Vom Internet der Dinge zu Industrie 4.0

Industrie 4.0 ist ein Begriff, der innerhalb der Hightech-Strategie der Bundesregierung geformt wurde. Er bezieht sich auf eines von zehn Zukunftsprojekten, in dem die Forschung an Schlüsseltechnologien für die Digitalisierung der Industrie im Mittelpunkt steht. Denn durch die zunehmende Forderung nach individualisierten Produkten ist es notwendig, die Produktion flexibel und kostensparend zu gestalten.

Werksstücke sollen mittels integrierter Systeme, die mit ihrer Umgebung kommunizieren, intelligent werden. Im Gegensatz zu bisherigen eingebetteten Systemen, wie beispielsweise bei Maschinensteuerungen oder Steuergeräten im Fahrzeug, kommunizieren die neu entstandenen cyber-physischen Systeme nicht nur miteinander oder im Intranet, sondern sind auch mit dem Internet verbunden. Dadurch entstehen neben der Optimierung von Prozessen über die transparenten Material- und Teilebewegungen völlig neue Arten der Produktionssteuerung.

Eingebunden in das Gesamtkonzept werden die Herstellung und Logistik, aber auch die Verbindungen zu Lieferanten und Kunden. Die Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF) und für Wirtschaft und Energie (BMWi) koordinieren dazu ihre Förderaktivitäten. Begleitet werden diese durch die „Plattform Industrie 4.0“ der Verbände ZVEI, VDMA und Bitkom sowie dem Wissenschaftsbeirat. Eng verknüpft mit Industrie 4.0, das vom BMBF und BMWi verantwortet wird, ist das parallele Projekt „Internet der Dinge“. Doch die beiden Begriffe lassen sich nicht eindeutig trennen.

Nimmt man die einzelnen Bauteile eines Fahrzeugs, die sich in der Produktion aufeinander abstimmen, betrifft dies eindeutig Industrie 4.0. Bezieht man den gesamten Produktlebenszyklus in die Begriffsdefinition mit ein, so zählt auch folgender Fall noch zu Industrie 4.0: Das Fahrzeug sendet nach Auslieferung an den Kunden, also während der Nutzung, Zustandsmeldungen einzelner Bauteile an den Hersteller, bei dem gegebenenfalls ein Bestellprozess oder eine Designänderung ausgelöst wird. Kommuniziert das gleiche Bauteil, beispielsweise ein Steuergerät, mit der Elektronik eines zweiten Fahrzeugs oder mit der ihn umgebenden Infrastruktur, so wird das Fahrzeug zu einem Teil des Internets der Dinge.

Standardisierungs-Roadmap des DKE/VDE

Die (DKE) Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik als Teil im DIN hat zusammen mit dem VDE (VDE/DKE) eine Roadmap erarbeitet, die bereits heute gültige Normen und Spezifikationen auflistet, sowie einen Ausblick auf den Normungsbedarf gibt. Durch die Ausstattung vieler Teilsysteme und einzelner Bauteile mit eigener Intelligenz wird die verfügbare Informationsstruktur nicht nur dezentralisiert, sondern auch mengenmäßig potenziert. Dies stellt eine enorme Herausforderung für die Steuerung der Abläufe und deren Programmierung dar. Die aktuelle Komplexität, verursacht durch die Anzahl und Granularität der Sensorinformationen ist bereits nicht mehr sicher beherrschbar und verlangt nach einem entsprechenden Ansatz. Dieser liegt in der Aufstellung von systemübergeordneten Regeln, denen die Teilsysteme innerhalb ihres Bereiches folgen und deren Auswahl sie ihrerseits durch ihre eigenen Zustandsinformation beeinflussen. Dadurch wird der Produktionsvorgang in Echtzeit gesteuert. Da der Mensch, etwa ein Produktionsarbeiter, in diesem System als „Teilsystem“ betrachtet werden muss, ergeben sich neue Anforderungen an die Mensch-Maschine-Schnittstelle. Aufgrund unterschiedlichster Datenmodelle und Schnittstellenprotokolle, die nicht mehr funktionsgetrieben, sondern produktgesteuert und flexibel eingesetzt werden müssen, wird für die Abbildung der Prozesse zwischen Menschen und Maschinen eine serviceorientierte Architektur (SOA) der IT-Systeme empfohlen. Die Roadmap nennt vier Dimensionen (Produkt-, Fabrik- und Technologie-Lebenszyklus sowie Geschäftsprozesse), deren Prozesse innerhalb der Wertschöpfungskette eindeutig miteinander verbunden werden müssen.

Die DKE hat als Teil im DIN zusammen mit dem VDE (VDE/DKE) eine Roadmap erarbeitet, die bereits heute gültige Normen und Spezifikationen auflistet, sowie einen Ausblick auf den Normungsbedarf gibt. Im Bereich Funk und Automatisierung kann auf bestehenden Normen aufgebaut werden.

Im Zuge der stetigen Digitalisierung sieht der ZVEI einen Schwerpunkt in der Sicherheit von cyber-physikalischen Systemen und der IT-Infrastruktur. Die mit der Industrie 4.0 einhergehende, selbstständige Kommunikation unter Maschinen, aber auch mit Teilnehmern außerhalb des Unternehmens, erfordert klar strukturierte Sicherheitskonzepte, die auf die gesamte Industrie anwendbar sind. Neben der Manipulation von Systemen oder Prozessen liegt ein großes Risiko in erhöhter Wirtschaftsspionage.

Der ZVEI fordert daher verschiedene Maßnahmen von der Politik. Die Bundesregierung soll Unternehmen dabei unterstützen, das Thema Sicherheit im eigenen Hause transparenter und den Mitarbeitern bewusster zu machen. Gleichzeitig sollen besonders für Internetanwendungen wie die Cloud eigene, nationale Kommunikationswege geschaffen werden, um die Abhängigkeit und Angreifbarkeit der Daten im Ausland zu minimieren. Diese Infrastruktur muss allen Unternehmen in gleicher Weise zur Verfügung stehen. Auf europäischer Ebene wird eine Zusammenarbeit zwischen der öffentlichen Hand und der Wirtschaft bei der Verschlüsselung und Absicherung von Daten gefordert. Auch der Datenschutz ist ein kritisches Thema. International wird insbesondere eine Zusammenarbeit gefordert, um die in Schattenbereichen des Internets gängige Praxis des Datenhandels gezielt zu bekämpfen.

Laut Branchenverband Bitkom haben sich dessen Mitgliedsunternehmen ein gutes Orientierungswissen angeeignet. Große Unternehmen hätten Kooperationen gebildet oder ein Ökosystem mit Partnern aufgebaut und erste Projekte umgesetzt. Wichtigster Aspekt bei Industrie 4.0 ist für den Bitkom die Chance, die Unternehmen haben, um über die Digitalisierung dem Kunden neue Services anbieten zu können. Aus Sicht des Bitkom ist es sinnvoll, im ersten Schritt intelligente Produkte zu schaffen, die den Kunden mit der neuen Dienstleistung vom Mehrwert überzeugen. Der so erzielte zusätzliche Umsatz und die Erfahrungen können wiederum in das Unternehmen zurückfließen und im zweiten Schritt die weitere Optimierung der Prozesse fördern. In vielen Unternehmen herrschen komplexe Produktionsabläufe, deren gesamte Änderung auf längere Sicht gesehen werden muss. Die Umsetzung von Industrie 4.0-Konzepten in Teilbereichen wie zum Beispiel der Logistik oder der Datenauswertung schafft Insellösungen, mit denen Erfahrungen aufgebaut werden können. Im internationalen Feld sieht der Bitkom die deutsche Industrie aufgrund ihrer zwei generischen Stärken, der Software für eingebettete Systeme und der Kompetenz im Maschinenbau, sehr gut aufgestellt.
Aus Sicht des VDMA ist das Thema gut am Markt positioniert, und Unternehmen wie Festo, Wittenstein, Bosch-Rexroth, Beckhoff oder Phoenix Contact setzen sich aktiv damit auseinander.

Dies wird die Hannover Messe zeigen, auf der Firmen erste greifbare Ansätze vorstellen werden, die bereits in Teilprozesse integriert wurden.

Eine zentrale Frage für die Mitglieder des VDMA besteht darin, wie die Investitionskosten gedeckt werden: Ist der Zusatznutzen für Kunden groß genug, sodass dieser einen Mehrpreis bezahlt? Standardisierung für Industrie 4.0, die zur Kostensenkung beitragen kann, sieht auch der VDMA als langfristige Initiative. Parallel dazu findet im Bereich der Forschung ein regelmäßiger Austausch zwischen der Arbeitsgruppe Forschung des VDMA mit dem wissenschaftlichen Beirat des DFKI statt.

Cyber-physical Systems

Das DFKI arbeitet in den Themenbereichen Internet der Dinge und Smart Factories an unterschiedlichsten Forschungsprojekten. In der Systemforschung für cyber-physikalische Systeme werden Methoden, Schaltkreisentwürfe und Software-Engineering, wie beispielsweise ein formeller Erstellungsprozess für voneinander abhängige Tabellenblätter, der die Richtigkeit der Daten sicherstellt, entwickelt. Auf Evaluierungsseite hat das DFKI mehrere Living Labs eröffnet, in denen der Einsatz neuer Technologien getestet und vorgeführt wird. Produktionsanlagen der Industrie 4.0 werden mit Tausenden von Sensoren ausgestattet sein, die Daten im geschätzten Mengenbereich von Petabytes liefern. Das entspricht in etwa der Menge von 10.000 Blue-Ray Discs, auf denen 100 Gigabyte gespeichert werden. Doch um der Anlagensteuerung die notwendige Intelligenz zu verleihen, müssen die Daten in Echtzeit ausgewertet und rückgemeldet werden.

Gründungspartner des Smart Data Innovation Lab, Karlsruhe. Betrieben wird das SDIL vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Bild: Muzyk

So ist die intelligente Auswertung von Big Data eine der Aufgaben, dem sich das DFKI in seiner jetzt gestartete Forschungsplattform Smart Data Innovation Lab (SDIL) widmet. Die Plattform wurde vom DFKI gemeinsam mit der Fraunhofer-Gesellschaft und dem Forschungszentrum Jülich sowie Partnern aus der Industrie (Bayer, Bosch, Microsoft Deutschland, SAP, Siemens und Software) gegründet. Betrieben wird das SDIL vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Mehr als 20 weitere Branchengrößen, darunter Infineon, Trumpf und Volkswagen sowie der Branchenverband Bitkom und die Deutsche Gesellschaft für Informatik (GI) unterstützen das Vorhaben, wichtig sei aber auch die Teilnahme von KMU. „Smart Data werden zur vorausschauenden Wartung, zur Effizienzoptimierung sowie zur Erreichung des optimalen Betriebspunktes genutzt werden. Das spart bis zu 30 Prozent Material, Energie, Kosten und Arbeitsaufwand und schont die Umwelt“, erklärt Prof. Wolfgang Wahlster, CEO des DFKI.

Wer zahlt für all die Daten?

Bei der Schätzung des Marktpotenzials wird international vom Internet der Dinge gesprochen, da als Basis die vernetzten und ans Internet angebundenen Geräte herangezogen werden. Der McKinsey Studie „Disruptive technologies“ zufolge wird in den nächsten zehn Jahren die Zahl der miteinander verbundenen Geräte von heute neun Milliarden auf mindestens 50 Milliarden Geräte anwachsen. Optimisten wagen sogar eine Prognose von einer Billion Geräten. Dem Bericht nach wird das Marktpotenzial für Firmen im Jahr 2025 zwischen 2,7 und 6,2 Billionen Dollar (1,9 bis 4,5 Billionen Euro) geschätzt.

Die Analysten bei Gartner sind konservativer und wagen in ihrem Ausblick für 2020 eine Prognose von 26 Milliarden vernetzten Dingen, die bei Herstellern von IoT-Produkten (IoT, Internet of Things) und Dienstleistungen für einen Umsatz von 300 Milliarden Dollar sorgen. Darauf aufbauend ergibt sich bei Gartner ein weltweites Umsatzpotenzial auf verschiedensten Märkten von 1,9 Billionen Dollar. Berater von Cisco sprechen sogar von einem Internet von Allem (Internet of everything, IoE). Der Hersteller sieht allein für den öffentlichen Sektor ein Geschäftsvolumen von 4,6 Billionen Dollar bis zum Jahr 2022, das über Kosteneinsparungen, Produktivitätssteigerung und neue Umsätze erzielt wird.

Die Finanzierung der intelligenten Fertigung werden Hersteller selbst vornehmen und die Investition nach Abzug möglicher Fördergelder dem zu erwartenden Umsatzwachstum (erweiterter Kundennutzen bedingt höheren Produktpreis oder größere Anzahl Kunden) gegenüberstellen müssen. Doch sobald die Grenze von Industrie 4.0 zum Internet der Dinge verschwimmt und Bereiche des öffentlichen Lebens tangiert sind, wird es schwieriger. Wer finanziert das Internet von Allem? Aktuell werden in der Branche drei Möglichkeiten diskutiert. Die von der EU aus Steuergeldern finanzierte Initiative „Horizon 2020“ ist eine wichtige Maßnahme, um Europa gegenüber den USA als Innovationstreiber zu positionieren. Bei Private-Public-Partnerships ist zu klären, welche Firmen aus der Industrie als private Partner in Frage kommen.

Sind es die großen Netzbetreiber, die über die Datenleitungen herrschen und damit die Grundlage für die Kommunikation mit dem Internet bilden? Sind es Systemintegratoren, die ihr Wissen und ihre Erfahrung betreiber- und herstellerunabhängig in ausgewählte Projekte einbringen können? Oder sind es doch die IT-Firmen, die sowohl die notwendigen Hardware-Systeme als auch die für die Auswertung der Daten benötigten Software-Tools beisteuern? Ganz nach dem Motto: Content is king – ohne Daten kann man nur raten? In jedem Fall wird die Rendite einer solchen Finanzbeteiligung derzeit über die Rückzahlung von zu erwartenden Kosteneinsparungen berechnet.

Industrie 4.0

Fachkompetenz in Deutschland halten
Die EU-Initiative Horizont 2020 ist das weltweit größte, in sich geschlossene Forschungs- und Innovationsprogramm, welches bisherige Förderprogramme in der Forschung bündelt und ganz gezielt auf die Verbindung von Wissenschaft, Forschung und die nahtlose Umsetzung der Ergebnisse in der Wirtschaft abzielt. Zwischen 2014 bis 2020 soll europaweit ein Fördervolumen von 77 Milliarden Euro bereitstehen. Bundesforschungsministerin Wanka rechnet damit, dass Projekte an deutschen Hochschulen, Forschungseinrichtungen und in Unternehmen insgesamt jährlich mit bis zu 1,5 Milliarden Euro aus Brüssel unterstützt werden. Seit 2014 ist das Europäische Institut für Innovation und Technologie (EIT) ein eigenständiger Teil von Horizont 2020. Für die Laufzeit von der Initiative sind 2,7 Milliarden Euro für das EIT vorgesehen. Industrie 4.0 wird von der neuen deutschen Regierung ebenfalls als Fokusbereich gesehen. Das Ziel bleibt weiterhin, die Fortsetzung der Technologieführerschaft des deutschen Maschinenbaus durch den Einsatz moderner Informations- und Kommunikationstechnologien zu gewährleisten und die zugehörigen Fachkompetenzen in Deutschland zu halten. Hierbei werden nicht nur geschlossene Systeme unterstützt, sondern auch Open-Source-Lösungen gefördert. Die Zusammenarbeit beider Systeme soll über Standards gewährleistet werden und somit den Erfolg am Markt garantieren.
„Software made in Germany“ soll sich im globalen Wettbewerb besonders durch Datensicherheit und eine benutzerfreundliche Handhabung auszeichnen. Als wichtige Schlüsseltechnologien werden die Bereiche IT-Sicherheit, Netzwerktechnik, Embedded Systems, Prozess- und Unternehmenssoftware, Kryptographie sowie Machine-to-Machine-Kommunikation gesehen.

Eine dritte Möglichkeit steht mit dem im Consumerbereich zunehmend genützten Crowdfunding auf Plattformen wie Indiegogo oder Kickstarter zur Verfügung. Die Finanzierung über private Geldgeber bietet sich speziell für abgrenzbare Projekte und neue Produkte an. So wurde beispielsweise ein medizinischer Vitalwertscanner finanziert, der die gemessenen Sensordaten an eine App im Smartphone zur Auswertung schickt. Aber auch neue Anwendungen wie der 3D-Druck werden so mit Startkapital versorgt, etwa bei den Projekten RigidBot (>800.000 Euro), The Buccaneer (>1.000.000 Euro) und dem 3Doodler (>1.800.000 Euro).

Wem gehören die Daten?

Eine weitere zentrale Frage ist die des Eigentums. Jedes über das Internet verbundene Gerät produziert Daten. Doch wem gehören diese Daten? Nicht immer ist eine Abgrenzung möglich. In der Fertigung gesammelte Daten sind relativ einfach dem Hersteller zuzuordnen. Was ist jedoch mit nutzerbasierten Daten, die das Produkt, zu diesem Zeitpunkt Eigentum des Kunden, sammelt und zur Auswertung an den Hersteller schickt, damit dieser dem Kunden neue, kostenpflichtige Dienste zur Verfügung stellen kann? Zumindest im öffentlichen Bereich will das vom Bundesministerium des Innern mit dem Open-Data-Portal Govdata, über das die Verwaltungsdaten herausgegeben werden, Transparenz schaffen. Im internationalen Vergleich hinkt Deutschland jedoch bei dem Umfang der Offenlegung selbst China hinterher.

Die Kleinen profitieren von den Großen

Die Themen von Industrie 4.0 betreffen zum Großteil die Branchen IT, Elektronik und verarbeitende Industrie, die sich jedoch in Vorgehensweise, Entwicklungszeiträumen und Produktlebenszyklen stark unterscheiden. Wie lassen sich Gegensätze reduzieren oder sogar zum gegenseitigen Nutzen anwenden?

Ein Lösungsansatz sind Kooperationen, bei denen alle Partner von der Erfahrung der jeweils anderen profitieren können. Große Konzerne arbeiten oft an sogenannten PoCs (Proof of Concept), bevor konkrete Produkte entwickelt werden. Darin liegen Chancen für mittelständische Firmen, sich mit ergänzendem Fachwissen einzubringen und von der Infrastruktur der Großen zu profitieren. Cisco hat für Investitionen in IoT-Start-ups 100 Millionen Dollar reserviert. Branchenverbände wie der Bitkom, die sich die Förderung von KMU auf die Fahne geschrieben haben, können und müssen beim Wort genommen werden, um Kontakte zu vermitteln oder Firmen in bestehende Arbeitskreise mit einzubeziehen. Das Angebot des DFKI, verstärkt mittelständischen Firmen den Zugang zum Smart Data Living Lab zu geben, sollte guten Gewissens angenommen werden.

Die Themen rund um die Industrie 4.0 betreffen zum Großteil die drei Branchen IT, Elektronik und verarbeitende Industrie, die sich jedoch in Vorgehensweise, Entwicklungszeiträumen und Produktlebenszyklen stark unterscheiden. Kooperationen können von der Erfahrung der jeweils anderen profitieren.

Neben dem Aufbau einer Wissensbasis und Kooperationen ist jetzt ebenfalls ein guter Zeitpunkt, eigene Projektideen mit Fördermitteln zu realisieren. Das ist die Chance, bei der Entwicklung von neuen Umsatzpotenzialen über die Digitalisierung vorne dabei zu sein. Im Rahmen der Hightech-Strategie des Bundes erhalten Firmen rund um Forschung und Innovation die Förderberatung direkt vom Projektträger – dem Forschungszentrum Jülich in Berlin. Auch das Programm Horizont 2020 richtet seine Förderung gezielt an kleine Firmen und aus dem mittelständischen Bereich.

KMU, die verstärkt an Forschungsprojekten arbeiten, finden beim BMBF Unterstützung über eine Reihe von Fachprogrammen im Rahmen der Förderinitiative KMU-innovativ. Das BMWi bietet dem Mittelstand das Basisprogramm Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) für eine auf den jeweiligen Markt ausgerichtete Technologieförderung. Zusätzlich können Unternehmen mit vom BMWi finanzierten Innovationsgutscheinen (go-inno) auf externe Beratungsleistungen, insbesondere zur Erkennung von Innovationspotenzialen oder der Optimierung von Material- und Rohstoffmengen, zurückgreifen. Förderung für IT-Sicherheit erhält man bei Task Force des BMWi in Bonn. fa

Von Britta Muzyk

Britta Muzyk
freie Autorin für ke NEXT