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Future: Die Trends für Industrie 4.0

Wohin führt die Digitalisierung?
Die Trends für Industrie 4.0

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Im Brennglas einer Pandemie zeichnen sich technologische Entwicklungen schneller und klarer ab: KI, 5G, IIoT und Edge Computing beispielsweise. Die menschenlose Fabrik wird aber eine Vision bleiben, ebenso wie das papierlose Büro. Ein Blick auf die Industrie-4.0-Trends für Entscheider.

Michael Grupp
Freier Journalist in Stuttgart

Die Pandemie beschleunigt alle Prozesse, die zu mehr Resilienz und Agilität führen. Nachdem Widerstandskraft und Wendigkeit aber schon immer im Fokus von Industrie 4.0 standen, wirkt die momentane Situation beschleunigend auf die weitere Digitalisierung von Produktion, Prozessen und Logistik.

Einer der Megatrends ist der Einsatz künstlicher Intelligenz (KI). Manche Trendforscher wie Roman Retzbach sehen diese sogar als Voraussetzung für Industrie 5.0. Das allerdings ist noch Zukunftsmusik. Zwar erwarten laut Abschlussbericht der staatlichen „Enquete-Kommission Künstliche Intelligenz“ zwei Drittel aller Marktteilnehmer, dass deutsche Unternehmen KI bereits flächendeckend einsetzen – beispielsweise im Marketing. In Wirklichkeit sind es aber gerade einmal 3 %. Dabei verlaufen die Grenzen zur klassischen Datenverarbeitung fließend.

Macht ohne Menschen

Die Allianz Industrie 4.0 BW definiert schwache KI (in Abgrenzung zur konventionellen Informatik) als „Systeme, die zur Selbstoptimierung fähig sind“. Darunter fallen zum Beispiel Machine Learning oder Predictive Maintenance – die beiden KI-Anwendungsbereiche, die sich in der Industrie bereits am weitesten verbreitet haben. Unter starker KI versteht die Allianz „Maschinen, Roboter und Softwaresysteme, die abstrakt beschriebene Aufgaben und Probleme ohne konkrete Handlungsanweisungen durch Menschen ausführen“. Nach dem aktuellen Stand der Forschung werden wir darauf aber noch mindestens 20 Jahre warten müssen.

Auf dem Weg dorthin stehen zwei Meilensteine: Erstens die Weiterentwicklung von Augmented Reality. Dabei ergänzen innovative Sensortechnologien menschliche Sinnesorgane und ermöglichen neue Ein- und Aussichten für den Anwender. Im nächsten Schritt lösen sich die Maschinen langsam vom menschlichen Diktat und interagieren selbstständig mit ihrer Umgebung. Am weitesten ist diese Entwicklung beim autonomen Fahren vorangeschritten, autonomes Produzieren wird in den nächsten 20 Jahren folgen.

Ohne Funk keine Funktion

Grundvoraussetzung für autonome Systeme ist die reibungslose Kommunikation aller beteiligten Komponenten. Im Funknetz kommunizieren Stand heute weltweit nicht nur rund drei Milliarden Smartphones, sondern darüber hinaus auch 50 Milliarden Maschinen, Geräte, Fahrzeuge, Sensoren und Gebäude. Tendenz rasch steigend, wobei das Industrial Internet of Things (IIoT) die prozentual höchsten Wachstumsraten aufweist.

Damit sich Sensoren und Aktoren einer Smart Factory kabellos orchestrieren lassen, müssen zwei Grundbedingungen erfüllt sein: extrem schnelle Reaktionszeiten sowie eine beliebige Anzahl von gleichzeitigen Nutzern. Auf exakt diese Anforderungen ist der kommende 5G-Mobilfunkstandard ausgerichtet.

Im Labor erreicht 5G bereits Latenzzeiten von unter einer Millisekunde. Das ist um den Faktor zehn schneller als beim Vorgänger LTE und vielleicht der entscheidende Zeitgewinn, wenn ein Roboter automatisch abgeschaltet oder ein Ventil sofort geschlossen werden muss. Aber auch hier ist Geduld gefragt. Zwar funken seit Mitte 2020 schon die ersten öffentlichen 5G-Antennen in Berlin und auch industrielle Campusnetzwerke agieren bereits als Leuchtturmprojekte – flächendeckend wird das 5G-Netz laut Telekom aber erst ab 2025 verfügbar sein.

Wi-Fi 6 versus 5G

5G besitzt für die Industrie den großen Vorteil einer Ende-zu-Ende-Komplettlösung für das Unternehmensnetzwerk, inklusive In- und Outdoor-Kommunikation. Dafür besitzt die Anfang 2020 eingeführte Wi-Fi 6-Technologie (nach dem Standard WLAN 802.11ax) den Pluspunkt, dass sie abwärtskompatibel ist – in einer bestehenden Produktionsstruktur können damit auch ältere Geräte-Generationen weiterarbeiten. Darüber hinaus können WLAN-Infrastrukturen ohne große Vorkenntnisse aufgebaut und ohne Provider betrieben werden. Wi-Fi 6 ist deshalb unter dem Strich eine kostengünstige Netzwerkalternative, 5G bietet dagegen höhere mobile Datenraten. Konkret sind dies 4 ms im Best Effort und maximal 1 ms für hochverfügbare Echtzeitanwendungen im Vergleich zu Wi-Fi 6 mit 10 ms im Best Effort und 4 ms bei hoher Priorisierung.

Allerdings beziffern Beispielrechnungen die Investitionskosten für ein 5G-Campusnetzwerk eines mittelständischen Unternehmens mit einem Bürotrakt und zwei Produktionshallen auf ungefähr 350.000 Euro, dazu kommen jährliche Betriebskosten von annähernd 20.000 Euro.

Weniger Standards bringen mehr

Die wilden Zeiten sind vorbei: Industrie, Verbände und Hersteller arbeiten gemeinsam an verbindlichen Standards. In Deutschland wird diese Entwicklung beispielhaft von der „Normungsroadmap Industrie 4.0“ vorangetrieben – eine vom Deutschen Institut für Normung DIN sowie der DKE auf nationaler Ebene initiierte Handlungsempfehlung. Für die Kommunikation im Industrie-4.0-Umfeld wurde inzwischen mit OPC UA ein Schnittstellenstandard für industrielle Kommunikationssysteme etabliert. Er basiert auf Service-orientierten Architekturen (SOA) sowie auf Informationsmodellen (OPC UA Companion Specification) zur Beschreibung von Geräten und ihren Fähigkeiten.

Dieses Konzept bindet auch Edge Computing ein. Bei dieser dezentralen Datenverarbeitung „am Rande des Netzwerks“ werden Sensor- und Prozessdaten nicht mehr zentral, sondern direkt an oder in der Anlage verarbeitet. Edge Computing wird deshalb zunehmend zur Basistechnologie für die Smart Factory, weil es die Datenvolumina, Datenströme sowie alle Übertragungsstrecken signifikant reduziert. Darüber hinaus ist der Zugriff von außen auf diese autark arbeitenden Netzwerkkomponenten nicht mehr möglich – in der Vergangenheit war die Operation Technology (OT) immer wieder das Einfallstor für Malware.

Die Cloud lebt – trotz oder gerade wegen Edge Computing

Die Entscheidung pro oder contra Cloud ist davon unbenommen. Bisher mussten zeitkritische Prozess- und SPS-Daten lokal on-Premise verarbeitet werden, 5G bietet ab sofort die erforderlichen Zugriffszeiten auf extern gespeicherte Daten. Geschwindigkeit ist in diesem Zusammenhang damit kein Argument mehr, wohl aber Sicherheit. Laut des sCloud Monitor von Bitkom und der Beratungsgesellschaft KPMG nutzten 2019 mehr als drei Viertel (76 %) aller deutschen Unternehmen die Cloud für Produktionsaufgaben. Die restlichen 24 % zweifelten vor allem an der Sicherheit, der Rechtslage sowie an einer erfolgreichen Integration in ihre bestehende IT-Infrastruktur. Trotz aller Bedenken: Die Zukunft gehört einer hybriden Edge-, On-Premises- und Cloud-Infrastruktur.

Die Globalisierung steht Kopf

Industrie 4.0 und die damit verbundene Effizienz und Agilität setzen darüber hinaus noch einen weiteren Trend: Reshoring, die Rückverlagerung von früher ausgelagerten Produktionskapazitäten. Das Institut der Deutschen Wirtschaft (IW) prognostiziert: „Der in den letzten Jahren zunehmende Protektionismus, die Änderung des handelspolitischen Kurses der USA und nicht zuletzt die Coronakrise haben dazu geführt, dass das Konzept der internationalen Wertschöpfungsketten auf den Prüfstand gestellt werden muss.“

Seit 2010 haben rund 500 Unternehmen Teile ihrer Produktion im Rahmen von Reshoring nach Deutschland zurückgeholt. Die Rückbesinnung auf das zumindest europäische Produktionsumfeld werde sich nach Corona weiter verstärken. Zwar kommen damit nicht alle abgewanderten Arbeitsplätze zurück, wohl aber hochqualifizierte Stellen. Dies wiederum wird den bereits bestehenden Fachkräftemangel befeuern. Nach realistischen Hochrechnungen werden allein im Jahr 2030 eine halbe Million Menschen mehr in Rente gehen, als in den Arbeitsmarkt eintreten.

Entscheider tun deshalb gut daran, Industrie 4.0 nicht nur als technologische Aufgabe zu verstehen – sondern auch als Herausforderung an die Attraktivität des eigenen Unternehmens.


Serie Industrie 4.0

Wir begleiten Sie mit unserer Serie auf dem Weg zur Digitalisierung. In dieser Ausgabe beleuchten wir die aktuellen technologischen Trends für Industrie 4.0 und deren Auswirkungen. Alle Beiträge finden Sie auch online unter: www.industrieanzeiger.de


Christoph Winterhalter ist Vorstandsvorsitzender vom Deutschen Institut für Normung (DIN) in Berlin. Bild: DIN

„Wir müssen Normung früher mitdenken“

Herr Winterhalter, wie beeinflussen aus Ihrer Sicht Normen und Standards die Entwicklungen für Industrie 4.0?

Industrie 4.0 bedeutet vor allem Vernetzung. Damit unterschiedliche Systeme und Komponenten nahtlos zusammenarbeiten können, braucht es ein einheitliches Verständnis, eine gemeinsame Sprache und offene Schnittstellen. Genau dazu tragen Normen und Standards bei.

Welche Chancen bietet Standardisierung den Unternehmen?

Sie vereinfacht den weltweiten Handel. Normen als ein Ergebnis der Standardisierung steigern Effizienz und Qualität, machen Produkte sicherer und umweltverträglich. Eine gezielte Anwendung spart Kosten. Auch die Mitwirkung in der Standardisierung bietet große Vorteile: Wer sich als Unternehmen aktiv an der Normungsarbeit beteiligt, hat die Chance, eigene Technologien oder Vorstellungen in nationale oder internationale Normen einzubringen.

Welche Trends sieht DIN im Bereich der Normung für die Wirtschaft?

Zukunftsthemen wie künstliche Intelligenz werden wir in der nationalen und europäischen Normung noch früher mitdenken müssen, also bereits in der Entwicklung. Das ist enorm wichtig, um die deutsche Wirtschaft und Wissenschaft im internationalen Wettbewerb zu stärken und innovationsfreundliche Bedingungen für die Technologien der Zukunft zu schaffen.

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