1 Industrie 4.0 oder das “Industrial Internet of Things”

Industrie 4.0

Der Begriff “Industrie 4.0” bezeichnet die vierte industrielle Revolution. Bei der ersten industriellen Revolution, die Ende des 18. Jahrhunderts begann, wurden erstmals mechanische Produktionsanlagen eingesetzt, die Wasser- und Dampfkraft verwendeten. Dieser Abschnitt wird “Industrie 1.0” genannt. Die darauffolgende industrielle Revolution (“Industrie 2.0”) begann Anfang des 20. Jahrhunderts und führte die arbeitsteilige Massenproduktion ein. Maschinen wurden hierbei erstmals mit elektrischer Energie betrieben. Nachdem in den 1970er Jahren Elektronik und IT soweit waren, um in der Industrie eingesetzt zu verwenden, konnte die Produktion von Gütern (teil-)automatisiert werden. Dies wird als “Industrie 3.0” bezeichnet.

Heute soll die Industrie 3.0 zur Industrie 4.0 umgebaut werden, um
die gesamte Wertschöpfungskette zu automatisieren, damit die Effizienz der Produktionsanlagen weiter gesteigert werden kann. Weiterhin soll die Qualität der Produkte verbessert und die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie gesteigert werden.
Um eine selbstorganisierende Produktion zu etablieren, ist es notwendig, dass Produktionsprozesse untereinander kommunizieren. So ist eine Unternehmen zum Beispiel in der Lage, flexibel auf Änderungen bei der Ressourcenverfügbarkeit zu reagieren.

Durch die automatisierte Organisation der Fertigung kann gut und effizient auf Kundenwünsche reagiert werden und individuelle Produkte können kostengünstig hergestellt werden.

Durch die Anbindung des Internet of Things (IoT), welches hauptsächlich die Gesamtheit der “intelligenten” elektronischen Geräte (Wearables, Haushaltsgeräte, Autos, Unterhaltungselektronik, ...) beim Endverbraucher/Kunden beschreibt, kann auf Aktionen von Endverbrauchern reagiert werden.

Die aktuelle Situation in Sachen “Industrie 4.0” sieht in Deutschland nicht gut aus. Seit einiger Zeit gehören Industrie-4.0-Produkte zwar zum Standardsortiment der Fabrikausrüster doch die Unternehmen sind bei der Umsetzung und Implementierung von Industrie-4.0-Prozessen sehr zögerlich. Einige Unternehmen setzen schon Industrie-4.0-Produkte ein, hauptsächlich aber nur mit Fokus auf Effizienzsteigerung. Die Forschung, die Arbeitsgruppen und die verschiedenen Gremien treiben dagegen die Standardisierung von Prozessen und Schnittstellen voran.

Bei der Umstellung der Industrie auf die Industrie 4.0 werden nicht nur unternehmensinterne Prozesse umgestellt, sondern auch nach außen hin werden Informationen und Dienstleistungen verknüpft. Somit kann mit den Kunden digital interagiert werden, was genutzt werden kann, um neue Produkte und Dienstleistungen zu entwickeln. Um Kosten zu sparen, werden (Teil-)Prozesse zum Kunden ausgelagert: Sie erledigen zum Teil Arbeiten, die früher das Unternehmen gemacht hat. Einige Beispiele sind zum Beispiel Selbstbedienungskassen im Supermarkt, bei denen der Kunde seine Artikel selbst einscannt, das Buchen und Einchecken von Flügen über Online-Portale sowie das Tätigen von Überweisungen bei der Bank, welches von Kunden selbst vorgenommen werden kann.
Für die Umsetzung ist es notwendig, die Prozesse soweit zu vereinfachen, dass diese von jedem durchgeführt werden können.

Treiber der digitalen Transformation sind folgende: Digitalisierung, Vernetzung, Mobilität und Analytik. In allen Bereichen des Lebens werden immer mehr Dinge digitalisiert und in Software umgesetzt. So hat man zum Beispiel heute Smartphones, die mit den richtigen Apps viele verschiedene Aufgaben lösen können, für die man früher noch eigenständige Geräte brauchte. Dadurch werden aber auch neue Möglichkeiten entdeckt, die das Leben beeinflussen. Viele Dinge werden zudem heute erst im Computer designt und anschließend gefertigt. Kunden haben hiermit die Möglichkeit, ein Produkt noch vor der Fertigung zu betrachten.
Die zunehmende Vernetzung nicht nur von Menschen sondern auch von Geräten ermöglicht die Steuerung der Produktion in Echtzeit. Ein weiterer Punkt ist die Mobilität. So sind viele Menschen heute auch unterwegs online, um auch an Informationen zu kommen und austauschen zu können, wenn sie nicht zu Hause sind. Die Industrie 4.0 soll ermöglichen, auch unterwegs auf den Status der Produktion zugreifen zu können.
Die Aufgabe der Analytik ist, die gesammelten Daten zu analysieren und entsprechende Kenntnisse daraus zu gewinnen. Die Technik hierfür steht noch ganz am Anfang. Am Ende sollen die Daten Handlungsempfehlungen liefern. Ein vielversprechender Weg ist hierbei die Künstliche Intelligenz.

Auch das Thema Sicherheit ist wegen der Digitalisierung ein wichtiger Punkt bei der Industrie 4.0. Wenn immer mehr Geräte digitalisiert und vernetzt werden, müssen diese Geräte und Netze vor Angriffen geschützt werden.

Smarte Eingabegeräte

Wearables, also kleine tragbare elektronische Geräte, sind derzeit sehr beliebt und können gut in Unternehmen eingesetzt werden. Mögliche Anwendungsszenario für Wearables in Unternehmen sind zum Beispiel der Einsatz von “smarten” Handschuhen, die Monteure bei der Montage anweisen und Datenbrillen, die dem Träger wichtige Informationen einblendet.

Heutige Wearables enthalten immer mehr Sensoren, um möglichst viele Daten erfassen zu können. Auch das direkte Integrieren von Wearables in Kleidung ist derzeit sehr beliebt.
Ein sehr wichtiger Faktor bei dem Erfolg der Wearables ist die Bedienbarkeit der Geräte.

Die Forschung zum Thema “Mensch-Maschinen-Kommunikation” ist sehr aktiv und es werden immer neue Eingabe- und Steuerungsmethoden entwickelt und alte ständig verbessert. So sind heute zum Beispiel schon Gestensteuerungen in Autos und Unterhaltungselektronik zu finden. Ein bekanntes Gerät ist unter anderem die Microsoft Kinect, welche die Positionen und Bewegungen von Personen mithilfe einer 3D-Kamera erkennt.

Auch beliebt sind Sprachassistenten, die per Sprache gesteuert werden und allerhand nützliche Informationen bereitstellen sowie Smart-Home-Geräte steuern. Beispiele für Sprachassistenten sind “Alexa” von Amazon und “Google Home” von Google.
“Google Home” soll, um möglichst hilfreich zu sein, mit den verschiedenen Google-Diensten wie Google Mail und Google Maps verknüpft werden. Die Steuerung der Heimautomatisierung “Google Nest” mit Google Home ist (vorerst) nur in den USA verfügbar.
Die Smartphone-App “Google Assistant” verwendet zudem künstliche Intelligenz um gesprochene Wörter zu erkennen.

Neben den Sprachassistenten gibt es zudem noch die “Eye Tracker”, die Augenbewegungen mithilfe von Kameras und Bildverarbeitungsalgorithmen erkennen und so eine Steuerung von Geräten über die Augen ermöglichen.

Einen anderen Steuerungsansatz untersucht das Projekt “Skin Track”: Die eigene Haut soll als Touchscreen dienen. Die Technik “Thermal Touch” erkennt über Wärmebildkameras Flächen, die von einem Benutzer durch Anfassen erwärmt wurden. So können beliebige Gegenstände, die sich erwärmen lassen, zu Eingabegeräten werden.

Visualisierung

Es gibt zwei Visualisierungsarten: “Virtual Reality” (VR) und “Augmented Reality” (AR). Der Unterschied der beiden Visualisierungsarten liegt dabei an der Einbindung der Umgebung: Während bei der Augmented Reality die Umgebung mit zusätzlichen Informationen ergänzt wird bzw. reale mit virtuellen Elementen kombiniert werden, ist der Nutzer bei der Virtual Reality von der realen Umgebung komplett abgeschottet und vollständig in einer virtuellen Umgebung.

Schon Anfang der 1990er Jahre war Virtual Reality ein großes Thema. Heute helfen aber verbesserte Sensoren und eine höhere Rechenleistung dabei, Virtual Reality besser umzusetzen als vor 20 Jahren. Verschiedene empfindliche Sensoren ermöglichen es aktuellen VR-Headsets, Kopfbewegungen genauestens zu erkennen und die Position des Benutzers zu bestimmen. Im Gegensatz zu Wearables haben VR-Applikationen andere Anforderungen an das Benutzerinterface: Die Benutzung sollte hauptsächlich mit den Händen erfolgen und so sehr intuitiv sein.

Bei der Augmented Reality wird die reale Umgebung durch virtuelle Elemente ergänzt. Die wird zum Beispiel bei den so genannten “Smart Mirrors” gemacht, die Informationen wie Nachrichten und das aktuelle Wetter direkt im Spiegel einblenden.

Neben den Smart Mirrors gibt es noch die Datenbrillen. Eine gutes Beispiel ist hierfür die “Google Glass”, die in den Medien viel Aufmerksamkeit erregt hat. Die erste Version der Datenbrille wurde vom Markt genommen, aber Google arbeitet derzeit an einer “Enterprise Edition” der Brille, die zum Beispiel im Logistikbereich eingesetzt werden soll.
Die “HoloLens” von Microsoft dagegen unterstützt 3D-Projektionen, welche durch projizierte Lichtpunkte erzeugt werden.

Eine dritte Art von AR-Anwendungen sind Augmented Reality Browser, die als App auf einem Smartphone oder Tablet laufen und bestimmte Muster oder Bilder erkennen und dann entsprechende Informationen anzeigen. AR-Browser gibt es auch als “Location Based Services”, welche anhand des aktuellen Standortes des Benutzers Informationen anzeigen.

Smarte Gebäude

In Smart Homes sind alle Geräte miteinander vernetzt und können automatisiert Umgebungsparameter wie etwa Temperatur und Licht steuern. So weiß das System beispielsweise, wann der Eigentümer nach Hause kommt und kann entsprechend die Temperatur in den Räumen anpassen, bevor der Eigentümer nach Hause kommt.

Neben den Smart Homes gibt es noch die sogenannten “Smart Rooms”, welche von Einzelhändler eingesetzt werden, um die Bereiche im Laden zu erkennen, die von vielen Kunden aufgesucht werden. Dies wird unter anderem mithilfe von Wärmebildkameras realisiert.
Des Weiteren gibt es Bluetooth Beacons, welche sich über Bluetooth-Low-Energy (BLE) mit auf den Smartphones der Kunden installierten Laden-App verbinden und zum Beispiel Nachrichten über aktuelle Angebote senden.

Die Smart Factory ist eine Fabrik, in der alle Maschinen miteinander vernetzt sind und automatisiert alle notwendigen Arbeitsabläufe geplant und ausgeführt werden.

In intelligenten Städten (“Smart Cities”) sollen Verkehr, Ver- und Entsorgung und Logistik automatisiert gesteuert werden. Ziel ist es, das Leben bequemer zu machen. Werden alle Vorgänge in einer Stadt automatisiert, gehören zum Beispiel Staus der Vergangenheit an.

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