwirdeingesetzt,umkomplexeRegelnkonsistentabzubilden.RegelnhelfenEntscheidungeninnerhalbvonProzessenzuautomatisierenundsindeinwesentlichesElementderSelbststeuerungvonProzessen.
• data-management Data-ManagementdecktalleAspektehinsichtlichDaten-
haltung,DatenanalyseundDatenstrukturierungab.Ent-sprechendeAnalysewerkzeugehelfen,ausDatenwertvolleInformationenzugewinnen.
• event-management DiezentraleSammlungundAnalysevonSystemereignissen,
dieüberallineinemverteiltenSystementstehenunddes-wegenzentralbeobachtetundausgewertetwerdenmüssen,umentsprechendeReaktionenundEskalationenabzuleiten.
• It-management: management im Internet der dinge und dienste / Device management
DasManagementimInternetderDingeundDiensteumfasstdieVerwaltungundKontrollederamSystembeteiligtenGeräte(Devices).EsbietetunteranderemFunktionalitätenfürSoftware Provisioning,Remote Monitoring,Konfigurations-management,Lizenzmanagement,FehlermanagementundFernsteuerung.
• kommunikationstechnologie und netzwerkmanagement ErfolgreichverbreiteteKommunikationstechnologiekannin
derFertigungfürdiekostengünstigeundAd-hoc-Vernetzungeingesetztwerden:3G,4G,Ethernet,TCP/IPv6,WLAN,RFID.
• It-hardware Consumer-undStandard-IT-Hardwarebringenimmer
günstigermehrRechenleistungundSpeicherplatzindenAlltag:Server,PC,Smartphones,PDA,Tablet-PCs.
• Security, Encryption und Public Key infrastructure DieIT-Security-Technologieerlaubtes,VertrauenvonMarkt-
teilnehmerninIT-Rechtestrukturenabzubildenundlangfristigzubetreiben.
Vorläufige UmsetzungsempfehlungenUmdiefürdieIndustrie4.0erforderlicheGesamtintegra-tionderCPPS-Basistechnologienzuerreichen,fordertderArbeitskreisIndustrie4.0Beratungsunternehmen,For-schungs-undWeiterbildungseinrichtungenauf,zielgerich-tetProduktionsunternehmenmitihrenMitarbeiternaufdenEinsatzmodernerIKTsowieCPSimindustriellenUmfeld(CPPS)vorzubereiten.VeränderungsprozesseundModell-projektezurMigrationindieIndustrie4.0-Technologiensindzuentwerfenundzubegleiten,umeineAkzeptanzinallenbeteiligtenUnternehmensbereichenfrühzeitigsicher-zustellen.
47
HAnDlungSfElDEr unD VOrläufIgE umSEtZungSEmPfEHlungEn
5.2.2 aUsbaU breItbandInfrastrUktUr für IndUstrIe 4.0
EinegrundlegendeVoraussetzungfürdieIndustrie4.0istderAusbauderNetze(Stromnetz,Internet)bezüglichgarantierterLatenzzeiten,Ausfallsicherheit,„Quality of Services”undflächen-deckenderBandbreite.AnalogzurEmpfehlungdesIT-GipfelsimDigitalenInfrastrukturen-Jahrbuch2011mussdieBreitband-Internet-InfrastrukturinDeutschland–aberauchzudenproduzierendenPartnerländern–massivausgebautwerden:11
„BeiAnwendungenimMaschinenbauundderAutomatisierungs-technikkommtesaufeinehoheFunktionszuverlässigkeitundVerfügbarkeitderKommunikationsverbindungan.GarantierteLatenzzeitenundStabilitätderVerbindungensindvonentschei-denderBedeutung,dasieeinedirekteAuswirkungaufdasAppli-kationsverhaltenhaben.“
„netzbetreiber sollten die wünsche von generalunternehmer-schaften stärker wahrnehmen
• Verbindliche / verlässliche SlA (Service Level Agreements);
• Verfügbarkeit und Performance von transportleistungen;
• unterstützung beim debugging / tracing von kommuni ka-tionsverbindung, insbesondere die Bereitstellung technischer Hilfsmittel hierfür;
• Bereitstellung von hochverfügbaren / garantierten transportleistungen (fest / garantierte Bandbreite);
• mobilfunk-provider-übergreifende SmS-Empfangs-bestätigung;
• provider-übergreifend standardisierte Application Pro gramming interfaces (APIs) für Provisionierung (SIm-karten-Aktivierung / Deaktivierung);
• tarifmanagement;
• kostenkontrolle von mobilfunkverträgen;
• Quality of Service (fest Bandbreite);
• globales Roaming zu vertretbaren kosten;
• allgemein verfügbare Embedded-SIm-karten;
• Satellitenlösungen für funklöcher.”
Vorläufige Umsetzungsempfehlungen:
DerArbeitskreisIndustrie4.0empfiehltnachdrücklichdieUmsetzungderseitensderAG2„DigitaleInfrastrukturen“desNationalenIT-Gipfels2011vorgelegtenEmpfehlungenzumAusbauderBreitband-Internet-InfrastrukturinDeutschland.
WelcheBandbreitenundEchtzeitanforderungimDetailfürdieIndustrie4.0bereitgestelltwerdenmüssen,mussinStudienüberkonkreteAnwendungsfälle(s.Use Cases,AnhangA.1)erhobenwerden.
11DigitaleInfrastrukturen,Arbeitsgruppe2,Jahrbuch2011/2012,NationalerITGipfel.
48 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
5.3 Security12 und Know-how-Schutz
Beicyber-physischenProduktionssystemenhandeltesumhoch-gradigvernetzteSystemstrukturenmiteinerVielzahlvonbeteilig-tenMenschen,IT-Systemen,AutomatisierungskomponentenundMaschinen.Zwischendenteilweiseautonomagierendentechni-schenSystemkomponentenfindeteinregerundoftzeitkritischerDaten-undInformationsaustauschstatt.
CPPSwerdennurdannrealisiertundakzeptiertwerden,wennadäquate,zuverlässigeundwirtschaftlicheLösungenzumSchutzdesdigitalenProzess-Know-howsundzurAbsicherunggegenManipulationundSabotagenentwickeltundetabliertwerden.ImGegensatzzurSecurityinklassischenIT-Systemen,fürdiebe-reitseineVielzahlvonLösungsansätzenundProduktenexistiert,sindheutigeProduktionssystemenurvergleichsweiseschwachoderzumeistgarnichtabgesichert.
5.3.1 bedrohUngen für IndUstrIelle systeme
BetreibervonProduktionssystemenmüssensichangesichtszu-nehmenderVorfälleundSchwachstellenderSecurity-Thematikannehmen.SomüssendasRisikoundSchadenspotenzialsowohlvonnicht-zielgerichteterSchadsoftwarealsauchvongezielten,qualitativhochwertigenundmiterheblichemAufwanddurchge-führtenspezifischenAngriffengegenInfrastrukturenimProduk-tionsumfeldberücksichtigtwerden.
DiesgiltsowohlfürInfrastrukturen,dieunmittelbarmitdemInternetverbundensind,alsauchfürdiejenigen,welcheaufmit-telbaremWegedurchCyber-Angriffeattackiertwerdenkönnen.
ImRahmenseinerAnalysenzurCyber-SicherheithatdasBundes-amtfürSicherheitinderInformationstechnik(BSI)ineinertop 10-listedieaktuellenBedrohungenmitderhöchstenKritikalitätzusammengestellt,denensogenannteIndustrialControlSystems(ICS)derzeitausgesetztsind:13
tOP 1. unberechtigte nutzung von fernwartungszugängen
tOP 2. online-Angriffe über office- / Enterprise-netze
tOP 3. Angriffe auf eingesetzte Standardkomponenten im IcS-netz
tOP 4. (distributed) denial-of-Service-Angriffe
tOP 5. menschliches fehlverhalten und Sabotage
tOP 6. Einschleusen eines Schadcodes über wechseldaten- träger und externe Hardware
tOP 7. lesen und Schreiben von nachrichten im IcS-netz
tOP 8. unberechtigter Zugriff auf ressourcen
tOP 9. Angriffe auf netzwerkkomponenten
tOP 10. technisches fehlverhalten und höhere gewalt
DieRangordnungderBedrohungenergibtsichauseinerBetrach-tungvonAspektenwiebeispielsweisederTäterkreis,dieVerbrei-tungundAusnutzbarkeitderSchwachstellensowiediemöglichentechnischenundwirtschaftlichenFolgeneinesAngriffs.NichtindiesenTop10enthaltensindweitereBedrohungen,dieheutezwarnachrangigsind,mitBlickaufdieIndustrie4.0aberwichti-gerwerden.HierzugehörenbeispielsweisederEinsatzvonSmart-phones undTablet-PCsfürSteuerungszweckeoderderTrendhinzuCloud Computing.GleichwohlsindsolcheundalleweiterenimkonkretenEinzelfallrelevantenBedrohungenfürdieAbsiche-rungimjeweiligenAnwendungsfallgeeignetzuberücksichtigen.DarüberhinauswurdederSafety-Aspektexplizitnichtbehandelt.
12 ImKontextindustriellerSicherheitbezeichnetderBegriff„Security“explizitdietechnischeSicherheit(beispielsweisedertechnischenAbläufe)inderIndustrie,nichtdenAspektderSicherheitfürdieBeschäftigten(engl.Safety).
13BSI-AnalysenzurCyber-Sicherheit,BSI-A-CS004,Version1.00vom12.04.2012.
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HAnDlungSfElDEr unD VOrläufIgE umSEtZungSEmPfEHlungEn
5.3.2 SECUrity-handlUngsfelder
DieAnalysedesBSI,dieinengerZusammenarbeitmitSecurity-ExpertenausderIT-IndustrieunddemMaschinenbauentstan-denist,machtdasbreiteSpektrummöglicherBedrohungendeutlich.Esreichtdeshalbnichtaus,sichaufeinzelneThemen-felderwieCloud SecurityoderIndustrial Securityzukonzentrie-ren,sondernessindganzheitlicheundaufdieIndustrie4.0ausgerichteteSicherheitskonzepteund-produktezuentwickeln.
DieIT-SecurityimindustriellenUmfeldisteinnochvergleichs-weisewenigbeachtetesThemenfeld,daserstmitdemAuftau-chenvonSchadsoftwarewieStuxnet,DuquoderFlameindenBlickderÖffentlichkeitgelangtist.DementsprechendgibteseineVielzahlvonsowohlHandlungsfeldernalsauchChancen:
• Industrie 4.0-Security als teil der deutschen sicherheitsforschung
TechnologischsindbereitseineReiheanForschungsthemen,wieProduktidentitäten,WissensmodelleoderEmbedded Secu-rity(vgl.Kap.4),absehbar.BeiderErforschungundEntwick-lungentsprechenderKonzepteundSystemeistaufeineengeAbstimmungmitundKompatibilitätzuanderenProjekteninderSicherheitsforschungzuachten,wiesichereIdentitäten,Cyber-SecurityoderderSchutzkritischerInfrastrukturen.
• Industrie 4.0-security baucht Unterstützung durch die politik
AktivitätenwiedasZukunftsfeld„sichereIdentitäten“,derAufbaueinesCyber-AbwehrzentrumsoderdieDiskussionvonSecurity imRahmendesIT-Gipfelsmachendeutlich,dasssichdiePolitikaktivumdasThemaSecuritykümmert.GeradeinBezugaufsicheredeutscheInfrastrukturenundaufeindeutigerechtlicheRahmenbedingungenistdiePolitikgefordert.Zu-künftigsollteauchdieIndustrie4.0-SecurityindiepolitischeBetrachtungeinbezogenwerden.Dabeiistsicherzustellen,dassnichtnationaleHindernisseundRegulierungenaufgebautwerden,diedeninternationalenWettbewerbbeschränken.
• aufbau einer Security-Industrie für die Industrie 4.0 in deutschland
Security-ProduktefürdieklassischeITkommenvorwiegendausanderenStaatenwieUSAoderIsrael.ParallelzurEntwick-lungvoncyber-physischenSystemenundCPS-ProduktenbietetsichdieChance,inDeutschlandeineeigeneSecurity-IndustriefürdieIndustrie4.0aufzubauenunddiespezifischenKenntnisseüberProduktions-undAutomationsprozesse,mechatronischesEngineeringoderEmbedded SystemsalsWettbewerbsvorteilzunutzen.
• Security-sensibilisierung der industriellen mitarbeiter BeiderkonkretenRealisierungvonSecurity-LösungeninUn-
ternehmenistdiereineImplementierungtechnischerSecurity-Produktenichtausreichend.EinederentscheidendenSchwachstellenliegtdarin,dassdieMitarbeiterimUmgangmitSecuritynichtausreichendgeschultsind.GeeigneteundaufdasindustrielleUmfeldausgerichteteSensibilisierungs-kampagnenkönntenhelfen,dieseDefiziteabzubauen.
• etablierung einer arbeitsgruppe Security in der Industrie 4.0
InAnalogiezum„ArbeitskreisSicherheitinderWirtschaft“wirddieEinrichtungeinerArbeitsgruppe„SecurityinderIndustrie4.0“empfohlen,inderdiewissenschaftlichen,unter-nehmerischenundpolitischenAktivitätenzuSecurity imUmfeldderIndustrie4.0aufgegriffenundabgestimmtwerden.
5.3.3 prodUktpIraterIe Und KnoW-HoW-schUtz
DieInnovationskraftdesdeutschenMaschinen-undAnlagen-bausunddieAttraktivitätderweltweitangebotenenProduktehatleideraucheineKehrseite:nämlichProduktpiraterie.LauteineraktuellenUmfragedesVDMAliegtderUmsatzverlust,derdendeutschenMaschinen-undAnlagenbauernin2011entstandenist,beiinzwischenknapp8MilliardenEuro,einerSteigerungum24ProzentgegenüberderletztenUmfragevorzweiJahren.EinUmsatzindieserSchadenshöhewürdederBrancheknapp37.000Arbeitsplätzesichern.InzwischensindfastzweiDrittelderbefragtenUnternehmenbetroffen,beiUnternehmenmitmehrals1.000Mitarbeitern,diezumeistinternationalaktivsind,liegtdieQuotesogarbei93Prozent.ProblematischsindallerdingsnichtnurUmsatzverluste,sondernauchImageschädenundderVerlustvonKnow-how.InExtrem-fällenäußertsichdiesdarin,dassfrüherePlagiateurezuWettbe-werberngewordensind.NebendemsklavischenphysikalischenNachbauvonProduktengehteszunehmendauchumdasge-zielteAbgreifenvonUnternehmens-undProdukt-Know-how.
VordiesemHintergrundistdieEntwicklungneuerTechnologienundMethodenzumSchutzdeseigenenWissensvonenormerBedeutung(vgl.Kap.4.2.1.2).DieseEntwicklungistdarüberhin-ausauchpolitischzubegleitenüber:
• maßnahmen zur eindämmung von produktpiraterie DieBundesregierungmusssichaufpolitischerEbeneweiter-
hinfürdieEindämmungvonProduktpiraterieeinsetzen.SomüssenbeispielsweisenachdemScheiternvonACTAneueWegegefundenwerden,umdemVertriebvonPlagiatenüberdasInternetentgegenzuwirken.
50 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
• aufklärung über die gefahren durch Wirtschaftsspionage ImVerfassungsschutzbericht2011heißtesunteranderem
„FüreinigeNachrichtendienstesindbesondersAufklärungs-zieleindenBereichenWirtschaft,WissenschaftundTechnikvonInteresse.DarumsindSensibilisierung,InformationundAufklärungvonUnternehmenundwissenschaftlichenEinrich-tungenüberdieGefahrendurchWirtschaftsspionagebeson-derswichtig.“
• schaffung eines rechtsrahmens für den Know-how-schutz bei cpps-systemen
FürdenautomatisiertenundmaschinellenInformationsaus-tauschinundzwischenCPPS-SystemenisteinRechtsrahmenzuentwickeln,derIP-Rechte,Vertraulichkeit,GültigkeitundZugriffsrechtedefiniertundsicherstellt.
5.3.4 datenschUtz
DieIndustrie4.0stelltbesondereAnforderungenandenDaten-schutz–insbesondereangesichtsdertechnischenMöglichkeitenderErfassungundAuswertungvonInformationenzumGesund-heitszustandderBeschäftigtenandenMaschinenderSmart Factory.GeradeinDeutschlandherrschtimZugedesRechtsaufinformationelleSelbstbestimmungeinebesondereSensibilitäthinsichtlichdesUmgangsmitpersonenspezifischenDaten.
DerArbeitskreiswirdhierzuinderausführlichenBerichtsversion(April2013)ersteHandlungsfelderinAbstimmungmitdenDatenschutzexpertenderFachverbändevorlegen(s.VerweisinKap.5.6).
Vorläufige Umsetzungsempfehlungen:
DerArbeitskreisIndustrie4.0erachtetdasThemaSicher-heitmitdenAspektenSecurity,Know-how-SchutzsowieDatenschutzalszentralenerfolgskritischenFaktorfürdieIndustrie4.0.
ErempfiehltdaherzurErarbeitungvonUmsetzungsemp-fehlungendenengenAustauschmitderPromotorengruppeSicherheitderForschungsunion,demBundesamtfürSi-cherheitinderInformationstechnikunddenDatenschutz-expertenderFachverbände.
DieerstenUmsetzungsempfehlungenwerdenmitderaus-führlichenBerichtsversionimApril2013vorgelegtwerden.
5.4 mensch-maschine-Interaktion (mmI) – Betriebliche Arbeitsorganisation und Arbeitsgestaltung
ManmusskeinProphetsein:SolltenCyber-Physical Systems breitflächiginderindustriellenWeltzumEinsatzkommen,sindineinemZeitraumvonfünfbiszehnJahrenerheblichequalitativeVeränderungenderIndustriearbeitzuerwarten.
ZudenarbeitsrelevantenAuswirkungenliegenbislangkeinege-sichertenempirischenBefundeoderPrognosenvor.MitBlickaufdiehochautomatisiertenBereicheinderHalbleiter-undAutomo-bilproduktionlässtsichindesfundiertspekulieren,dassmiteinerverstärkteninformationstechnischenDurchdringungundsensor-gestütztenVernetzungdesWertschöpfungsprozessesumfas-sendeMensch-Maschine-undSystem-InteraktionenanBedeu-tunggewinnenwerden:Multimedia-,Social-media-undCloud-Technologien,EndgeräteausderBürowelt(Tablet-PCs,Smart-phones,Ethernet)undneuartige,adaptiveAssistenzsystemewer-denzunehmendVerbreitungindenindustriellenArbeitssystemenfinden.
Inkurz-bismittelfristigerPerspektivewirdsichderArbeitspro-zessimbeständigenWechselvirtuellerundrealerWerkbänkeoderSchreibtischevollziehen.InlangfristigerPerspektivewer-denProduktentwicklungundProduktiondurchgängigvirtuellgestaltetsein.
FürdieMehrzahlderBeschäftigteninderFertigungproduzieren-derUnternehmenistzuvermuten,dassregulierendeTätigkeitenwiedieSteuerungundProgrammierungsowiedieStörungs-undFehlerbehebungweiteranBedeutunggewinnen.FürIngenieurin-nenundIngenieureindenEntwicklungsabteilungenistimVerlaufdesZusammenwachsensvonProduktions-undInformations-technologiemitsteigendenAnforderungenbesondersandiein-terdisziplinäreZusammenarbeitzurechnen.Andersgesagt:WennderSoftware-AnteilinklassischenmechanischenProduk-tenundProduktionsprozessensteigt,wächstauchderBedarfanfachübergreifendemWissenundFähigkeitensowieanVerständ-nisfürdieArbeits-undDenkweisenkorrespondierenderDiszipli-nenundFakultäten.VordiesemHintergrundsindfolgendedreiHandlungsfeldervonBelang:
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HAnDlungSfElDEr unD VOrläufIgE umSEtZungSEmPfEHlungEn
1. ambivalente folgen für tätigkeitsprofile, kompetenzen und beschäftigung systematisch beobachten und hinsicht-lich ihrer auswirkungen für die beschäftigten analysieren
DieArbeitwirdanalleBeschäftigtendeutlicherhöhteKomplexi-täts-,Abstraktions-undProblemlösungsanforderungenstellen(„DenkeninübergreifendenProzessen“,„Komplexitätsreduzie-rungerlernen“).DarüberhinauswirddenBeschäftigteneinsehrhohesMaßanselbstgesteuertemHandeln,kommunikativenKompetenzenundFähigkeitenzurSelbstorganisationabverlangt.Kurzum:DiesubjektivenFähigkeitenundPotenzialederBeschäf-tigtenwerdennochstärkergefordertsein.Dasbietetchancen aufqualitativeAnreicherung,interessanteArbeitszusammen-hänge,zunehmendeEigenverantwortungundSelbstentfaltung.IndesimplizierendieAnforderungenderneuen,virtuellenAr-beitsweltauchgefahren für erhalt und sicherung des arbeits-vermögens.JemehrsichderArbeitsalltagverdichtetunddastechnischeIntegrationsniveauinsichständigflexibeländerndenNetzwerkenansteigt,könnenArbeitsintensivierung,einVerlustanZeitsouveränitätundeinesteigendeSpannungzwischenVirtualitätundeigenerErfahrungsweltRaumergreifen.
DerVerlustanHandlungskompetenz,dieErfahrungderEntfrem-dungvondereigenenTätigkeitdurcheinefortschreitendeDema-terialisierungundVirtualisierungvonGeschäfts-undArbeitsvor-gängenwärendieFolgen.Nichtauszuschließenist,dasssich„alte“und„neue“GefährdungenfürdasArbeitsvermögeninneuerQualität–sowohlinderBedeutungs-alsauchderVernet-zungsdimension–überlagernundFormenderSelbstausbeutungbefördern.DeshalbkannmandieIndustrie4.0nichtmitArbeits-verbesserungengleichsetzen.DieHerausforderungbestehtviel-mehrdarin,Lösungenzufinden,mitdenendieBeschäftigtenda-fürgewonnenwerdenkönnen,StärkenundLeistungen,WissenundKompetenzenindasProduktionssystem4.0einzubringen.
2. arbeit auf basis einer sozio-technischen gestaltungs-perspektive als lebendiges potenzial in der Industrie 4.0 entwickeln und nutzen
WiesichderArbeitsalltagineinerIndustrie4.0konkretdarstel-lenwird,istderzeit(noch)offen.DieSmart FactoryenthälteinPotenzialfüreineneueArbeitskultur,könnteWegezueinemintelligenten,andenInteressenderBeschäftigtenorientiertenVerständnis„guterArbeit“eröffnen.IndeswirdsichdiesesPo-tenzialnichtimSelbstlaufrealisieren.EntscheidenddafürsindnebenWeiterbildungOrganisations-undGestaltungsmodellevonArbeit,dieeinhohesMaßanselbstverantwortlicherAutonomiemitdezentralenFührungs-undSteuerungsformenkombinieren,die„loslassen“unddenBeschäftigtenerweiterteEntscheidungs-undBeteiligungsspielräumesowieMöglichkeitenzurBelastungs-regulationzugestehen.
DieTechnikbietetOptioneninbeideRichtungen.DieSystem-auslegungkannsowohlalsrestriktive,kontrollierendeMikrosteu-erungalsauchalsoffenesInformationsfundamentkonfiguriertwerden,aufdessenBasisderBeschäftigteentscheidet.Andersgesagt:ÜberdieQualitätderArbeitundderArbeitsbedingungenentscheidennichtdieTechnikodertechnischeSachzwänge,sondernWissenschaftlerinnenundManager,dieCyber-Physical-Systemsentwickelnundumsetzen.
GefragtistindiesemZusammenhangeinesozio-technische gestaltungsperspektive,inderArbeitsorganisation,Technik-undSoftwarearchitektureninengerwechselseitigerAbstimmung,„auseinemGuss“mitdemFokusdaraufentwickeltwerden,intel-ligente,kooperative,selbstorganisierteInteraktionenzwischendenBeschäftigtenund/oderdentechnischenOperationssyste-menentlangdergesamtenWertschöpfungskettezuermöglichen.
52 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
3. partizipative arbeitsgestaltung in der Industrie 4.0 statt neo-taylorismus
DasssolchearbeitsorientiertenGestaltungsansätzegegenwärtiginderIndustrienurrudimentärverbreitetsind,verdeutlichteinBlickaufdiearbeitssoziologischenBefundezumIst-ZustandderIndustriearbeit.MitdemZielderStandardisierungundOptimie-rungvonArbeitsvollzügenwerdenheuteinvielenUnternehmensogenannteGanzheitlicheProduktionssysteme(GPS)indenFertigungenundBürosderindustriellenKernsektoreneingeführt.DieseSystemesindvielfachsehrrestriktivimAufgabenzuschnittausgelegtundallzuhäufigmiteinemVerlustvonBeteiligungs-möglichkeiten,HandlungsspielräumensowieDequalifizierungverbunden.EinerstarkenderNeo-TaylorismusmussaberkeinezwangsläufigeBegleiterscheinungGanzheitlicherProduktionssys-temesein.DieszeigenBeispieleinsbesondereaus(hoch-)auto-matisiertenFertigungsabschnitten,indenenauchunterStandar-disierungsbedingungenkompetentes,aufBeteiligungausgerich-tetesArbeits-undInnovationshandelnmöglichist–gestütztaufintelligenteOrganisations-undQualifizierungskonzepte.
DamitistdieEntwicklungsrichtungfürdieIndustrie4.0klar:Esistschwervorstellbar,dassdiesesaufintelligenteInformations-vernetzungausgerichteteZukunftsprojektaufBasiseinesTaylo-rismus4.0reüssierenkann.EineweitereRadikalisierungdestayloristischenGestaltungsansatzeskannnichtalsaussichts-reicherWeggelten,umdieSmart FactoryimEinvernehmenmitdenBeschäftigtenrealisierenunddamitneueEffizienzvorteileerschließenzukönnen.GeradeweildieIndustrie4.0einhoch-komplexes,virtuellesSystemist,brauchtsiedenMenschenals„Sensor“,EntscheiderundSteuerer.
IndiesemZusammenhangkanndiegewerkschaftlicheInnova-tionsstrategie„Besserstattbilliger“tragfähigeStandardsundHandlungskorridorefüreine„guteArbeit“undsichereZukunftvonStandortenundBeschäftigungaufzeigen.DieseStrategieumfassteinerseitsarbeitspolitischeBelangewieeinearbeits-orientierteOrganisationsgestaltung,umfassendeBeteiligung,MitbestimmungundQualifizierung.Anderseitsistsiemitgloba-lenWettbewerbsanforderungenkompatibel.„Besserstattbilli-ger“ziehltaufTechnologieführerschaftalsWeichenstellungfürdieindustrielleZukunftDeutschlands.IndieserPerspektivestel-len„guteArbeit“,technologischeInnovationundMitbestimmungbeimProjekt4.0keinenWiderspruchdar,sonderneineindieZukunftweisendeKompasseinstellungbeiderSuchenachtech-nologischeffizientenundsozialausgewogenenLösungen.
Vorläufige Umsetzungsempfehlungen:
DerArbeitskreisIndustrie4.0erachtetdieobenausge-führtendreiHandlungsfelderalszentral,umdasPotenzialderIndustrie4.0fürdieBeschäftigtenzuheben.ErsteUm-setzungsempfehlungensolltenhierzugemeinschaftlich–imSinneeinerPlattform„ZukunftderArbeit“–erarbeitetwerden.Handlungsoptionendafürwerdeninderkommen-denBerichtsversionaufgezeigtwerden.
53
HAnDlungSfElDEr unD VOrläufIgE umSEtZungSEmPfEHlungEn
5.5 mensch-maschine-Interaktion – Qualifizierung und Aus- und weiterbildung
DieUmsetzungderIndustrie4.0musswieausgeführtzueinemarbeitsorientiertensozio-technischenFabrik-undArbeitssystemführenundstelltdieberuflicheundakademischeAus-undWeiterbildungvorneueHerausforderungen.
DieseumfassenErweiterungsbedarfefürdieAus-undWeiter-bildung,sowohlvonEntwicklernproduktionstechnischerKompo-nentenalsauchvonderenAnwendern.DiesesgiltfüralleQuali-fizierungsstufen.DerAusbauderWeiterbildungsolltedabeieinehohePrioritäthaben.Zielistes,einneues,ganzheitlichesOrga-nisationsverständniszuvermittelnundHandlungssicherheitdurchdieTransparenzderSystemezubefördern.Durchlern-förderliche arbeitsorganisation und adäquate Qualifizie-rungsstrategiensolleinemenschzentrierteProduktionsgestal-tungermöglichtwerden,diedenheterogenenBildungs-undErfahrungsstandunddieunterschiedlichenKompetenzbündelderBeschäftigtenderartberücksichtigt,dassdieInnovations-fähigkeitvonMenschenundUnternehmengestärktwird.Darü-berhinauswerdenIndustrie4.0-ArbeitsplätzeunteranderemunterVerwendungvonCPS-Technologiensoausgelegt,dassdiezwischenmenschlicheKommunikationunterdenBeschäftigtenbefördertwirdundArbeitsunterstützung,LernaufgabensowiephysischesTraininginsinnvollenIntervallenindenArbeitsalltagarbeitsplatznahintegriertwerden.DabeimussstetsRücksichtaufdieBelastbarkeitderBeschäftigtengenommenwerden.
BeiderGestaltungderArbeitsplätzemüssenzudemdieunter-schiedlichenRollenderBeschäftigten(vonungelerntenBeschäf-tigten,Facharbeitern,BeschäftigtenmitMeister-oderTechniker-ausbildungbiszumakademischenPersonalmitBachelor-,Mas-ter-oderIngenieurstudium)sowiederenheterogenerBildungs-standundKompetenzbündelberücksichtigtwerden.
„fachfremder“KompetenzensollteermöglichtundzugleicheineengeKooperationzwischenBetriebundHochschulengefördertwerden.
2.einrichtung und förderung von „netzwerken guter praxis“:ZurSicherungvonWissenstransferundderNachhaltigkeitsollten„NetzwerkeguterPraxis“fürAus-undWeiterbildungwettbewerblichausgeschriebenwerden.DieseNetzwerkehabendieAufgabe,Beispielezuentwickelnundzudokumentieren,aufzubereiten,AkteurezuvernetzenunddenTransferzuunterstützen.
3. förderung der entwicklung digitaler lerntechniken:DigitalenMedienundinnovativenLerntechnologienmusseineherausragendeRolleinderWissensvermittlungundKompetenzentwicklungzukommen.UmQualifika-tionspotenzialezuerkennenundtransparentzumachen,müssenStandardsfürdieAnerkennungnon-formalerundinformellerBildungentwickeltwerden.
4. erforschung von neuen ansätzen für arbeitsplatz-nahen Wissens- und kompetenzerwerb:VordemHin-tergrunddestechnischenunddemografischenWandelsundimHinblickaufdieheterogenenVoraussetzungenderLernenden(zumBeispielAlterundBildungs-,Erfahrungs-oderkulturellerHintergrund)müssenneueAnsätzefürdieDidaktiksowiedieKonzeptionetwavonAssistenz-systemenentwickeltwerden.Insbesondereistaufar-beitsplatznaheWeiterbildungzuachten,dieGesundheit,BewegungundLebensführungalsVoraussetzungenfüreinlängeresArbeitslebeneinschließen.Esisteinelern-förderlicheArbeitsorganisationzuschaffen,dazusindentsprechendeTrainingskonzepte,AnalysemethodenundFührungskonzeptezuentwickeln.EinelernförderlicheAr-beitsorganisationistfernerGrundlagefürlebensbeglei-tendesLernenundsolltedahergeradeimHinblickaufdiezuerwartendschnelletechnischeVeränderungbeiCPS-basiertenSystemenZieleinerSmart Factorysein.DieEffektivitätvonarbeitsplatznahemundexternemLerneneinerseitsundallgemeinemundberuflichemLernenandererseitssollteimVergleichweitererforschtwerden.
5. förderung von Querschnittskonzepten zu fragen der arbeitsorganisation:AlleMaßnahmenzurQualifizierung,Aus-undWeiterbildungfürIndustrie4.0erforderneineum-fassendeBegleitforschunginFormvonForschungs-undUmsetzungspartnerschaften.GrundlegendzuuntersuchensinddabeiFragenderArbeitsorganisation,Prozessgestal-tung,SteuerungundKooperationsowieihreKonsequenzenfürdieEntwicklungderberuflichenTätigkeitundderQualifikationinIndustrie4.0,einschließlichdesErhaltsderBeschäftigungsfähigkeitineinemlängerenLeben.
Vorläufige Umsetzungsempfehlungen:
DerArbeitskreisIndustrie4.0empfiehltdiefolgendenMaßnahmenzurQualifizierung,Aus-undWeiterbildunginderIndustrie4.0:
1. förderung von modellvorhaben:FürdieIndustrie4.0sinddieberuflicheundakademischeErstausbildungunddieWeiterbildungweiterzuentwickelnbeziehungsweiseauszubauenundzuverzahnen.DierelevantenAusbil-dungsinhaltemüssenidentifiziertundadäquatdidaktischundmethodischaufbereitetwerden.DazusolltenAktivi-täteninFörderprojektenverankertwerden,ausdenensowohlKonzeptederAus-undWeiterbildungentstehen.InsbesonderedieDurchlässigkeitzwischenberuflicherundakademischerBildungsowiezwischenverschiedenenAusbildungsgängenund-systemendurchKompetenz-basierungderAus-undWeiterbildungundAnerkennung
54 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
5.6 rechtliche rahmenbedingungen
Industrie4.0wirfteineReihejuristischerFragestellungenauf,diesichdurchdietechnischenNeuerungenwiebeispielsweisedieDurchgängigkeitdesEngineeringsdurchdiekompletteWert-schöpfungsketteoderauchdieMöglichkeitderErfassungper-sönlicherDatenderBeschäftigtenergeben.DierechtlichenRahmenbedingungenfürIndustrie4.0umfassendabeiHaftungs-fragen,urheberrechtlicheFragestellungen,Produktpiraterie,IP-SchutzaberauchkartellrechtlicheFragenoderdasThemaDatenschutz(s.Kapitel5.3.2).Zielsetzungistes,dafürersteHandlungsfelderzubenennenundmöglicheHandlungsoptionenzuskizzierensowiemöglichenHandlungsbedarfnichtzuletztauchhinsichtlichderjuristischenAusbildungzuidentifizieren.
DasKapitelunddieentsprechendenHandlungsempfehlungenwerdenfürdieausführlicheBerichtsversionzurHannoverMesse2013erarbeitet.
5.7 Vorläufige umsetzungsempfehlungen für die duale Strategie
UmsowohldiedetaillierthergeleitetedualeStrategiemitdendreiMerkmalen–horizontaleIntegration,vertikaleIntegration(Smart Factory)undDurchgängigkeitdesEngineerings–zuver-folgenundgleichzeitigdieBeschäftigtenindeneinzelnen(mittel-ständischgeprägten)UnternehmenaufIndustrie4.0geeignetvorzubereitenalsauchdieBasisfürdiekünftigverwendetenTechnologienineinervermehrtautomatisiertenProduktionzulegen,empfiehltdiePromotorengruppeKOMMUNIKATIONderForschungsunionWirtschaft-Wissenschaft:
1. entWIcklUng Von technologIe-roaDMaPS Und koordInatIon
a)koordination von technologie-roadmaps Hierzuzähltdieeigentlicheentwicklung der roadmap,die
Suchenachgeeignetenbest-Practice-beispielensowiedieauswahl geeigneter Industrie- und forschungspartner.NebendiesenAspektenderKoordinationsollteninregelmäßi-genAbständenfortschrittsberichtederabgeschlossenen,geplantenundlaufendenAktivitätenverfasstsowiedieRoad-mapaktuellenEntwicklungstendenzenangepasstwerden.
b) koordination von Umsetzungsaktivitäten NebenderKoordinationvonTechnologie-roadmapssollte
auchderzeitlicheAblaufdereinzelnenFörderprojekteüber-wachtwerden.HierbeiistinsbesonderedieVerzahnung mit weiteren Industrie- und hochschulpartnernwichtig,umdurchdiesenVernetzungsgedankenauchdietechnologischenZielederIndustrie4.0schnellundohneRedundanzenzuerreichen.
2. förderUng der konsolIdIerten forschUngsempfehlUngen
DieFörderungderkonsolidiertenForschungsempfehlungeninVerbundprojektenzwischenIndustrieundForschungseinrichtungmussvorbereitet,ausgeschriebenundumgesetztwerden.InöffentlichenWettbewerbsverfahrensolltenIdeengeneriertundneueKonzeptevorgestelltundentwickeltwerdenkönnen.NebeneinerreinenForschungsprojektfinanzierung,diedurchdieBundesebene(BMWiundBMBF)bereitgestelltwerdenmüsste,solltendieimFolgendenformuliertenweitergehendenMaß-nahmenverstetigtwerden.
3. WeIterbIldUng Und QUalIfIkatIon
Die(Weiter-)BildungundQualifizierungdererforderlichenFach-undFührungskräfteaufBasisvonTechnologie-RoadmapswirdsowohlimakademischenundberuflichenBereichanStellenwertgewinnen.HierbeiistnebenWeiterbildungsangebotenfürdieIn-dustrieauchderAufbauvonStudiengängenundVorlesungenfürdenakademischenNachwuchszuberücksichtigen.
55
4. InternatIonalIsIerUng
UmdiedualeStrategie,DeutschlandalsLeitmarktundLeitanbie-terinderProduktionstechnikzuetablieren,weiterzustärkenundiminternationalenVergleichzubestehen,sollteninternationaleBestrebungenimKontextCPSoderaberderIndustrie3.0bezie-hungsweise4.0systematischanalysiertwerden.DeutschlandmussmitseinendezentralenundmittelständischgeprägtenStrukturenimMaschinen-undAnlagenbaubefähigtwerden,dieFührungsrollebeiderIntegrationvonneuenTechno-logienderIKTundderKIindieProduktionweiterauszubauen.SolltenweiterestrukturelleoderqualifikationsabhängigeAnfor-derungenausdieseminternationalenWettbewerbentstehen,solltendieseebenfallsindieStrategieIndustrie4.0integriertwerden.
5. eInrIchtUng Von IndUstrIe 4.0-kompetenzzentren
DieadressiertenForschungs-undEntwicklungsthemeninner-halbderIndustrie4.0habenhoheRelevanz.Langfristigwirdempfohlen:
a) der aufbau eines kompetenzatlas (transparenz über den status quo)
UmineinerdurchdieIndustrie4.0vernetztenWeltauchderVernetzungdesverfügbarenWissenssowiederKompetenz-trägerinUnternehmenundForschungseinrichtungenRech-nungzutragen,wirdderaufbau eines kompetenzatlasempfohlen.HiersolltenebenfallsdieaktuellenForschungsak-tivitäteninderIndustrieundandenForschungseinrichtungenbezogenaufdieadressiertenThemeneinfließen.
b) die koordination von forschungsaktivitäten innerhalb der kompetenzzentren
ZurweiterenFörderungvonStärkenaneinzelnenForschungs-undEntwicklungsstandortenwirdeineengeVerzahnungvonIndustrie-undForschungseinrichtungenempfohlen.Diesekanninsbesonderefürdieinterdisziplinäre zusammenar-beit von Informatikern, Ingenieuren und automatisiererngenutztwerden,umkünftigweitergehendeForschungs-undEntwicklungsvorhabenimVerbundabzustimmen.
c) die Unterstützung als Innovationsinkubatoren UmdiemöglicheKommerzialisierungvontechnologiegetrie-
benenInnovationenausderIndustrie4.0herauszugestalten,sollteeineArt„Innovationsinkubator“strukturiertundorga-nisiertwerden.Dieserkönnteunteranderemauchausdenini-tiiertenFörderprojektenentstehendeStart-upsanleitenundindererstenPhasederGeschäftsmodellfindungbeglei-tenoderberaten.
6. aUfbaU eIner IndUstrIe 4.0-CoMMUnity
a) Unterstützung von standardisierungs- und normungs aktivitäten
UmdenAuf-undAusbaueinerIndustrie4.0-Communityzuunterstützen,solltenProjekteinderIndustrie4.0nichtalsEinzellösungenentwickeltundvollständiglosgelöstvoneinan-derbetrachtetwerden.HiergilteszunächsteinegemeinsameSprachezufinden,BegriffeimKontextvonIndustrie4.0disziplinübergreifendzudefinieren.DarüberhinaussolltezurDurchsetzungderinDeutschlandüberFörderprojekteinitiier-tenTechnologieentwicklungproaktivüberStandardisierungs-beziehungsweiseNormungsbestrebungennachgedachtwer-den,umdieentwickelteTechnologiefüreinebreiteMassebereitzustellen.AusdiesemGrundsollteüberdieFörderungfirmenübergreifenderArbeitsgruppenzurErarbeitungvonStandardsnachgedachtwerden.ZieldieserBemühungenmussesallerdingssein,dasseinbreiterKonsensbeiderEnt-wicklungderStandardsgefundenwird.
b) Wert einer Industrie 4.0-Community EineIndustrie4.0-CommunitybefruchtetzudemdenAus-
tauschzwischenForschungseinrichtungenundIndustrie.DieserkönntezudemnochdurchdieOrganisationvonKon-ferenzen,NewsletternoderdieBeteiligunginZeitschriftenmanifestiertwerden(s.Kapitel7.).
c) gesellschaftliche Verpflichtung LetztendlichträgtdieseFormderZusammenarbeitdazubei,
dasssowohlinderIndustriealsauchinderGesellschaftdasThemaIndustrie4.0RückhalterfährtundMechanismen,wiewirsieausunseremtäglichenmultimedialenUmfeldkennen,langfristigauchinderproduzierendenIndustrieüblichwerden.
7. aUfbaU Von demonstratIonsfabrIken
DieIndustrie4.0kannnurdanninallenFacetteneinerbreitenÖffentlichkeitpräsentiertwerden,wenndurcheineSysteminteg-rationindemonstrationsfabrikenihrepositivenEffektever-deutlichtwerden.Demonstrationsfabrikensolltenanunter-schiedlichen standorten in deutschlandentstehenundinderLagesein,exemplarischeProzesskettenabzubildenundeineValidierung der in forschungsverbündenzwischenIndustrieundForschungentwickeltenKonzeptezuermöglichen.AusdiesenDemonstrationsfabrikenergebensichletztendlichweitere handlungsbedarfefürdieganzheitlicheUmsetzungvonIndustrie4.0.
HAnDlungSfElDEr unD VOrläufIgE umSEtZungSEmPfEHlungEn
56 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
6 wO StEHEn wIr Im IntErnAtIOnAlEn VErglEIcH?
DieIndustrie4.0istalsZukunftsprojektfürdieStandortsiche-rungiminternationalenWettbewerbnurdurchprofundeKennt-nissezubewältigen.NebenDeutschlandhabenauchandereLänderdieHerausforderungenfürdieIndustriealseinenstrate-gischwichtigenTrendidentifiziert,etwadieUSAundAustralien.HierwirdderFokusaberstärkeraufdieTechnologiegelegt,bei-spielsweiseineinemSpecial Report„IT and Operational Techno-logy Alignment“desIT-AnalystenGartner.14GartnerbezeichnetdasFeld„Industrie4.0“alsdieKonvergenzvonbetrieblicherInformationstechnologie(IT)und„Operational Technology(OT )“,dieals„physical-equipment-oriented technology”betiteltwird.DieAnalystensehendiesenTrendinmehrerenBranchen:Ge-sundheitswesen,Transport,Verteidigung,Energie,Luft-undRaumfahrt,Produktion,BergbauundRohstoffproduktion.Ge-meinsamenStandards,PlattformenundSchnittstellenwerdennebenderIT-SicherheitbesondereBedeutungzugesprochen.DasKonzept“Operational Technology(OT )”liegtwesentlichnäherandeninDeutschlanderfolgreicheneingebettetenSoft-ware-SystemeninderFertigungalsanderRevolutiondurchIndustrie4.0.
UnterdemStichwort„Manufacturing is going digital“sprichtauchderEconomistimApril2012voneiner„third industrial revolution“15undbeschreibtinsbesonderedendisruptivenCha-rakterdesTrends–sowohlfürdieetabliertenGeschäftsmodelleexistierenderUnternehmenalsauchfürdieklassischeIndustrie-politikderRegierungen:„Consumers will have little difficulty adapting to the new age of better products, swiftly delivered. Governments, however, may find it harder. Their instinct is to pro-tect industries and companies that already exist, not the upstarts that would destroy them.“WenngleichhiervoneinerdrittenundnichteinerviertenindustriellenRevolutiongeschriebenwird,entsprichtdieimArtikeleingenommenePerspektivederjenigenderAutoren.
FürdieausführlicheBerichtsversion2013solleineersteEinord-nungderdeutschenWirtschaftimHinblickaufihregegenwärtigeglobaleWettbewerbsfähigkeitimBereichCPS(Benchmark/InternationalerVergleich)vorgenommenwerden.DerArbeits-kreisIndustrie4.0empfiehlt,hierzueineAnalysedesinternatio-nalenBenchmarksauchimRahmenderForschungsförderungzuunterstützen.
14http://www.gartner.com/technology/research/it-ot-alignment/.15TheEconomistvom12.April2012;Artikel:Thethirdindustrialrevolution–the
digitisationofmanufacturingwilltransformthewaygoodsaremade—andchangethepoliticsofjobstoo.Printausgabe;Onlineunter:http://www.economist.com/node/21553017.
57
7 AuSBlIck AB 2013 – wISSEnStrAnSfEr & Community-Building Auf DEr „PlAttfOrm InDuStrIE 4.0“
DieIndustrie4.0istnichtnuraustechnologischerPerspektive,sondernauchinBezugaufdieZusammenarbeitdereinzubinden-denAkteure(Unternehmen,Verbände,Forschung,Politik)einaufhochgradigeVernetzungangewiesenesZukunftsfeld.DieVisionIndustrie4.0kannnurdannRealitätwerden,wenndieheuteteilweisebestehendenGrenzenundHemmnissezwischendenAkteurenüberwundenundabgebautwerden.ImSinneeinergemeinschaftlichenZielerreichungmüssenkooperativeundkommunikativeArbeits-undInformationsstrukturengeschaffenwerden,welchediefolgendenIntegrationsmerkmaleaufweisen:
•disziplinübergreifend(Produktionstechnik,Automatisierungs-technik,Informationstechnik,Arbeitswissenschaft),
• branchenübergreifend(Maschinenbau,Elektrotechnik,IKT),
• verbandsübergreifend (VDMA,ZVEI,BITKOM,BDI,IGM),und
• unternehmensübergreifend(alleUnternehmensgrößen,AnbieterundAnwender,Wertschöpfungsnetzwerke).
BeiderZusammensetzungdesAnfang2012etabliertenArbeits-kreisesIndustrie4.0unterCo-Leitungvonacatech(DeutscheAkademiederTechnikwissenschaften)undderRobertBoschGmbH,wurdendieseIntegrationsanforderungengrößtenteilserfüllt,miteinerstarkenFührungsrollederbeteiligtenUnterneh-menundForschungsinstitute.FürdieweiterführendeBegleitungderIndustrie4.0werdenVerbändeeinestärkereRolleein-nehmenmüssen,umalsMultiplikatorendieZusammenarbeitunterdenAkteurenunddenWissenstransferindieBreitesicher-zustellen.
FürdieFortführungundBegleitungdesZukunftsprojektsIndust-rie4.0undfürdieSchaffungeinerIndustrie4.0-Communitysolleine„plattform Industrie 4.0“etabliertwerden.ZentralesOr-ganisteinindustriellerLenkungskreismitVertreternausIndust-rieundVerbänden,demeinwissenschaftlicherBeiratzurSeitegestelltwird.
ZurUnterstützungdesLenkungskreises,zuroperativenUm-setzungundzurKoordinationabgestimmterAktivitätenwirddieEinrichtungeinerGeschäftsstelleIndustrie4.0vorgeschlagen,überdieinsbesonderediefolgendenAufgabenfelderabgedecktwerden:
•EtablierungeinerzentralenAnlaufstellefürinteressierteUnter-nehmen,Institutionen,PolitikundÖffentlichkeit
•AufbauundPflegeeinesgemeinsamenInformationsportalsfürdenWissenstransfer
•OperativeundadministrativeUnterstützungdesLenkungs-kreises
•FortführungderbisherigerArbeitsgruppenoderEinrichtungneuerArbeitsgruppen/Redaktionskreise
•KoordinationderInteressenundSchwerpunktederbeteiligtenVerbändeundInstitutionen
•VernetzungmitanderenthematischverwandtenPlattformenoderInitiativen(zumBeispielit‘s OWL,Autonomik)
•ÖffentlichkeitsarbeitüberPublikationen,VeranstaltungenoderMessen
58 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
DieoperativeundinhaltlicheWeiterentwicklungderIndustrie4.0sollwiebisheraufArbeitsgruppenebeneerfolgen,mitklarspezifiziertenThemenfeldern.BasierendaufdenHandlungs-empfehlungenbietensichfolgendeArbeitsgruppenan:
•AGStandardisierung(Schnittstellen,Referenzarchitektur)
•AGArbeitsgestaltungund-organisation
•AGDemonstrationsfabriken(Smart Factories)
•AGGeschäftsmodelle
•AGIndustrialIT-Security
•AGForschung
•AGRechtlicheRahmenbedingungen
•AGAus-undWeiterbildung
•AGÖffentlichkeitsarbeit
DieEntscheidungüberBildung,KonzeptionundZusammen-setzungvonArbeitsgruppenerfolgtdurchdenindustriellenLenkungskreis.
DerVerbandDeutscherMaschinen-undAnlagenbau(VDMA)undderZentralverbandElektrotechnikundElektronikindustrie(ZVEI)erklärenihreBereitschaft,dieGeschäftsstellezubetrei-ben.AngesichtsderBedeutungvonInformations-undKommuni-kationslösungenfürdasThemaIndustrie4.0prüftderBundes-verbandInformationswirtschaft,TelekommunikationundneueMediene.V.(BITKOM)derzeiteineaktiveBeteiligunganderge-meinsamenPlattform,derGeschäftsstelleunddemIndustriellenLenkungskreis.ArtundUmfangdieseBeteiligungwerdenimOktober2012durchdasBITKOM-Präsidiumfestgelegt.BisdahinwerdendieentsprechendenBeteiligungsmöglichkeitenoffenge-halten.
DasfolgendeBildskizzierteinenEntwurfderOrganisationsstruk-turderPlattformIndustrie4.0(Stand:02.10.2012,S.Abb.15).
Abb.15:VorläufigeOrganisationsstrukturder„PlattformIndustrie4.0“
Wissenschaftlicher Beirat (WB)organisiert sich selbst,entsendet 1 Sprecher in LK
dort weitere Verbände, u.a. BDI, BITKOM, IGM, VDI
AG 1 AG 2 … AG nGeschäftsstelle (GS)3 Mitarbeiter (Leiter, Mitarbeiter,Assistenz, je 1,5 aus ZSG und VFI)
Organisation – Koordination –Information
Fachcommunity
Abbildung 14:Vorläufige Organisationsstruktur der „Plattform Industrie 4.0“
LenkungMonitoringAußenvertretung• 10 Industrievertreter (je 5 VDMA, ZVEI),
daraus 1 Sprecher• 1 Wissenschaftlicher Beirat• 2 Verbände (je 1 VDMA, ZVEI)• Gäste: AG-Leiter nach Einladung
Industrieller Lenkungskreis (LK)maximal 15 Mitglieder, darunter:
59
A. AnHAng
Quelle: Trumpf
Intelligente Instandhaltung• Betriebspunkte flexibilisieren
Up-Cycling• Recyclingpunkte flexibilisieren
Selbstorganisierende, adaptive Logistik• Wege flexibilisieren
Technologiemarktplatz• Technologie flexibilisieren
Vernetzte Produktion• Abfolgen flexibilisieren
Resiliente Fabrik• Layout flexibilisieren
Kundenintegriertes Engineering• Produkte flexibilisieren
Abbildung 6:Ziele der Smart Factory nach Themen-schwerpunkten und Use-Cases
Augmented Operators Smart ProductsGlobal Facilities Social Machines Virtual Productions
Abbildung 15:Die acht Use Cases der Smart Factory
Resiliente Fabrik
Technologiedaten-Marktplatz
Intelligentes Instandhaltungs-Management
Vernetzte Produktion
Selbstorganisierende, adaptive Logistik
KundenintegriertesEngeneering
Up-Cycling
Smart FactoryArchitecture
… berücksichtigte Aspekte
… Schwerpunkt-Aspekt
A1: Die use Cases Industrie 4.0
Abb.17:DieachtUses CasesderSmart Factory
Abb.16:ZielederSmart FactorynachThemenschwerpunktenundUse Cases
60 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
USE CaSE 1: resIlIente fabrIk (QUelle: festo)
systematisierung der produktionsprozesse nach standard- und spezialmodulenImbreitenProduktspektrummitkundenspezifischenMerkmalenlassensichgemeinsameProduktkomponentenmitihrenzuge-hörigenBearbeitungsschrittenidentifizieren.DadurchkönnendieProdukteaufeinergemeinsamenProduktionsliniegefertigtwerden.ErstimspäterenProduktionsprozesswerdenpro-duktspezifischeProduktionsstationenbenötigt.
AufgrunddesvolatilenProduktmixesisteinhohesMaßanFlexi-bilitätbezüglichdereingesetztenBearbeitungsstationenerfor-derlich.EinmodularesKonzeptermöglichtdieWandlungsfähig-keitderProduktionsliniebezüglichReihenfolge,FunktionundAnzahldereingesetztenProduktionsmodule.ModularitätunddieFähigkeitzurSelbstkonfigurationbeziehensichdabeiauchaufdieüberalleEbenenintegrierteSoftware.
automatisierte rekonfiguration in abhängigkeit der aufträge AufBasiseiner feature-orientiertenBeschreibungderProdukteundderFähigkeitenderProduktionsmodulewirddurcheineOnline-SimulationderaktuellenAuftragssituationdasoptimaleAnlagenlayoutermittelt.WirdeinOptimierungspotenzialer-kannt,soerfolgteineRekonfiguration.DiePlug & produce-FähigkeitermöglichtesdenModulen,sichamLeitrechneranzu-meldenundihreFähigkeitenzuübermitteln.DaraufhinwerdensieindenProduktionsprozesseingeplantundneueKapazitäten,LiefertermineundLeistungsangabenfürdieProduktionwerdenausgegeben.
überlassung von modulen / kapazitäten an partnerfirmenBeiUnterauslastungwerdenfreieKapazitätenoderProduktions-modulePartnerfirmenzurVerfügunggestellt.DarüberhinauslassensichProduktionslinienauchunternehmensübergreifendzusammenstellen.
disruptive aspekte •EinfacherundrascherUmbauderProduktionslinie
entsprechendderAuftragssituation
•IntegrationvonIndividualprozessschrittenin Fertigungslinien
•Plug&produce-FähigkeitderFertigungsmodule
Enabler / handlungsbedarf •Schnittstellenstandardsfüruniversellkombinierbare
Fertigungsmodule
•Fähigkeits-undfunktionsorientierteBeschreibung derBearbeitungsaufgabe
•Modulareundselbstkonfigurierende Software
•KontinuierlicheSimulationvonAuftragslageund ProduktionslayoutüberalleEbenen
resilienz bedeutet widerstandsfähigkeit, aber auch Agilität, Adaptivität, redundanz, Dezentralität und lernfähigkeit.Ein breites Produktspektrum mit kundenspezifischen merk-malen muss bei hochgradig saisonaler nachfrage produziert werden.
Durch eine situative Anpassung der Produktionslinien wird eine Just-in-time-Produktion bei optimaler kapazitätsaus-lastung erreicht.
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USE CaSE 2: technologIedaten marktplatz (QUelle: trUmpf)
A. AnHAng
Auf einer lasermaschine sollen kundenteile aus beigestell-ten Blechtafeln produziert werden. Die auf der maschine verfügbaren technologiedaten liefern keine brauchbare Qualität. für eine klassische Schneiddatenoptimierung steht weder material noch Zeit zur Verfügung.
Durch Zugriff auf internes und externes technologie- Know-how wird der Auftrag in der erwarteten Qualität termingerecht abgewickelt.
technologiedatenaustausch zwischen maschinenDieaufderLasermaschineverfügbarenTechnologiedatenermöglichenkeineausreichendeBearbeitungsqualität.EineautomatischeSucheaufvernetztenProduktionssystemenergibt,dassaufeinerStanz-Laser-Kombi-MaschineineinemZweigwerkgeeignetematerialspezifischeTechnologiedatenvorhandensind.DieseDatenwerdenautomatischaufdasLeistungsprofilderLasermaschineangepasstundliefernaufAnhiebeinbrauchbaresBearbeitungsergebnis.
technologiedatenabgleich zwischen maschine und herstellerdatenbank AufgrunddergutenErgebnissestelltderKundeeinengröße-renAuftragimselbenKundenmaterialinAussicht.Dadieau-tomatischadaptiertenTechnologieparameternochPotenzialzurProduktivitätsoptimierunglassen,wirdderVorlaufbiszumAuftragsbeginngenutzt,umübereineadhocangebundeneMaterialsensorikdieMaterialeigenschaftendesKundenmate-rialsexaktzuermitteln.EinautomatischerAbgleichmitdemTechnologieportaldesMaschinenherstellerslieferteinenaufdieZielmaschineoptimiertenTechnologiedatensatz,deresermöglicht,denGroßauftragdurchoptimaleAusnutzungderMaschinetermingerechtabzuliefern.handel von technologiedaten auf öffentlichen Internet-marktplätzenBeiweiterenFolgeaufträgenkommtneuesKundenmaterialzumEinsatz,fürdaswederaufdenvernetztenMaschinennochbeimHerstellergeeigneteTechnologiedatenexistieren.AufgrundeinerautomatisiertenAnfrageaufdemTechnologie-marktplatzderLaserschneiderermittelteinDienstleisteranhandderMaterialeigenschafteneinengeeignetenTechno-logiedatensatzundbietetdiesenzurdirektenNutzungzumVerkaufan.
disruptive aspekte •MaschinenübergreifenderTechnologiedatenabgleich
mitautomatischerAdaption
•AutomatisierteTechnologiedatenbereitstellung aufBasisvonAd-hoc-Sensorik
•UnternehmensübergreifenderTechnologiedaten- austauschüberöffentlichenMarktplatz
Enabler / handlungsbedarf •Maschinen-/Technologiemodellezurautomatischen
AdaptionderTechnologiedaten
•TechnologiespezifischeAd-hoc-Materialsensorik beziehungsweiseMaterialbringtEigenschaftenmit
•StandardisierteBeschreibungundSchutzvon Technologiedaten
62 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
Die indirekten kosten ungeplanter maschinenstill-stände können die direkten kosten einer wartung oder reparatur beträchtlich übersteigen.
mit antizipierenden Instandhaltungskonzepten lassen sich für die Betreiber die folgekosten ungeplanter Stillstände deutlich reduzieren
USE CaSE 3: IntellIgentes InstandhaltUngsmanagement (QUelle: Wbk)
kein ungeplanter stillstand durch rechtzeitige Wartung bei nennbetriebMittelsintelligenter,kostengünstignachrüstbarerSensorikkönnenDatenüberLastenundMaschinenzuständeinEchtzeiterfasstwerden.AnhanddieserDatenkönnenmitentsprechen-denAlgorithmeninKombinationmitlastabhängigenZuverlässig-keitsanalysendetailliertePrognosenüberdasAusfallverhaltenkritischerKomponentenerstelltwerden.DieseInteraktionenermöglichendenMitarbeiterneineoptimierteInstandhaltungs-einsatzplanungundErsatzteilbereitstellung.Komponenten-abhängigkanndieidealeServicestrategieabgeleitetundkon-figuriertwerden.Ressourcenwerdeneffizienteingesetztundgeschont,ungeplanteStillständereduziertunddasbetroffeneInstandhaltungs-undBetriebspersonalunterstützt.
Variation des nennbetriebs zur gewinnung von handlungsspielraumDesWeiterenermöglichendieEchtzeitdateneineadaptiveAn-passungderProzessparameterandieaktuelleAuslastungderLinie.SokönnenbeilokalundtemporärauftretendenEngpässendieGeschwindigkeitenvor-undnachgelagerterProduktionsres-sourcenreduziertwerden,ohnedabeidieAusbringungzusen-ken,waszueinergeringenLasteinbringungaufdieKomponentenführt.BeilieferzeitkritischenAufträgenwerdenhingegenselbst-ständigmaximaleGeschwindigkeitenrealisiert.DerMenschgibtdabeidasZielsystemvorundinteragiertdirektmitdenPrognose-tools.SomitisteinepermanenteOptimierungderRessourcen-undvorallemEnergieeffizienzinAbhängigkeitvonAuslastungundLieferzeitenmöglich.
alternative produktionsprozesse nutzenImZusammenspielmitderadaptivenProduktionssteuerungwerdenimFalleungeplanterStillständedurchCyber-Physical Systems AusweichstrategienaufalternativeProduktionsprozesseadhocundohnemanuellesEingreifenDrittermöglich,sodassdienegativenKonsequenzenungeplanterSillständeabgemildertwerden.
disruptive aspekte •IdentifikationvonZustandundVerschleißvorrat
•PrognostizierbarkeitdesVerschleißvorratsaufBasis derBetriebsparameter
•AutomatischeIdentifikationoptimalerBetriebs- undWartungspunkte
Enabler / handlungsbedarf •AdhocvernetzbareSensorenzurSystemzustands
identifikation
•UmfassendesSystemabbildinEchtzeit
•VerschleißmodelleinAbhängigkeitderrealen Betriebsparameter
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EmPfEHlungEn
megatrends wie die Individualisierung von Produkten führen zusammen mit einem turbulenten marktgeschehen zu kom-plexen Produktionsabläufen.
Angesichts dieser randbedingungen müssen organisatori-sche Verluste durch adäquate Planung und Steuerung der Produktion vermieden werden, um die wettbewerbsfähig-keit produzierender unternehmen in Deutschland weiter auszubauen.
USE CaSE 4:Vernetzte prodUktIon (QUelle: IWb)
das produktionssystem reagiert selbständig auf ungeplante ereignisseIntelligenteundvernetzteProduktionsressourcenundProdukteermöglicheneinjederzeitbisinsDetailaktuellesAbbildderFab-rik.SokönnenbeispielsweisezusätzlichzuaktuellemZustand,OrtundFähigkeiteneinesProduktionsmittelsauchrelevanteZu-standsinformationenvonPartnerfirmenimLiefernetzwerkbe-rücksichtigtwerden.AufBasisdesEchtzeitabbildswerdenPro-duktionsabläufegeplantundgesteuert.UngeplanteEreignissewieMaschinenausfall,ProduktspezifikationsänderungbeibereitslaufenderProduktionodereinExpressauftragwerdenadhocidentifiziert.DasintelligentePlanungs-undSteuerungssystemnimmtselbstständigdurcheinenAnforderungs-Fähigkeits-Ab-gleicheineUmplanungvor.
das produkt steuert sich selbst durch die produktion IntelligenteProduktesinddurchihreAd-hoc-Vernetzungsfähig-keitsowiedurchMitführungeinerdigitalenProduktbeschreibungdazubefähigt,sichselbstdurchdieProduktionzusteuern.UmihrenZielzustandzuerreichen,initiierendieProduktedezentraleadhocaufgebauteRegelschleifen.IndieseSchleifensindso-wohlFertigungsressourcenalsauchdasLeitsystemeingebun-den.DamitkönnenvieleEntscheidungendirektaufWerkstatt-ebenegetroffenwerden.
der mensch nutzt die freiheitsgrade des produktions-systems aufgrund erfahrung / kreativitätImZusammenwirkenintelligenterAutomatisierungmitderErfah-rungundderKreativitätvonMenschenwerdenorganisatorischeVerlusteinderProduktionsukzessiveverringert.ZudiesemZweckwerdenfürdieProduktionsmitarbeiterübereinmobilesAssistenzsystemkontextsensitivInformationenüberdieaktuel-lenLeistungsdatenderProduktionalsEntscheidungsgrundlagefüreinekontinuierlicheOptimierungbereitgestellt.
disruptive aspekte •EchtzeitfähigeProduktionsplanungund-steuerung
•SelbststeuerungsfähigkeitfürintelligenteProdukte
•KontextsensitiveundmultimodaleMitarbeiter- interaktion
Enabler / handlungsbedarf •Ad-hoc-VernetzbarkeitvonProdukten,Ressourcen
undAssistenzsystemen
•EchtzeitsystemabbildderProduktion
•KommunikationsstandardszurBeschreibung vonProduktenundRessourcen
64 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
USE CaSE 5: selbstorgansIerende adaptIVe logIstIk (QUelle: daImler)
traceablity durch cps InkomplexenProduktionssystemendurchlaufenZuliefer-undUnfertigerzeugnissemehrereTransport-,Fertigungs-undMontageschritte.InsbesonderezurSteuerungvonMontage-prozessenistdieKenntnisdesAufenthaltsortsvonMaterial,Baugruppen,AggregatenoderendmontiertenProduktenent-scheidend.MitCP-SystemenwerdendiemomentanenAufent-haltsortederObjekteerfasstundPrognosendesweiterenVerlaufsdurchdenTransportabgeleitet.DurchdieTraceability derBauteilewirdderMontageprozessinklusivedervor-undnachgelagertenProduktionslogistikprozessevollständigtrans-parent.
papierlose und staplerfreie Intralogistik DurchCPSentfallenadministrativeBestandsführungs-,Bu-chungs-undInventurprozesse.DiepapierloseProduktionkannsomitfürdenLogistikbereichinbestehendenProduktionssyste-mennachgerüstetwerden.DieEinführungvonCPSerweitertCPSstatischeKanban-ProzesseumdynamischeMethodenzurkurzfristigenAnpassungvonBeständen,Transportmengen,Zyk-lenundTransportzielendurchdieProduktionsablaufsteuerung,zumBeispielbeimAuftreteneinesFehlerfalls,Versorgungseng-passesoderalternativenBelieferungsszenarios.DurchVerknüp-fungvonfahrerlosenTransportfahrzeugenmitdezentralenCP-SystemenundmitzentralerLeitstandsteuerungentstehenauto-nomagierendeTransportsysteme,diemehralseinededizierteTransportaufgabeerledigenkönneninRichtungeinerstapler-freienIntralogistikimWerk.
Unterstützung des menschen in der chaotischen logistikDieMitarbeiterwerdenvoneinemdurchgängigen,skalierbarenundmobilenAssistenzsystemaufallenProzessebenenderLogistik,vomTransportüberUmschlagundBestandsmanage-mentbishinzurKommissionierung,unterstützt.
In der vernetzten Produktion sind zuverlässige Produktions-logistikprozesse ausschlaggebend für den reibungsarmen, fehlerfreien wertschöpfungsprozess. In Zukunft werden die Anforderungen an Stückzahl- und Variantenflexibilität weiter steigen, Engpässe und Belieferungsfehler werden wahr-scheinlicher.
cP-Systeme tragen dazu bei, material- und teilebewegun-gen transparent zu machen. Sie bilden damit die technische grundlage für eine dynamische Intralogistiksteuerung in einer flexiblen fabrik.
disruptive aspekte •DynamischeReaktionauf(un-)vorhersehbare
ÄnderungenimProduktionsablauf
•FehlertoleranzinderProduktionslogistik
•SelbstregulierunginbegrenztemUmfang
enabler / handlungsbedarf •AdhocvernetzbareSensorenzurtemporärenund
zurpermanentenAnwendung
•TraceabilityundEchtzeitsystemabbild
•SchnittstellezuvorhandenenCPSundElementen derLogistikkette
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EmPfEHlungEn
USE CaSE 6: kUndenIntegrIertes engIneerIng (QUelle: Ipa)
einbeziehung des kunden in die WertschöpfungsprozesseDieschnelleMarktbewegungundderenAuswirkungenaufdieProduktionsplanungmachendieReaktionsfähigkeitdesbeauf-tragtenUnternehmenszueinemSchlüsseldesErfolgs.DurchdirekteEinbeziehungdesKundenergebensichneueOptimie-rungspotenziale,zumBeispielinderProduktionsplanungdesbeauftragtenWertschöpfungsnetzes.
produktionsorientiertes design UnterstützendwirkenhierSystemezurAuswirkungsprognosebeiÄnderungenimbeauftragtenProduktinklusiveeinesSystemszurErmittlungalternativerWertschöpfungsszenarien(„Szenarien-system“).DiesebewirkengleichzeitigfürdenKundeneineneueTransparenzsowiefürdenHerstellerdieAuslagerungvonTätig-keitenmithohemAbstimmungsaufwand.Das„Szenariensystem“erstrecktsichdabeiüberweiteBereiche,bishinzuderAuswahl-möglichkeitderSchlüsseltechnologieneinesProzesses(bei-spielsweiseSchneiden/Schweißen).
beispiel logistikdienstleister als herstellerEinLogistikdienstleistererhältdenAuftragfüreinauszuliefern-desProduktinFormderProduktpläne.DiesefinalisiertermiteinigenkundenindividuellenProduktanpassungen(zumBeispielZuschnitt,Farbgebung,generativeFertigungsverfahren)imLogistikzentrumkurzvorAuslieferungundliefertdanndirektaus.
beispiel automobilproduktionÜberKonfiguratorenkannderKundemittelsLive-DatenderLieferketteentlangdeskritischenPfadszuverlässigeVerfügbar-keiten,LieferzeitensowieoptionsspezifischeMeilensteinefürÄnderungenermitteln.DasSzenariensystemerlaubtdabeiüberleichteAusstattungsvariationeneineBeeinflussungdesAus-lieferungstermins.
Immer weitreichendere kundenanforderungen an termin-treue und späte änderungen bewirken die notwendigkeit eines grundsätzlichen umdenkens im Zusammenspiel der klassischen Produktionsaufgaben mit dem kunden / der Supply Chain. Durch eine Integration des kunden in die entwickelnden, planenden und wertschöpfenden tätigkeiten des beauftragten unternehmens entstehen eine neue transparenz und eine reaktive Produktion in idealer Syn-chronisation aller Beteiligten.
disruptive aspekte •ZulassenvonKundenänderungenzurspätest-
möglichenZeitimProduktionsprozess
•PräziseTerminaussagenauchnachoptimierender FunktionsänderungimProdukt
•ModerneGeschäftsmodelledurchEinbindungdes KundenindieProduktentwicklung
Enabler / handlungsbedarf •NutzungvonEchtzeitabbildundSystemmodellim
Planungssystem
•KlareBeschreibungenallerObjekteentlang derSupply Chain
•NeueHandhabungsmethodenfürdenUmfang derDatenmengen
66 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
USE CaSE 7: nachhaltIgkeIt dUrch Up-cyclIng (QUelle Ipa)
rohstoff-, komponenten- und modulinformationen BeiHightech-ProduktenmachenwenigesehrteureRohmateria-lien(PlatininBatterien,selteneErdeninElektronik)einener-heblichenAnteilamWertdesGesamtproduktsaus.NeueGe-schäftsmodelleermöglichendenVerbleibdesEigentumsrechtsandenRohstoffenbeimHerstellerauchnachdemProdukt-verkauf.SienutzendafüreinestandardisierteErfassungvonIn-formationenbezüglichHerstellung,NutzungundRückführungs-möglichkeitendesProduktszumProduzenten.
Up-Cycling statt re-Cycling BasierendaufdenHerstellungs-,Montage-undNutzungsdatendesProduktskannjederzeitderZustandderProduktbestandteilebestimmtwerden.BaugruppenlassensichaufgrunddieserDatenschnellanalysierenundmitunterdurchgeringeÄnderungenandenaktuellenStandanpassen.ImGegensatzzumklassischenRe-CyclingwirddadurcheinUp-Cycling,dasheißteineWieder-nutzungvonganzenBaugruppen(nichtEinzelbauteilenoderRohstoffen)ermöglicht.DadurchlassensicherheblicheEffizienz-steigerungen,zumBeispielbeimEnergieeinsatz,erreichen.
effizientes re-Cycling DieInformationenüberdasProduktermöglicheneineBewer-tung,obeinesortenreineRückgewinnungderRohstoffewirt-schaftlichmöglichist.DadurchkanneineEntscheidungüberdensinnvollstenWegderWeiterverwendungderRohstoffegetroffenwerden.
disruptive aspekte •DieEigentumsrechteandenverwendetenRohstoffen
verbleibenbeimHersteller
•PlanungdesUp-Cyclings derRohstoffeschon beiderEntwicklung
•DynamischeGestaltungdesLebenszyklus (BewirtschaftungderRohstoffeimFeld)
Enabler / handlungsbedarf •SpeicherungderrelevantenDatenamProdukt
überdengesamtenLebenszyklus
•HilfesystemfürSchadensauswertungenaufBasis vonNutzungs-undZustandsdaten
•ErarbeitungundBewertungneuerGeschäftsmodelle
mit steigenden rohstoffpreisen steigt auch deren Einfluss auf den gesamtpreis des Produkts. Insbesondere bei Hightech-Produkten sind oftmals die rohstoffe auch ein be-grenzender faktor (beispielsweise seltene Erden, Platin).Indem das unternehmen seine Produkte nur noch nutzung verkauft, behält es die Eigentumsrechte an den verwende-ten rohstoffen. Dies wird sinnvoll erst durch direkt im Pro-dukt abgespeicherte Herstellungs-, montage- und Recycling-informationen ermöglicht. Durch die umfassende Informa-tionsbereitstellung wird anstelle eines down- oder Re-Cyc-lings oftmals ein up-Cycling ermöglicht.
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EmPfEHlungEn
USE CaSE 8: SMart FaCtory archItectUre (QUelle: Ipa)
Haben viele unternehmen den gedanken des lebenszyklus eines Produkts und mitunter auch des fabriklebenszyklus bereits aufgegriffen, so wird auffällig, wie aufwendig die Synchronisation dieser lebenszyklen ist. Analog zu diesen lebenszyklen ergibt sich für die Smart Factory ein eigener lebenszyklus, welcher je nach Produkt entsprechend ge-staltet werden muss.
Die Smart Factory bietet dabei die möglichkeit, einen umfassenden lebenszyklus, durch die Ergänzung des mtO-Ansatzes mit It, in einer übergeordneten meta-Ebene zu etablieren.
Smart Factory lebenszyklusgestaltungDieSmart FactoryisteinhochkomplexesSystemmitvielenEin-zelteilnehmerndieeigeneIntelligenzbesitzen.DerLebenszyklusderSmart FactoryistdaherwedermitdemLebenszyklusdesProduktsnochderFabrikdirektvergleichbar,sondernihrLe-benszyklusmussjeweilsproduktspezifischgestaltetwerden.DieseGestaltungistderersteSchrittaufdemWegzurNutzbar-keitdervielfältigenenthaltenenInformationenundermöglichtdurchdieSummedervielenintegriertenEinzelintelligenzeneinWissensmanagementbisaufdenShopfloor.DiesesWissenwirddannjedochaufgrundneuerFragestellungenausgewähltundklassifiziert:Manbewegtsichwegvombisherigen„Warumhatesfunktioniert?“zu„Wiesiehtesfunktionierendaus?“.Diesermög-lichteinsehrpragmatischesWissensmanagementunddieidealeNutzungallerIdeallösungen.InsbesonderebeiderDatenerfas-sungingroßemUmfangimRahmenderSmart FactoryentstehenzweidirekteHerausforderungen,welchebisdatodieMigrationhäufigunmöglichmachen:ZumErstenistdieentstehendeDaten-mengesehrgroß.DieseDatenmengenmüssennichtnurerfasst,sondernauchbeherrschtwerden,wasdurcheinemitunternotwendigeEchtzeit-oderLive-Fähigkeitnochverstärktwird.
anwendungsbeispielNachAuftragseingangwirdmithilfeeinerMustererkennungindenerledigtenAufträgennachähnlichenAufträgen(inBestand,Durchlaufzeitetc.)gesucht.NacheinerfürdenbetrachtetenFallspezifischenDefinitionvonKriterien(Durchlaufzeitetc.)werdenineinerdynamischenAnalysedieerfolgreichstenAuftragsdurch-läufedurchdieFabrikausgewähltundeserfolgtdirekteinVor-schlagfürdieAuftragseinplanung.DieserfordertimHintergrundMethoden,welchesichnichtmehrdenkomplexenUrsachen,sondernbevorzugtdenRelationenderEin-undAusgangsdatenwidmen.
disruptive aspekte •HoheKomplexitätdesZusammenspielsimMTO
unterAntriebdesMarkts/Kunden
•SynchronisationderLebenszyklenmituntersehr aufwendig
•SchwierigerInformations-undWissensflussdurch TrennungderLebenszyklen
Enabler / handlungsbedarf •Organisatorische,systemischeundmethodische
GestaltungderLebenszyklen
•IntelligenzimSystemfürdieAusschöpfungder Informationen/desWissensindengroßenDaten- mengen,umeinengezieltenUmgangmitUnsicher- heitenzuermöglichen
•Dezentralität,InterdisziplinaritätunterWahrung derBedien-undHandhabbarkeit
68 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
DerForschungsbedarfergibtsichunteranderemausdenfürdieAnwendungsfällederAG1benötigtenEnablernsowieausdendisruptivenAspektenderAnwendungsfälle.
A 2 forschungsbedarf entsprechend der use Cases
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A 3 Zusammenfassung der kernaussagen zur motivation des forschungsbedarfs
1. DieAnwendungvonMethodenundWerkzeugenvonCyber Physical Systems(CPS)inderProduktionisteinHebelzurUnterstützunginterdisziplinärer arbeit.
2. Industrie 4.0 ertüchtigt Cyber-Physical Systems zur an-wendung in der produzierenden Industriedurchdiemo-delltechnisch,architekturell,kommunikationstechnischundinteraktionsmäßigdurchgängigeBetrachtungvonProdukt,ProduktionsmittelundProduktionssystemunterBerücksich-tigungsichändernderundgeänderterProzesse.Damitmig-rieren sie zu Cyber-Physical Production Systems (CPPS)undfindeninsmartenProduktionssystemenVerwendung.
3. smarte produktionssysteme erfordern modularisierte, modellierte und bei bedarf intelligente ressourcen.
4. cps eröffnen neue handlungsoptionen; referenzarchi-tekturen sowie produktionsdienstekönnenfürdieunter-schiedlichenSzenarienundAnwendungsfällezielführendsein.
5. cpps eröffnen neue arbeitsmöglichkeiten für die beschäftigten im produzierenden gewerbe.
6. Dermensch steht im mittelpunkt beim entwurf cps- basierter assistenzsystemefürdieagilemultiadaptiveSmart Factory.
7. DieVerwirklichungderagilen multiadaptiven Smart Factory erfordert menschzentrierte soziotechnische fabrik- und arbeitssysteme.
8. ArbeitenineinemständigverändertenArbeitsumfeldmitimmerkomplexerenWerkzeugenresultiertinextremhohen anforderungen an fähigkeiten und WissenderbeteiligtenProduktionsressourcenundMitarbeiter.
9. smart factories erfordern konzepte für den schutz des digitalen prozess-Know-hows.
10.mittelfristig sind eindeutige und sichere produktidentitä-tenoderdieNachführungderProduktdatenimProduktions-systemerforderlich.
11. langfristig werden Wissensmodelle, die auch interdiszip-linäre zusammenhänge und die automatisierungstechnik berücksichtigen, für den maschinellen Informationsaus-tausch benötigt.
12. InCPS-Systemenmüssenindustrial-it-Security-methoden anwendungfindenundsystem-undunternehmensüber-greifendeSecurity-Lösungenermöglichen
13.cpps-fähigkeiten sind für Industrieausrüster und für den betrieb von globalen produktionen essentiell.LangfristigbefähigenCPPSdeutscheUnternehmen,innationalenundinternationalenMärktenzuagieren.
70 PromotorengruppeKommunikation,ForschungsunionWirtschaft–Wissenschaft
Wirtschaft und Wissenschaft
Forschungsunion