Product Lifecycle Management

Industrial Internet vs. Industrie 4.0

Das Engineering unterliegt derzeit einem massiven Wandel. Smarte Systeme und Technologien, Cybertronische Produkte, Big Data und Cloud Computing im Kontext des Internet der Dinge und Dienste sowie Industrie 4.0. Die vierte industrielle Revolution ist in aller Munde. Der amerikanische Ansatz des „Industrial Internet“ beschreibt diese (R)evolution jedoch weitaus besser als der eingeschränkte und stark deutsch geprägte Begriff Industrie 4.0. Industrial Internet berücksichtigt den gesamten Produktlebenszyklus und adressiert sowohl Konsum- und Investitionsgüter als auch Dienstleistungen. Dieser Artikel beleuchtet das zukunftsträchtige Trendthema und bietet Einblicke in die vernetzte Engineering-Welt von morgen.

Industrial Internet (mit Industrie 4.0 und Internet der Dinge und Dienste) geht von der internetbasierten Vernetzung physischer Objekte aus. Sensor-, Aktor- und Identifikationstechnologien statten die Objekte mit einer eindeutigen Identität aus und ermöglichen deren Lokalisierung und deren Steuerung. Mittels digitaler Produktgedächtnisse und eingebetteter Systeme (engl.: Embedded Systems) werden diese Objekte (etwa Konsumgüter aber auch Investitionsgüter) kommunikativ, sowohl untereinander als auch mit ihrem Umfeld. Sie können selbstständig Entscheidungen treffen und Aktionen auslösen. Die Folge ist eine Verbindung zwischen der physischen Welt der Dinge und der virtuellen Welt der Daten. Darauf aufbauend sind die Potenziale für neue, disruptive dienstleistungsorientierte Geschäftsmodelle groß, welche die jeweiligen Anwendungen erweitern und Smarte Systeme (engl.: Smart Systems) ermöglichen.

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Die Aktivitäten zu Industrie 4.0 schöpfen durch die starke Fokussierung auf die Produktionsautomatisierung die eigentlichen Potenziale dabei jedoch nur unzureichend aus. Mit Industrie 4.0 werden aktuell genau jene Bereiche gestärkt, in denen Deutschland bereits weltweit anerkannt und stark ist. Es gilt aber darüber hinaus neue Hightech-Märkte zu erschließen. Der amerikanische Ansatz des Industrial Internet deckt das Spektrum an Möglichkeiten hier weitaus besser ab, als der eingeschränkt deutsch geprägte Begriff Industrie 4.0. Die Einführung von Industrial Internet entlang des Lebenszyklus von Investitionsgütern erfordert von Unternehmen allgemein, und von kleinen beziehungsweise mittleren Unternehmen im Besonderen, eine systematische und unternehmensindividuelle Gestaltung der Transformationsprozesse, die den notwendigen, integrierten Wandel zum Beispiel in Bezug auf Technologie, Wirtschaftlichkeit, Ressourcenschonung, Arbeitsorganisation und Kompetenzen gestalten. Zur Umsetzung einzelner Aspekte des Industrial Internet sind alle Phasen des Lebenszyklus eines Produktsystems einzubeziehen, das heißt interdisziplinäre und integrierte Entwicklung, Fertigung und Montage sowie After Sales.

Aktueller Trend und Handlungsbedarf
Die vierte industrielle Revolution führt zu vernetzten und miteinander kommunizierenden Systemen in Form der intelligenten Erhöhung von Produkten zugunsten komplexer Produktsysteme und darauf aufbauenden Dienstleistungen. Neben der weltweiten Vernetzung von Entwicklung, Produktion sowie Verkauf wird insbesondere der originäre Funktions- und damit Komplexitätsumfang der entstehenden Produktsysteme weiter rapide ansteigen. Virtualisierung, Integration und Interdisziplinarität zwischen den Bereichen Mechanik, Elektrik/Elektronik, Software und Dienstleistung sowie die übergreifende Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Phasen des Produktlebenszyklus werden den Entwicklungsprozess weiter beherrschen.

Die zunehmende Integration von Informations- und Kommunikationstechnologien in die Entwicklung und in die Produktsysteme selbst bewirkt einen Paradigmenwechsel, der im aktuellen Megatrend von Industrial Internet mit Industrie 4.0 und Internet der Dinge und Dienste in den Bestrebungen von Smart Engineering und System Lifecycle Management eine deutliche Ausgestaltung findet. Die propagierte Revolution ist dabei in der Entwicklung, Produktion und Vermarktung innovativer, den Kernelementen des Industrial Internet entsprechender sowie ganzheitlich vernetzter Produktsysteme, Produktionssysteme und Dienstleistungen auf der Basis neuer internetbasierter Technologien zu erzielen. IT-Lösungen sind partiell vorhanden, bedürfen aber noch einer Weiterentwicklung bezüglich Anwendbarkeit und Integration.

Wandel im Produktentwicklungsprozess
Ein Beleg dafür: Die letzten zehn Jahre sind durch einen stetigen Wandel der Wertschöpfungsanteile im Maschinenbau gekennzeichnet. IT und Automatisierungstechnik ersetzen zunehmend bisher mechanisch realisierte Funktionen in den heutigen Produktsystemen. Statistiken belegen diesen permanenten Wandel des Produktentwicklungsprozesses (PEP). Nach einer aktuellen Studie des VDMA sind zahlreiche Innovationen des Maschinen- und Anlagenbaus ohne den verstärkten Einsatz von Technologien aus der Informations- und Automatisierungstechnik undenkbar. So entfallen derzeit durchschnittlich rund 30 Prozent der Herstellkosten für ein Maschinenbauprodukt auf IT und Automatisierungstechnik. Gegenüber der letzten Erhebung im Jahr 2008 wächst damit der Anteil von Software, IT-Hardware und Elektrotechnik um elf Prozent. Auch in den nächsten Jahren ist mit einem weiteren Rückgang des Herstellkostenanteils bei der Mechanik zu rechnen. Nach Einschätzung der befragten Unternehmen werden IT und Automatisierungstechnik vor allem in Bezug auf die Wettbewerbsfähigkeit weiter an Bedeutung gewinnen.

Durch gegenseitige Vernetzung und Beeinflussung wird der Funktionsumfang aktuell mechatronischer Systeme signifikant erweitert. Kommunizieren diese miteinander, wird von cyberphysischen Systemen (engl.: Cyber-Physical Systems) (CPS) beziehungsweise „Cybertronischen Systemen (CTS)“ gesprochen. CTS gehen im Unterschied zu CPS stärker aus der Engineeringsicht hervor und stellen eine Weiterentwicklung mechatronischer Systeme nach VDI 2206 dar. Sie können in offenen Netzen mit anderen Produktsystemen interagieren und vernetzen sich so zu „intelligenten“, teils autonomen, sich selbst anpassenden Systemen. Jedoch fehlt es derzeit noch an Methoden, Prozessen und integrierten IT-Werkzeugen zur Entwicklung und Verwaltung der Informationen solcher Systeme. Aufbauend auf der modellbasierten Entwicklung wird derzeit an Vorgehen zur disziplinübergreifenden und integrierten Entwicklung von CTS geforscht, welche sowohl Produkte als auch Produktionssysteme beinhalten (vgl. hierzu: BMBF Verbundprojekt mecPro2).

Wenn Maschinen kommunizieren
Entscheidend für die Ausgestaltung des Industrial Internet mit Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge und Dienste sind explizit Technologien mit Sensorik und Aktorik sowie eingebetteter Intelligenz. Nur so ist es für Produktsysteme möglich die Umgebung wahr zu nehmen und mit dieser zu kommunizieren und kooperieren. Hier gewinnt die drahtlose Kommunikation, wie der Breitband-Mobilfunk oder RFID (Radio-Frequency Identification) weiter an Bedeutung. Folglich wird eine semantische Beschreibung von Diensten und Fähigkeiten wichtig, welche die Interaktion von Produktkomponenten und Maschinen auf intelligente Art und Weise gewährleistet. Mit „Smart Produce“ beziehungsweise „Plug and Produce“ wird es ermöglicht, dass Maschinen ihr Umfeld automatisch erkennen und sich mit anderen Maschinen vernetzen beziehungsweise interagieren können. Dadurch kann der Austausch von Informationen über Aufträge, Auslastung oder optimale Fertigungsparameter gelingen. Als zentrales Element gilt es dabei spezifische (auch cloudbasierte) Backbone Konzepte aufzubauen, die auf administrativer Ebene helfen, die Informationskomplexität eines Produktsystems (Stichwort: Big Data) über den gesamten Lebenszyklus beherrschbar zu halten.

Lösungsansatz
Die Komplexität innerhalb einer Produktlebenszyklusmanagement Strategie hat derzeit bereits einen sehr hohen Level erreicht und der vorgestellte Anstieg der Komplexität von Produktsystemen und deren Entwicklung wird sich weiter beschleunigen. Um diese Komplexität zu bewältigen und die Erfüllung neuer Anforderungen sicherzustellen, muss zu jeder Zeit deren Rückverfolgbarkeit über den gesamten Lebenszyklus in Form einer geschlossenen Prozesskette sichergestellt werden. Aktuell beschränkt sich die Rückverfolgbarkeit innerhalb gängiger PLM-Lösungen lediglich auf die Verknüpfung von Produktanforderungen und den Elementen der Stückliste (E-BOM) in PDM-Systemen. System Lifecycle Management (SysLM) wird hierzu als nächste Stufe von PLM aufgebaut und als Schlüsselkonzept zur transparenten Beschreibung komplexer, smarter Produktsysteme im Kontext des Industrial Internet mit Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge und Dienste vorgeschlagen (siehe Bild 2).

System Lifecycle Management stellt keine smarten Produktsysteme bereit, kann aber auf administrativer Ebene dazu beitragen, die richtigen Informationen zur richtigen Zeit im richtigen Kontext zur Verfügung zu stellen, um so das Engineering zu unterstützen.

Wissenstransfer und Synergien
Im Jahre 2030 werden intelligente, über das Internet und andere Dienste vernetzte Systeme alle Industrien erfasst und die herkömmlichen, mechanischen und mechatronischen Produkte abgelöst haben. Die Entwicklungen in diesem Bereich werden mit rasanter Geschwindigkeit sowohl im wissenschaftlichen, als auch im praktischen Umfeld weiter voranschreiten. Welche der Entwicklungstrends sich in der Zukunft durchsetzen und auf breite Akzeptanz bei den Anwendern stoßen werden, wird sich in den nächsten Jahren herausstellen. Bereits jetzt kann jedoch festgehalten werden, dass das Interesse an weiteren Funktionen und Applikationen für künftige SysLM Lösungen ständig wächst und eine effektive Ausgestaltung des Lebenszyklus der Systeme zwingend erforderlich ist. System Lifecycle Management (SysLM) wird hierzu als nächste Stufe von PLM auf- und ausgebaut und als Schlüsselkonzept zur detaillierten Ausgestaltung nach dem Ansatz „Industrial Internet“ angesehen. -sg-

Autoren:
Professor Dr. Martin Eigner, Karl-Gerhard Faißt, Hristo Apostolov, Patrick Schäfer

Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern, Tel. 0631/205-3871, www.mv.uni-kl.de

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