Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1. Einleitung
2. Geschichte der Industrialisierung
2.1 Die erste industrielle Revolution
2.2 Die zweite industrielle Revolution
2.3 Die dritte industrielle Revolution
3. Industrie 4.0
3.1 Was versteht man unter Industrie 4.0
3.2 Chancen für die deutsche Industrie
3.3 Technische Voraussetzungen
3.3.1 IoT - Internet der Dinge
3.3.2 Cyber-physische Systeme
3.3.3 Smart Factory
3.3.4 Big Data
4 Chancen im Bereich Service durch Industrie 4.0
4.1 Klassischer Service
4.1.1 Präventive Instandhaltung
4.1.2 Reaktive Instandhaltung
4.2 Smart Service
4.2.1 CMS – Zustandsüberwachung
4.2.2 CBM - Zustandsabhängige Instandhaltung
4.2.3 Augmented Reality
4.2.4 Fernwartung
4.3 Software im Bereich Service
4.3.1 Service-Apps und Portale
4.3.2 Dokumentation von Serviceeinsätzen
4.4 Nutzwertanalyse
4.4.1 Bewertungskriterien und deren Gewichtung
4.4.2 Auswertung
5 Fazit und Ausblick
6 Literaturverzeichnis
Abb. 1: Entwicklung der industriellen Revolutionen
Abb. 2: Fließband Ford
Abb. 3: Fertigungslinie VW Golf 2
Abb. 4: Vernetzung innerhalb Industrie 4.0
Abb. 5: Anzahl der weltweiten Geräte im IoT
Abb. 6: CPS-Plattformen
Abb. 7: Smart Factory
Abb. 8: Bedeutung der Analyse und Nutzung von Daten
Abb. 9: Lebenszyklus einer Maschine / Anlage
Abb. 10: Instandhaltungsstrategien Heute und in der Zukunft
Abb. 11: Zustandsüberwachung
Abb. 12: Reduktion der Prozesszeit durch den Einsatz von CBM
Abb. 13: Augmented Reality im Service
Abb. 14: Smartes Instandhaltungssystem
Tabelle 1: Gewichtung der Bewertungskriterien
Tabelle 2: Nutzwertanalyse
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dank moderner und neuer Techniken ergeben sich immer mehr Möglichkeiten für jeden Einzelnen von uns. Früher war der PC zu Hause noch ein klobiger Klotz, heute hat fast jeder von uns ein Smartphone in der Tasche, welches eine weitaus höhere Rechenleistung aufweist. Dank dieser Technik lassen sich immer neue Produkte und Dienstleistungen realisieren. Diese Entwicklung macht auch vor der Industrie nicht Halt, sondern ganz im Gegenteil verschmelzen die Prozesse immer mehr mit einander. Heute können wir bereits über das Internet den genauen Standpunkt einer versandten Lieferung verfolgen, vielleicht kann man in Zukunft sogar schon das Produkt während seiner Entstehung in der Fabrik verfolgen.
Ich möchte in dieser Arbeit zuerst die Entwicklung der Industrie aufzeigen und die einzelnen Stationen der industriellen Revolutionen näher erklären. Anschließend erkläre ich den Begriff Industrie 4.0 und stelle die wichtigsten Techniken, welche für die Umsetzung von Industrie 4.0 erforderlich sind, vor.
Da Industrie 4.0 nicht nur die Prozesse in der Entwicklung, Fertigung etc. verändern wird, sondern auch einen großen Einfluss auf den Bereich Service / TKD haben wird. Beschreibe ich zuerst die klassischen Dienstleistungen im Service / TKD anhand von zwei Instandhaltungstechniken. Im Anschluss daran gebe ich einen Einblick in den sogenannten Smarten Service. Anhand einiger ausgewählten Möglichkeiten stelle ich das mögliche Potenzial vor.
Mithilfe einer Nutzwertanalyse vergleiche ich die vorgestellten Möglichkeiten und gebe eine Handlungsempfehlung für Maschinen und Anlagenbauer.
In dieser Arbeit gehe ich nicht auf die Themen Datenschutz und Sicherheit ein, da dieses den Umfang der Arbeit bei weitem überstiegen hätte.
Die Industrie entwickelt sich dank moderner Techniken immer weiter. Vor diesem Hintergrund stelle ich zuerst die historische Entwicklung der Industrialisierung dar, um anschließend den Begriff Industrie 4.0 näher zu erläutern.
Mit Hilfe der folgenden Abb. 1 werden die einzelnen Entwicklungsschritte der industriellen Revolutionen bis hin zur Industrie 4.0 visualisiert und im weiteren Verlauf detaillierter beschrieben.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: Entwicklung der industriellen Revolutionen[1]
Unter der ersten industriellen Revolution versteht man den Umbruch der vorindustriellen, traditionellen Wirtschaft hin zur modernen Industrie. In Großbritannien vollzog sich dieser Wandel in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts und breitete sich von dort in immer mehr Länder aus.[2] Man spricht auch von der „Mechanisierung und Automatisierung menschlicher Arbeit“[3], welche bedingt durch Erfindungen, wie die der Dampfmaschine im Jahre 1712 von Thomas Newcomen[4] und der des automatischen Webstuhls von James Hargreaves 1764 vorangetrieben wurden.[5]
Mitte des 19. Jahrhunderts wurden in Deutschland ungefähr 10.000 Dampfmaschinen betrieben um Maschinen, Eisenbahn und Schiffe anzutreiben. Dank dieser Technik wurde die menschliche Produktivität immens gesteigert und der Warentransport durch Eisenbahn und Dampfschiffe revolutioniert. Des Weiteren nahm die Kommunikation zu, da nun Papier schneller hergestellt und dank neuer Drucktechniken massenhaft verarbeitet werden konnten. Die damit einfachere Art der Kommunikation und neue Techniken waren die Grundlage für die moderne Industriegesellschaft.[6]
Anfang des 20. Jahrhunderts wird der Beginn der zweiten industriellen Revolution dank der Entdeckungen des Erdöls, der Elektrizität, des Verbrennungsmotors und des Telefons als schnelles Kommunikationsmittel eingeläutet. Durch die Einführung der Massenfertigung am Fließband konnte die Produktivität erneut um ein Vielfaches gesteigert werden, was zur Folge hatte, dass viele Produkte kostengünstiger hergestellt und einer breiten Massen zum Kauf angeboten werden konnten.[7]
Ford mit seinem Modell T ist ein gutes Beispiel für die neuen Fertigungsmethoden am Fließband (s. Abb. 2).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2: Fließband Ford[8]
Anfang der 70er Jahre setzte die dritte industrielle Revolution ein. Der Computer in Form von SPS hielt Einzug in den Maschinen- und Anlagenbau. Dies hatte zur Folge, dass der Automatisierungsgrad rapide anstieg und dank dem Einsatz von Roboter konnten einzelne Arbeitsschritte vollautomatisch erledigt werden.[9] Die nachfolgende Abb. 3 zeigt eine mit Robotern ausgestattete Fertigungslinie bei VW.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3: Fertigungslinie VW Golf 2[10]
Die Entwicklung welche mit der dritten industriellen Revolution umgesetzt wurden, sieht heute man noch heute in fast allen Industriebetrieben. Leitsystem steuern Maschinen und Anlagen von oben herab. Sprich Eingaben in das Leitsystem werden durch die Automatisierungspyramide nach unten weitergereicht, wo sind schließlich umgesetzt werden.[11]
In diesem Abschnitt wird erst die Entstehung von Industrie 4.0 aufgezeigt und was man darunter versteht. Im Anschluss daran werden wichtige Begriffe im Zusammenhang mit Industrie 4.0 näher beschrieben.
Der Begriff Industrie 4.0 wurde erstmalig auf Hannover Messe 2011 vorgestellt, es wird auch von der vierten industriellen Revolution gesprochen.[12] Es handelt sich hierbei um eine Zukunftsvision, welche durch den Einsatz moderner Techniken die Industrie mit der Internet-Technologie verknüpfen soll.[13]
Im Kern sollen durch Industrie 4.0 alle Systeme, Akteure, Maschinen, Anlagen und Prozesse etc. einer Wertschöpfungskette miteinander vernetzt werden und relevante Daten in Echtzeit erfasst bzw. untereinander ausgetauscht werden. Der Fokus liegt dabei auf den folgenden Dimensionen:
- durchgängiges Entwickeln über Wertschöpfungsketten hinaus,
- vertikale Integration der Automatisierung,
- horizontale Integration in Wertschöpfungsnetzwerke.
Durchgängige Entwicklung soll in Zukunft die Produktentstehung vereinfachen und beschleunigen. Alle am Entwicklungsprozess beteiligten Instanzen, vom Konstrukteur, Produktdesigner, Vertrieb, Marketing usw., sollen zu jeder Zeit auf die gleichen Informationen zugreifen können. Dank dieser Vernetzung soll es zu einer Effizienzsteigerung in der Entwicklung kommen, wodurch z.B. Probleme während der Entwicklung frühzeitig erkannt oder gar vermieden werden.[14]
Durch die vertikale Integration innerhalb der Automatisierung soll die Kommunikation unterschiedlichen Hierarchieebenen wie die Sensoren, Aktoren, Steuerungs- und Leitsysteme, sowie die Planungsebene verbessert werden. Hiervon verspricht man sich die Selbstoptimierung innerhalb der Produktion, was im Zeitalter von immer flexibleren und komplexeren Produktionsabläufen erforderlich wird. Früher wurden nötige Arbeitsschritte lange im Vorfeld geplant und festgelegt, in Zukunft sollen die Produktionssysteme selbstständig auf die veränderten Produktspezifikationen reagieren und diese vollautomatisch umsetzen.[15]
Mit Hilfe der horizontalen Integration sollen Systeme und Akteure der Wertschöpfungskette miteinander besser vernetzt werden. Ziel ist es, dass relevante Daten, welche durch die vertikale Integration der Automatisierung erfasst wurden, zeitnah ausgetauscht werden, um so Prozesse zu optimieren.[16] Ein Beispiel hierfür wäre z.B. ein schwerer Maschinenausfall in der Produktion, welcher zur Folge hat, dass weniger Rohstoffe benötigt werden. Diese Information gelangt automatisch zum Lieferant und Logistikdienstleister, welche in Folge daraus ihre Kapazitäten anpassen.
Die nachfolgende Abb. 4 zeigt so eine Vernetzung innerhalb von Industrie 4.0.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4: Vernetzung innerhalb Industrie 4.0[17]
Um diese Zukunftsvision umzusetzen, gehört der Bund mit zwei seiner Ministerien, dem BMBF und dem BMWi zu den Initiatoren und Förderern von Industrie 4.0 und wurde konzeptionell von der acatech beraten. Das Ziel besteht darin, den Industriestandort Deutschland wettbewerbsfähiger zu machen und zu einem Innovationsführer nicht nur in Europa, sondern in der ganzen Welt aufzusteigen zu lassen. Dadurch soll aus volkswirtschaftlicher Sicht die Anzahl der Arbeitsplätze und der Wohlstand erhalten bzw. gesteigert werden.[18]
Ebenso haben sich die VDMA, ZVEI und Bitkom zu dem gemeinsamen Lenkungskreis Plattform Industrie 4.0 zusammengeschlossen, um eben diese Vision voranzutreiben.[19] Aktuell unterstützen über 250 Akteure aus 159 Organisationen die Plattform in diversen Arbeitsgruppen.[20] Mit Hilfe der entstandenen Plattform werden Projekte, Aktivitäten und Initiativen gesteuert und sie dient den Medien, der Politik, der Wirtschaft und der Industrie als Ansprechpartner.[21]
Laut einer Studie von PwC aus dem Jahre 2014, wird Industrie 4.0 eine große Bedeutung für deutsche Industrieunternehmen haben. Im Auftrag der Studie wurden 235 deutsche Industrieunternehmen befragt. Nachfolgend einige Kernaussagen:
- Industrie 4.0 transformiert das gesamte Unternehmen.
- Bis 2020 investieren dt. Industrieunternehmen jährlich 40 Mrd. € in Industrie 4.0 Anwendungen.
- 80% der Unternehmen werden in fünf Jahren ihre Wertschöpfungskette digitalisiert haben.
- 18% Effizienzsteigerung in fünf Jahren.
- Digitalisierung des Produkt- und Serviceportfolios ist der Schlüssel zum Unternehmenserfolg.
- Zusätzlich werden 30 Mrd. € pro Jahr durch digitalisierte Produkte und Services erwirtschaftet.[22]
Die Studie verdeutlich mit Nachdruck wie wichtig Industrie 4.0 in den nächsten Jahren wird.
Nur mit Hilfe moderner Techniken und Systeme lässt sich Industrie 4.0 umsetzen, nachfolgend werden die wichtigsten erläutert.
Dank des weltweiten Standards IPv6 und der Verbreitung von preiswerten und mobilen Internetzugängen kann jedes Ding, sprich Gerät vom PC über den Kühlschrank bis hin zum Auto mit einer Internetadresse ausgestattet werden, umso Teil des IoT zu werden.[23]
Die mit dem Internet verbundenen Geräte sind durch moderne Techniken, Sensoren und Software in der Lage selbständig Information über ihren Zustand zu erfassen und per Internet auszutauschen. So kann heutzutage eine moderne Waschmaschine ihrem Besitzer per Smartphone mitteilen, dass die Wäsche entnommen werden kann ober aber Waschmittel aufgefüllt werden muss, welches dieser dann im gleichen Zuge per Internet bestellen könnte. Nicht nur Informationen können ausgetauscht werden, sondern auch Anweisungen an die Geräte. Ein Beispiel wäre das aus der Ferne starten des Staubsaugerroboters, welcher dann in Abwesenheit selbstständig die Wohnung reinigt. Darüber hinaus ergeben sich noch unzählige weitere Szenarien wie auch die Interaktion einzelner Geräte über das IoT. Ein gutes Beispiel wäre z.B. der smarte Stromzähler, welcher energieintensive Geräte automatisch startet, wenn gerade der Strom günstiger angeboten wird.[24]
Die nachstehende Abb. 5 zeigt, dass immer mehr Geräte mit dem Internet verbunden werden. Dadurch steigt auch in Zukunft die Nachfrage nach immer neuen Geschäftsmodellen im Zusammenhang mit IoT.[25]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 5: Anzahl der weltweiten Geräte im IoT[26]
Auch das Erfassen von Daten ist ein wichtiger Bestandteil vom IoT. Produkte und Dienste lassen sich anhand der erhobenen Daten optimieren und Optimierungen können durch Softwareupdates in die Geräte eingespielt werden, ohne dass diese umständlich zum Serviceanbieter gebracht werden müssen.[27]
Erst durch den Einsatz von CPS lässt sich Industrie 4.0 umsetzen. Hierzu werden moderne Techniken miteinander kombiniert. Dank der Entwicklung immer kleiner leistungsfähiger und kostengünstiger Computer können diese nun vermehrt eingesetzt werden. Diese Computer lassen sich mit neuartigen Sensoren und Aktoren verknüpfen. Diese eingebetteten Systeme lassen sich heute problemlos in Maschinen, Fernseher, Kraftfahrzeuge usw. verbauen. Werden diese eingebetteten Systeme wiederum mit dem unter 3.3.1 beschriebenen IoT verbunden, spricht man von CPS. Man verbindet quasi die physische mit der virtuellen Welt. Ein CPS kann aufgrund seiner Sensoren auf Einflüsse von außen reagieren und falls erforderlich über die Aktoren reagieren bzw. in Echtzeit den Menschen oder andere CPS informieren.[28]
Der Hauptnutzen von CPS besteht darin die Systeme mit einer nötigen Intelligenz auszustatten, damit diese selbständig anhand von Informationen Entscheidungen treffen und falls erforderlich die passenden Aktionen ausführen. So könnte z.B. ein CPS dank eines Sensors feststellen, dass Verbrauchsmateriealien zu Neige gehen und aufgefüllt werden müssen. Selbständig würde es die fehlenden Materialien anfordern. Nimmt man nun noch an, dass diese CPS wie unter Abb. 6 dargestellt im Verbund arbeiten, so kann man darüber hinaus noch von weitere Interaktionen ausgehen, wie z.B.:
- selbstständiges Verlagern der Produktion auf Ersatzmaschinen,
- Anpassen der gesamten Produktionsabläufe aufgrund der reduzierten Kapazität;
- automatisches Optimieren von Prozessschritten.[29]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 6: CPS-Plattformen[30]
Benutzt man CPS im Zusammenhang mit der Produktion, spricht man auch von CPPS. Hiermit können komplette Produktionsanlagen aber auch einzelne Maschinen und Anlagen bezeichnet werden, welche einen direkten Bezug zur Produktion haben.
Abschließend kann man sagen, das sich durch den Einsatz von CPS viele neue Möglichkeiten realisieren lassen und sich dadurch enorme Vorteile für die verschiedensten Bereiche wie z.B. Fertigung, Service etc. ergeben.[31]
In Zukunft soll in sogenannten Smart Factories, den Fabriken von morgen produziert werden. Hierbei setzt man auf moderne Techniken und eine leistungsstarke IT.
Heute sind die meisten Fabriken noch durch starre Prozesse, sowie eine fixe Anordnung der Maschinen geprägt und es ist sehr aufwendig auf veränderte Rahmenbedingungen wie z.B. Absatz oder Produktveränderungen einzugehen. In der Regel sind solche Fabriken auf den maximalen Durchsatz eines ähnlichen Produktes ausgelegt.[32]
In Zukunft ist die Fabrik mit Maschinen und Anlagen ausgestattet, welche dank CPS intelligent sind. Es gibt keine starren Prozesse und Verfahren mehr und das Produkt, welches dank RFID Technologie über ein digitales Gedächtnis verfügt, trägt alle für die Fertigung erforderlich Information mit sich. Die einzelnen CPS erkennen dank RFID Lesegeräten den Standort des Produkts und entscheiden so selbstständig welche Arbeitsschritte als nächstes erforderlich sind.[33] In der nachfolgenden Abb. 7 ist so eine smarte Fabrik schematisch dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 7: Smart Factory[34]
Die effiziente Fertigung von individuell auf den Kunden angepassten Produkten ist in Zukunft ohne Mehraufwand möglich. Die Maschinen, Anlagen und Prozesse müssen nicht aufwendig umprogrammiert werden, sondern passen sich selbstständig an. Auch der Mensch wird mit Hilfe von HMI, Tablet PC, Datenbrillen oder ähnlichen Anzeigemitteln in die Prozesse integriert sein.[35]
Übersetzt man Big Data schlicht und einfach ins Deutsche, spricht man von großen Daten. In unserem Fall spricht man aber eher von einer Unmenge an Daten, welche dank IoT durch die Vernetzung von Abermilliarden Geräten (s. Abb. 5) anfallen. Laut einer Studie von IBM fallen momentan täglich 2,5 Millionen Terrabyte an neuen Daten an.[36] Dazu zählen Fotos, Videos, GPS-Daten aber auch Prozessdaten von Sensoren, Maschinen, Fabriken usw..[37] Ziel ist die Analyse der angefallenen Daten um Verhalten, Optimierungen etc. abzuleiten.
[...]
[1] Quelle: al., 2013 , S. 17.
[2] Vgl. Hahn, 1998 , S. 1.
[3] Drath, 2015 , S. 18.
[4] Vgl. Sendler, 2016 , S. 4.
[5] Vgl. Hahn, 1998 , S.3.
[6] Vgl. Sendler, 2016 , S. 4-5.
[7] Vgl. Sendler, 2016 , S. 5.
[8] Quelle: SRF, 2016
[9] Vgl. Sendler, 2016 , S. 5.
[10] Quelle: VW, 2016
[11] Vgl. Drath, 2015 , S. 18-19.
[12] Vgl. Köhler, Six, & Michels, 2015 , S. 17.
[13] Vgl. Drath, 2015 , S. 18.
[14] Vgl. Köhler, Six, & Michels, 2015 , S. 20.
[15] Vgl. Köhler, Six, & Michels, 2015 , S. 20.
[16] Vgl. Köhler, Six, & Michels, 2015 , S. 19 20.
[17] Quelle: al., 2013 , S. 26.
[18] Vgl. Köhler, Six, & Michels, 2015 , S. 23-24.
[19] Vgl. Drath, 2015 , S. 18.
[20] Vgl. 4.0, 2016 , S. 22.
[21] Vgl. Köhler, Six, & Michels, 2015 , S. 23.
[22] Vgl. PricewaterhouseCoopers AG, 2014
[23] Vgl. Anderl, Anokhin, & Arndt, 2016 , S. 123.
[24] Vgl. Kenn, 2015 , S. 30-35.
[25] Vgl. Kenn, 2015 , S.35.
[26] Eigene Darstellung – Quelle: van der Meulen, 2015
[27] Vgl. Kenn, 2015 , S. 30-31.
[28] Vgl. Lüth, 2015 , S. 25 – 26.
[29] Vgl. Amberg, 2015 , S. 46–48.
[30] Quelle: Amberg, 2015 , S. 48.
[31] Vgl. Köhler, Six, & Michels, 2015 , S. 21.
[32] Vgl. Soder, 2014 , S. 101-102.
[33] Vgl. Fischer & Gorecky, 2015 , S. 152-153.
[34] Quelle: acatech, 2015 , S. 14.
[35] Vgl. Fischer & Gorecky, 2015 , S. 154.
[36] Vgl. IBM, 2016
[37] Vgl. Sendler, 2016 , S. 47.
