Industrie 4.0

Die verstärkte Verbreitung Cyber-Physischer Systeme (CPS) im Produktions- und Fertigungsbereich erhöht die Anforderung an dessen funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit. Die Instandhaltung hat die Aufgabe, die Verfügbarkeit der Betriebsmittel zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, mit welcher Arbeitsorganisation und Instandhaltungsphilosophie diese unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten erreicht werden kann. Es wird daher untersucht, welche von vier organisationstypischen Varianten kurz-, mittel- und langfristig zu präferieren sind. Der relative Vergleich wird unter Berücksichtigung unterschiedlicher Organisationsausprägungen an der Zielerreichung vorgenommen. Das gewählte Zielbündel berücksichtigt für CPS typische Effektivitäts- und Effizienzdimensionen.

Die volatilen und globalisierenden Märkte sowie deren zunehmende Vernetzung fordern ein hohes Maß an Flexibilität, Effizienz und Produktivität. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, haben Unternehmen in der Vergangenheit vielfach Ganzheitliche Produktionssysteme (GPS) (Bild 1) eingeführt. Diese bilden ein methodisches Regelwerk für die kontinuierliche Ausrichtung sämtlicher Unternehmensprozesse am Kunden [1] und zur kontinuierlichen und systematischen Reduzierung bzw. Vermeidung von nicht wertschöpfenden Tätigkeiten. Die Verbesserungspotenziale für Unternehmen, die bereits erfolgreich ein GPS eingeführt haben, werden allerdings geringer [2, 3]. Diese Unternehmen müssen sich dennoch am Markt behaupten und sich den wachsenden Kundenansprüchen und dem steigenden Wettbewerbsdruck stellen. Aus diesem Grund wird in diesem Beitrag dargelegt, wie Industrie 4.0 die Umsetzung des Gestaltungsprinzips der Standardisierung optimieren kann.

Wissenschaft und Wirtschaft sind sich über die Zielstellung Industrie 4.0 einig. Doch anders als suggeriert, wird eine Revolution auf Knopfdruck aufgrund der Problemvielfalt und den damit zusammenhängenden Herausforderungen, z. B. Komplexität, Big Data, Sicherheit etc., schwer möglich sein. Dennoch besteht Handlungsbedarf, wollen die Akteure den Sprung zur digitalisierten Wertschöpfungskette nicht verpassen.

Der Wunsch der Kunden nach individualisierten Produkten und eine damit verbundene steigende Anzahl an Produktvarianten, der demografische Wandel und das damit verbundene steigende Durchschnittsalter der Mitarbeiter sowie der zunehmende Fachkräftemangel und die steigende Komplexität von Wertschöpfungsprozessen sind nur einige Herausforderungen, denen sich die Industrie aktuell stellen muss. Dieser Beitrag beschreibt innovative Assistenzsysteme als mögliches Instrument, diesen Anforderungen zu begegnen und erörtert Beispiele, in denen ein sinnvoller Einsatz solcher Systeme bereits erfolgreich realisiert wurde.

In heutigen Produktionssystemen leisten die Aufgaben der Produktionsplanung und -steuerung (PPS) einen erheblichen Beitrag zur effizienten Durchführung von Produktionsprozessen. Die entscheidende Schnittstelle zwischen der prognosebasierten Planung und ihrer produktionsnahen Umsetzung bildet der Austausch von Plan- und Rückmeldedaten. Es ist zu erwarten, dass sich Entwicklungen im Zuge der Industrie 4.0 in einer Steigerung der Datenqualität und -aktualität widerspiegeln werden und so zu verbesserten Ergebnissen im Rahmen der Produktionsplanung führen. In dem vorliegenden Beitrag werden die Aufgaben der Produktionsplanung hinsichtlich ihrer Entwicklungspotenziale im Kontext der Industrie 4.0 beleuchtet.

In Folge des stetig wachsenden Wettbewerbdrucks auf das produzierende Gewerbe in Deutschland durch Konkurrenten aus Niedriglohnstaaten wird seit einiger Zeit ein Wandel der Produktionsparadigmen vollzogen, der sich durch einen rapide voranschreitenden Automatisierungsprozess in der Produktion auszeichnet. So entstehen hochkomplexe Cyber-Physische Produktionssysteme (CPPS). Durch den einhergehenden Rückgang von Personal und dem damit verbundenen Wissensabfluss entsteht jedoch ein gravierendes Befähigungsdefizit zur Beherrschung der Komplexität. Dieser Sachverhalt impliziert die Notwendigkeit innovativer Assistenzsysteme zur Unterstützung von Mitarbeitern. Der vorliegende Beitrag dient der Erörterung damit verbundener Herausforderungen sowie Fragestellungen und skizziert einen möglichen technischen Lösungsansatz sowie organisatorische und personelle Herausforderungen.

Revolutionen werden oft als disruptive Änderung bestehender Ordnungen verstanden. Die 4. industrielle Revolution fußt jedoch auf Technologien und Konzepten, die bereits die 3. industrielle Revolution maßgeblich mitbestimmt haben. Hier sind vor allem der Einsatz von Computertechnologien in industriellen Umgebungen und das Toyota Produktionssystem (TPS) zu nennen. Aus TPS und dem Bestreben, Verschwendung zu vermeiden, hat sich die sogenannte Wertstromanalyse (engl. Value Stream Mapping) entwickelt, die sich ebenso für die wertschöpfende Auslegung Cyber-Physischer Systeme und der entsprechenden Informationsflüsse eignet.

Die Thesen im industriellen Umfeld von Industrie 4.0 beinhalten Handlungsanweisungen in den Bereichen Mensch, Technik und Organisation. Häufig wird dabei die intelligente Vernetzung von technischen Objekten fokussiert. Der vorliegende Beitrag betrachtet dagegen maßgeblich die menschlichen und organisatorischen Aspekte am Beispiel der Entwicklung von mechatronischen Maschinen und Anlagen. Um den vorherrschenden, sequenziellen Arbeitsweisen und starren Prozessen entgegenzuwirken, ist es erforderlich, die Organisationen so zu gestalten, dass sich auch die Individuen gut vernetzen und austauschen können. Entsprechend den Thesen von Industrie 4.0 wird dazu die sog. agile Entwicklung als innovativer Ansatz vorgestellt, um in iterativer Arbeitsweise die inkrementellen Entwicklungsartefakte fristgerecht in der notwendigen Reife zusammenzuführen.

Die statische Prägung von Netzwerken ermöglicht Akteuren größeren zeitlichen Handlungsspielraum für Entscheidungsprozesse, um adäquat auf Veränderungen reagieren zu können. Die Dynamik dieser Veränderungen, die häufig in Nachfrage- und Planungsschwankungen begründet sind, erhöht die Komplexität von Entscheidungsprozessen in Netzwerken. Dies führt zu einem stetigen Wandel zu dynamischen Netzwerken, in denen Reaktionen in Echtzeit notwendig sind [1]. Dem Einsatz von intelligenten Technologien wird in diesem Rahmen eine Schlüsselrolle zukommen. Realisiert wird dies durch die digitale Vernetzung von Wertschöpfungspartnern mithilfe Cyber-Physischer Systeme. Diese verknüpfen die virtuelle mit der physischen Welt, um sowohl innerbetriebliche Prozesse zu unterstützen als auch die smarte Steuerung von globalen Logistiknetzwerken zu ermöglichen.

Deutschland ist das am stärksten industrialisierte Land der EU. Die enge Zusammenarbeit zwischen Wirtschaft und Wissenschaft sichert einen schnellen Markteintritt neuer Technologien. Die Produktion hat dabei stets einen integrativen Charakter als „Enabler“ von Disziplinen bei der Umsetzung einer Idee in ein Produkt. Um den wachsenden Herausforderungen am Hochlohnstandort gerecht zu werden, müssen immer wieder sämtliche Potenziale neuer Technologien gehoben werden. Aktuell ist die Informations- und Kommunikationstechnologie ein besonders prominenter ‚Enabler‘ des ‚Enablers‘.