Tim Lutz

30. September 2024

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Was ist Industrie 4.0?

Anfang der 2010er Jahre wurde der Begriff Industrie 4.0 geprägt, der für die vierte industrielle Revolution steht. Die erste industrielle Revolution bedeutete Mechanisierung durch Dampfmaschinen. Die Zweite war durch die Einführung der elektrischen Energie und der Fließbandproduktion geprägt, während mit der dritten oder auch digitalen Revolution Elektronik und Informationstechnik dazukamen.

Unter dem Begriff der Industrie 4.0 werden Konzepte zur umfassenden Digitalisierung und intelligenten Vernetzung aller Komponenten industrieller Prozessketten gefasst. Ziele sind die Automatisierung von Fertigungsprozessen durch intelligenten softwaregestützten Datenaustausch, sowie höhere Effizienz und Flexibilität der Wertschöpfungskette.

Entwicklung in Deutschland

Der Begriff “Industrie 4.0” ging 2011 aus einem Projekt der Hightech-Strategie der Bundesregierung hervor. Ziel war die Förderung der Informatisierung des verarbeitenden Gewerbes. 2012 legte der Arbeitskreis Industrie 4.0 der Bundesregierung Empfehlungen zur Umsetzung von Industrie 4.0 vor.

Industrie 4.0-Strategie der Bundesregierung

• Die starke Individualisierung von Produkten mittels einer hochflexiblen Produktion.
• Die Automatisierungstechnologie wird durch Methoden zur Selbstdiagnose und Selbstoptimierung verbessert.
• Menschliche Arbeiter werden durch die Technologien intelligent bei komplexer Arbeit unterstützt.

Industrie 4.0-Technologien zur Umsetzung

Big Data

Moderne Big Data-Analysen durchdringen in neuer Quantität und Qualität die bei der Digitalisierung erhobenen Daten. Die daraus resultierenden Erkenntnisse sollen für Verbesserungen der Prozesse und für neue Geschäftsmodelle sorgen. Dies bedeutet einen Entwicklungssprung, der als Beginn einer neuen Epoche gesehen werden kann.

Cloud-Computing

Cloud-Computing ist der Zugriff auf virtuelle Rechen- und Speicherkapazität und beinhaltet auch den Vertrieb von Anwendungssoftware als Dienstleistung. Die Nutzung von Cloud-Lösungen trägt zur internen Vernetzung bei und kann in fast allen Bereichen der Wertschöpfungskette zum Einsatz kommen. Gespeicherte Daten sind von überall abrufbar, IT-Infrastruktur muss nicht lokal vorgehalten werden.

Cyber-physische Systeme (CPS)

CPS sind Sensoren und Aktoren, die physische Messdaten liefern und diese drahtlos oder kabelgebunden an eine Dateninfrastruktur übermitteln. Sie bilden die technische Grundlage für das Internet der Dinge.

Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M-Kommunikation)

In der M2M-Kommuniktation werden Maschinen fest von Punkt zu Punkt verdrahtet. Die Kommunikation zwischen Maschinen wird durch Sensoren gewährleistet, die über Kabel, WLAN oder Mobilfunk an ein Netzwerk angeschlossen sind. So können Arbeitsabläufe und die Produktion als Ganzes optimiert und Kosten eingespart werden. Gerade in der Fernwartung- und -überwachung kommt diese Technologie zum Einsatz. Die Maschinendaten können von Mitarbeitern in Echtzeit kontrolliert werden.

(Industrial) Internet of Things (I)IoT

Das Internet of Things (IoT), oder im industriellen Kontext das Industrial Internet of Things (IIot), ermöglicht ebenfalls einen Informationsaustausch zwischen Maschinen oder ERP-Systemen. Die Maschinen sind aber ausschließlich über das Internet miteinander verbunden. Während die M2M-Kommunikation eher ein geschlossenes System über ein einziges Projekt ist, kann man das IIoT-System mehrere Systeme erfassen und so Abhängigkeiten zwischen mehreren Prozessen erkennen. Die gesammelten Daten optimieren also nicht nur einen Prozess, sondern bieten eine flexible Kombination bei der Findung von Optimierungsansätzen.

Künstliche Intelligenz

Maschinen lernen mithilfe von Algorithmen Aufgaben autonom auszuführen und auf Probleme zu reagieren. So sind beispielsweise Vorhersagen von Kundenbestellungen und eine vorausschauende Wartung möglich.

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Gestaltungsprinzipien und -ziele

• Verbindung: Die Fähigkeit von Maschinen, Geräten, Sensoren und Menschen über das Internet bzw. das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) zu kommunizieren.
• Informationstransparenz: Die Industrie 4.0-Technologie bringt den Betreibern und Kunden eine Fülle nützlicher Informationen. Dank Konnektivität und Sensoren können im Herstellungsprozess große Datenmengen gesammelt und interpretiert werden. Die Erkenntnisse dienen höherer Transparenz und Effizienz; Bereiche können identifiziert werden, die von Innovationen und Verbesserungen profitieren können.
• Technische Hilfe: Assistenzsysteme können Menschen mit Informationen für fundierte Entscheidungen und unmittelbare Problemlösung unterstützen. Cyber-physische Systeme können schwierige Aufgaben übernehmen, die bisher von Menschen ausgeführt wurden.
• Dezentrale Entscheidungen: Cyber-physische Systeme können eigenständig Entscheidungen treffen und möglichst autonom arbeiten. Nur bei Ausnahmen werden menschliche Unterstützung hinzugezogen.

Warum ist Industrie 4.0 wichtig?

Die Digitalisierung transformiert nicht nur die Prozesse und Arbeitsplätze der Industrie und Wirtshaft enorm, sondern auch die Bedürfnisse der Gesellschaft und somit der Kundschaft. Wir befinden uns mitten im Megatrend des digitalen Wandels, der stetig an Komplexität gewinnt und auch in Zukunft weiter Einfluss nehmen wird. Um digital handlungsfähig zu bleiben, benötigen Unternehmen eine neue Ausrichtung in Bezug auf ihre Geschäftsmodelle. Beispielsweise müssen Prozesse auf Basis digitaler Technologien neu definiert werden. Hier ist es wichtig die neuen Kundenbedürfnisse wie Flexibilität, Individualisierung und Schnelligkeit miteinzubeziehen.

Durch die Digitalisierung ändern sich auch die Bedürfnisse der Mitarbeiter, z. B. an die Unternehmenskultur. Ein flexibles Arbeitszeitmodell und flache Hierarchien stehen hier im Vordergrund.

Chancen und Risiken

Die eben genannte digitale Transformation der Branche bietet neue Chancen und Perspektiven für Unternehmen und deren Kundschaft, aber auch Herausforderungen und Risiken. Im Folgenden sind die signifikantesten Aspekte aufgelistet:

Chancen

Die Lösungen der Industrie 4.0 ermöglichen es der Schnelllebigkeit der Digitalisierung standzuhalten. Durch die digitale Vernetzung von Fertigungsschritten sind diese besser aufeinander abgestimmt und führen zu mehr Produktivität.

Durch eine modular aufgebaute Produktion können Unternehmen flexibler auf Kundenwünsche eingehen und somit die Kundenzufriedenheit steigern. Für diese individuelle Produktion fließen die digital gesammelten Kundendaten in den Produktionsprozess mit ein und ermöglichen eine auf die Zielgruppe zugeschnittene Herstellung von Produkten bis zur Losgröße 1.

Algorithmen übernehmen die Erstellung von Warenketten, was zu einer effizienteren Auslieferung in der Logistik führt. Mithilfe der Echtzeit-Messung werden Maschinendaten permanent erfasst. Das führt zu einer präventiven Instandhaltung (Stichwort: Preventive Maintenance) und somit auch zur Langlebigkeit von Maschinen und Ressourcenschonung. Diese moderne Informations- und Kommunikationstechnik über digitale Daten ermöglicht beispielsweise automatische und frühzeitige Meldungen zur Materialbestellungen.

Risiken

Vorhandene Geschäftsmodelle auf die neuen Herausforderungen der 4. industriellen Revolution anzupassen ist eine der Hauptaufgaben der Unternehmen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Die komplexen, digitalen Technologien benötigen Management und qualifizierte Mitarbeiter.

Die Implementierung solcher digitalen Prozesse kann zu hohen Investitionen führen. Automatisierte Prozesse haben den Nachteil, durch Fehlinterpretation falsche Entscheidungen zu treffen, auch in ethischer Hinsicht. Soziale Robotik und Maschinenethik sind zwei Schlagwörter zu diesem Thema.

Bei der Menge an Daten ist Datenschutz ein weiterer wichtiger Punkt. Vernetzte Systeme bieten eine große Angriffsfläche für Cyberangriffe.

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Beispiele für die Umsetzung von Industrie 4.0

Smart Factories

Drei Produktivitätsfaktoren bestimmen Industrie 4.0-Lösungen:

1. Automation von Produktionsabläufen durch vernetzte Maschinen
2. Betriebsdaten fallen durch die Vernetzung detailreich an
3. KI-Analysemethoden und maschinelles Lernen liefern Erkenntnisse in neuer Quantität und Qualität

In Industrie 4.0-Fabriken, sog. Smart Factories, sind die Maschinen mit Sensoren (vorzugsweise drahtlos) mit einem System verbunden, sodass die gesamte Fertigungsstraße erfasst und selbstständig Entscheidungen treffen kann. Ein System, das die Übersicht über alle vernetzten Produktionskomponenten hat, bewertet deren Daten und stimmt die Geräte untereinander auf die aktuellen Produktionsbedingungen hin ab. Diese Kontextbezogenheit erhöht die Effizienz und Qualität der Produktion. Nötige Wartungen werden rechtzeitig eingeplant, unnötige Wartungen vermieden.

End-to-End-Integration

Von Kundenseite wird von Unternehmen zunehmend mehr Flexibilität abverlangt. Der Trend geht zur Nachfrage höherer Produktvarianz, da der Markt diese Varianz immer selbstverständlicher bietet. Individuelle Varianten zu Preisen ähnlich wie bei Massenproduktion werden zunehmen Standard. Dies erfordert von Unternehmen effiziente flexible Produktion mit kleineren Losgrößen (Stichwort Losgröße 1). Produkte werden komplexer und “intelligenter” durch Software. Technische Innovation bringt kürzere Produktlebenszyklen mit sich. Immer selbstverständlicher wird auch Transparenz bzgl. Fertigstellung und Lieferzeit.

Vorteile von End-to-End-integrierten Geschäftsprozessen

• Losgröße 1
• Hohe Flexibilität
• Hohe Transparenz
• Schnelle Reaktionsfähigkeit
• Produkt-Tracking

Für End-to-End-Integration ist ein hoher Grad an Vernetzung über IT-Systeme und Unternehmensgrenzen hinweg nötig, wie von Kundenportalen, Produktionsstätten und Lieferdiensten. Die Integration von Prozessen und Systemen zu einer nahtlos zusammenarbeitenden Einheit ist ein Kernthema für SAP. SAP nennt die Integration aller Systeme, die im Laufe eines Bestellauftrags aktiv sind, End-to-End-Integration. Hier geht es um das reibungslose Zusammenwirken von ERP-Systemen (SAP S/4HANA) und Manufacturing-Execution-Systemen (SAP MES).

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SAP-Lösungen für Industrie 4.0

Die SAP-Lösungen decken Geschäftsszenarien durchgängig ab: Der Kunde konfiguriert zunächst sein gewünschtes Produkt. SAP ECC oder SAP S/4HANA veranlassen Schritte wie Komponentenbeschaffung, Produktionsplanung und Maschinenwartung. Die SAP Manufacturing Execution Suite (SAP MES) stellt daraufhin die Herstellung des individuellen Produkts mit der geforderten Qualität sicher. Es prüft bei jedem Arbeitsschritt anhand der Vorgaben, ob die Maschinen und das Material passend bereit sind.

Jeder Schritt wird protokolliert und kann für Analysen und Produkt-Compliance-Nachweisen ausgewertet werden. Auch dem Kunden kann dadurch schon während der Produktion eine hohe Transparenz mit Informationen zu den einzelnen Komponenten geboten werden. Externe Informationen von Zulieferern können ebenfalls eingebunden werden.

Anhand der umfassenden aufgezeichneten Daten können die Produktionsprozesse beständig überprüft und verbessert werden. Das System erlaubt auch Simulation von Abläufen, so dass Produktionsaufträge erst nach erfolgreichen Tests in die Fertigung gehen.

Das SAP Industrie 4.0-Schichtenmodell

• SAP Hybris für Customer Data Management erfasst den Kundenauftrag.
• SAP ERP dient der Materialplanung und in Folge der Erstellung des Fertigungsauftrags.
• SAP Manufacturing Execution Suite (SAP MES) und SAP Manufacturing Integration and Intelligence (SAP MII) stellen die Verbindung zu den Maschinen und Fertigungsanlagen her. Sie stellen die Produktionsparameter zusammen, leiten die Produktion ein, zeichnen die Ist-Parameter auf.
• SAP Plant Connectivity ordnet die von SAP MES gemachten Vorgabewerte den konkreten Maschinen zu.
• Die Maschinen als Edge-Geräte erkennen über RFID-Sensor die Werkstücke, fragen von SAP ME passende Vorgabewerte an, meldet Fertigstellung.

SAP Cloud Platform

Die SAP Cloud Platform bietet in diesem System die Grundlage der Datenhaltung. Die Industrie 4.0-bezogenen SAP-Dienste werden an diese Plattform angebunden. In einer Smart Factory sind Mitarbeiter, Lieferanten, Maschinen, Werkzeuge und sonstige Ressourcen vernetzt. Daten aus Hunderten Quellen wie Sensoren, Produktionssoftware und ERP-Systemen laufen auf der Cloud Platform zusammen. So ergeben sich Echtzeitdaten des Status aller Bereiche der Prozesskette für Prognosen und Bewertungen. Sich daraus ableitende Anpassungen können automatisiert werden.

SAP Predictive Maintenance and Service

SAP Predictive Maintenance and Service kann potenziell problematische Situationen voraussehen und Gegenmaßnahmen einleiten. Dazu werden bisherige Protokoll-Historien der hoch performanten SAP 4/HANA-Datenbank mit aktuellen Kontextinformationen abgeglichen. Muster können im laufenden Betrieb nahezu in Echtzeit erkannt werden.

Diese HANA-basierten Anwendungen können lokal on-premise oder auf der SAP Cloud Platform laufen. In letzterem Fall fließen die Produktionsdaten direkt in die Cloud und können dort mit intelligenten Verfahren wie Predictive Analysis ausgewertet oder zu Zwecken des Machine Learnings genutzt werden. Das Unternehmen muss dazu also keine eigene Infrastruktur betreiben. Auch hybride Lösungen mit z.B. lokaler IT für Manufacturing Execution und Cloud Computing für Mustererkennung sind möglich.

SAP Manufacturing Execution Suite (SAP MES)

SAP MES steuert und kontrolliert sämtliche Abläufe der Produktion, basierend auf den betriebswirtschaftlichen Vorgaben des ERP-Systems. Es übermittelt Maschinen und Mitarbeitern die aktuellen Fertigungsinformationen und vergleicht Ist-Daten der Fertigung mit Vorgabewerten. Für jedes hergestellte Produkt erstellt das System einen digitalen Zwilling.

Hohe Flexibilität bei Produktionen bis zu Losgröße 1 erfordert Industrie 4.0-fähige Anlagen. SAP MES übernimmt dabei die Orchestrierung der Abläufe. Die enge Integration des ERP-Systems mit der SAP MES erlaubt Änderungen an Aufträgen noch bis kurz vor der Produktion. Kunden haben dadurch eine hohe Flexibilität.

SAP Manufacturing Integration and Intelligence (SAP MIS)

SAP MIS ist Teil von SAP MES. Es sorgt für die Integration der MES-Daten mit anderen Systemen und die Intelligenz für Kombination und Analyse der Daten. Die Produktion kann damit nahezu in Echtzeit überwacht werden. Daten aus weiteren fertigungsnahen und betriebswirtschaftlichen Systemen können integriert und kombiniert werden. Daraus lassen sich z. B. Daten visualisieren, Key Performance Indicators berechnen und kritische Situationen erkennen.

SAP Plant Connectivity (SAP PCo)

SAP PCo stellt die Verbindung zu den konkreten Maschinen her, sendet ihnen Ablaufpläne und empfängt Daten von ihnen.

Self Service Composition Environments

Sog. Self Service Composition Environments erlauben, Anwendungen und Benutzeroberflächen per Drag & Drop einfach zu erstellen. Mitarbeiter können dadurch ohne tiefere IT-Kenntnisse Oberflächen zur Kontrolle oder Datenanalyse von Anlagen erstellen.

Fazit

Die Technologien der Industrie 4.0 sorgen für eine schnellere und flexiblere Produktion. Gerade Letzteres ist für die neuen Bedürfnisse und Wünsche der Kundschaft, die sich an die Schnelllebigkeit der Digitalisierung angepasst haben, enorm wichtig, um auch in Zukunft wettbewerbsfähig zu bleiben.

Die Herausforderungen für Unternehmen bestehen darin, die komplexen Technologien und die hohe Datenflut im Stil von Big Data zu integrieren und zu managen. Hier sind neue Geschäftsmodelle und Fachkräfte gefragt. Für den Einstieg in die Industrie 4.0 gibt es beispielsweise kreative Lösungen für die Instandhaltung der Maschinen, wie die Überwachnungstechnik Condition Monitoring. Hier werden bereits vorhandene Maschinen mit Sensoren ausgestattet, die wichige Daten über den Zustand der Maschine liefern.

Auch SAP bietet vielseitige Module, um Sie bei der Umsetzung zu unterstützen. Gerne finden wir gemeinsam heraus, welche ersten Schritte zur Industrie 4.0 in Ihrem Unternehmen sinnvoll sind. Kontaktieren Sie uns gerne per E-Mail oder Telefon oder vereinbaren Sie eine kostenlose Websession.

FAQ

Was ist die Industrie 4.0?

Industrie 4.0 beschreibt die vierte industrielle Revolution, die die digitale Vernetzung der gesamten Wertschöpfungskette umfasst. Es beinhaltet die umfassende Digitalisierung und intelligente Vernetzung industrieller Prozessketten, um unter anderem die Faktoren Automatisierung, Effizienz und Flexibilität zu verbessern.

Was sind Beispiele der Industrie 4.0?

Es gibt verschiedene Beispiele für Industrie 4.0-Anwendungen. Dazu gehören Ferndiagnosesysteme, automatisierte Transportwagen und die cloudbasierte Zustandsüberwachung von Maschinen. Darüber hinaus gibt es Projekte, die eine umfassendere Integration bieten und ein Gesamtkonzept für die intelligente Fabrik darstellen.

Welche Technologien spielen eine Rolle bei der Umsetzung von Industrie 4.0?

Bei der Industrie 4.0 spielen Technologien wie Big Data, Cloud Computing, Cyber-physische Systeme (CPS), Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M-Kommunikation), (Industrial) Internet of Things (I)IoT oder Künstliche Intelligenz eine Rolle.

Warum ist die Industrie 4.0 wichtig?

Die Industrie 4.0 transformiert nicht nur Prozesse und Arbeitsplätze, sondern auch die Bedürfnisse der Gesellschaft. Unternehmen müssen ihre Geschäftsmodelle anpassen und auf neue Kundenbedürfnisse wie Flexibilität, Individualisierung und Schnelligkeit eingehen.

Wenn Sie weitere Fragen zur Industrie 4.0 haben, dann kommen Sie auf uns zu.

Tim Lutz

Mein Name ist Tim Lutz und ich bin der Bereichsleiter IT für Produktion und Logistik. Ich beschäftige mich schon seit vielen Jahren mit Logistiklösungen im SAP Umfeld.

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