Entwicklung industrieller IT-Infrastruktur unter dem Einfluss von Industrie 4.0

Seminar Paper , 2020 , 31 Pages , Grade: 1,7

Computer Sciences - Industry 4.0

Viele Experten bezeichnen den aktuellen Umbruch in der industriellen Fertigung als nächste Stufe der industriellen Revolution. Bezeichnet als Industrie 4.0 geht es hierbei um die Digitalisierung der Industrie und ihrer Geschäftsmodelle. Um diese Digitalisierung erfolgreich zu ermöglichen, müssen die konventionellen Strukturen der produzierenden Unternehmen aufgebrochen werden. In der Vergangenheit spielte die IT- Infrastruktur innerhalb der Produktionshallen eine untergeordnete Rolle. Das Konzept der Automatisierungspyramide setzte in den unteren Schichten, sprich der Shopfloorebene ,auf gekapselte Übertragungstechnologien und Protokolle. Diese Seminararbeit soll aufzeigen, dass die IT-Infrastruktur eine Schlüsselrolle in der Industrie von morgen spielen wird und forciert einige relevanten Begrifflichkeiten in diesem Kontext.

Inhaltsverzeichnis

1 Grundlagen
1.1 Entwicklungsphasen der industriellen Produktion
1.1.1 Die erste industrielle Revolution
1.1.2 Die zweite industrielle Revolution
1.1.3 Die dritte Industrielle Revolution
1.2 Industrie
1.2.1 Definition
1.2.2 Wertschöpfung
1.2.3 Vertikale Integration
1.2.4 HorizontaleIntegration
1.2.5 Cyper-Physical Systems
1.2.6 Industrial Internet of Things

2 Industrielle IT-Infrastruktur
2.1 Anforderungen
2.2 Datenverarbeitung Edge Computing vs. Cloud
2.3 Uö bertragungstechnologien
2.3.1 RadioFrequencyIdentification
2.3.2 Wireless Local Area Network
2.3.3 Low Power Wide Area Network
2.3.4 5G Netz

3 Industrie 4.0 in der Praxis
3.1 Pick-by-Vison-Löosung bei Volkswagen AG
3.2 ”Floor Care Zukunft”bei Alfred KaörcherGmbHundCo.KG
3.3 EchtzeitlokalisierungmitKinexon

4 Fazit

Abbildungsverzeichnis

1 Verlauf der industriellen Revolution¹

2 Schema Embedded System²

3 Paradigma Digitalisierung der Industrie³

4 Automatisierungspyramide⁴

5 Einsatz von Cloud-Computing⁵

6 Drahtlose Übertragungstechnologien⁶

7 Konzept Echtzeitlokalisierung von Kinexon⁷

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Grundlagen

In Deutschland werden etwa ein Fünftel der gesamten Bruttowertschöpfung durch verarbeitendes Gewerbe, sprich durch die Industrie erwirtschaftet.⁸ Die Industrie bildet somit eine wichte Säule der deutschen Volkswirtschaft. Nicht verwunderlich ist also, dass Deutschland in diesem Bereich jahrzehntelang fuhrend war. Der Wohl­stand der Nation beruht zum großen Teil auf dem einfachen Prinzip Handelsguter zu produzieren und zu exportieren. Im Laufe der Zeit hat dieser Wirtschaftsb ereich eine massive Entwicklung durchlaufen. Ruckblickend bezeichnet man diesen Ver­lauf der Weiterentwicklung als industrielle Revolution. In diesem Kapitel soll ein Grundverstandnis für die vergangene und zukünftige Entwicklung der industriellen Produktion geschaffen werden.

1.1 Entwicklungsphasen der industriellen Produktion

Bei der geschichtlichen Aufarbeitung des industriellen Wandels konnte man diesen grob in vier Phasen gliedern. Ruückblickend wurde diese Entwicklung unter dem Begriff “Industrielle Revolution” zusammengefasst. Diese Begrifflichkeit bezeichnet nicht nur die technologischen, sondern auch die tief greifenden Wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Veraünderungen, die mit der Industrialisierung einhergingen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Verlauf der industriellen Revolution⁹

Nach einer kurzen Zusammenfassung der ersten drei Phasen der Industrialisierung, soll dieses Kapitel ein Verständnis für die von vielen als vierte Phase der industriellen Revolution bezeichnete Situation vermitteln.

1.1.1 Die erste industrielle Revolution

Die Anfaünge der industriellen Revolution finden sich in Großbritannien um das Jahr 1830. Durch zahlreiche neue technische Erfindungen konnten erstmals Guüter ma­schinell produziert werden. Eine entscheidende Rolle in der maschinellen Produktion spielt hier die durch James Watt optimierte Dampfmaschine. Weiterhin loüste diese technologische Errungenschaft auch logistische Probleme, da sie die Basis fuür die Entwicklung von Eisenbahnen und Dampfschiffen bildete. Im Verlauf dieser Epoche war es den Menschen erstmals moüglich, Guüter in hoher Stuückzahl zu produzieren und zu verfrachten. Diese neuen Müoglichkeiten laüuteten den Uü bergang von einer Agrar- hin zu einer Industriegesellschaft ein.¹⁰

1.1.2 Die zweite industrielle Revolution

Die zweite Phase der industriellen Revolution ist gepraügt durch die Elektrifizierung. Eingeleitet durch die Patentierung einer Dynamomaschine von Werner Siemens im Jahr 1866, datiert man den Beginn dieser Epoche um das Jahr 1870.¹¹ Diese Er­findung ermoüglichte den Durchbruch bei der Verteilung von Energie. Stromnetze wurden ausgebaut und die Optimierung von Elektromotoren vorangetrieben. An­getrieben durch den Wunsch nach Produktivitüatssteigerung wurde im Jahr 1913 erstmals das Fließband von Henry Ford in der Produktion eingesetzt. Bis heute steht das Fließband symbolisch fuür die zweite Entwicklungsstufe der industriellen Revolution.¹²

Neben den technologischen Entwicklungen wurde auch die Produktion umstruk­turiert und auf einzelne Arbeitsschritte verteilt. Dies war die Geburtsstunde der Reihenfertigung und der Vorreiter unserer heutigen Produktionsstraßen.

1.1.3 Die dritte Industrielle Revolution

Ab den 1970er-Jahren hielt die Informationstechnik Einzug in die industrielle Pro­duktion. Mithilfe von Rechenmaschinen wurde die Automatisierung der Produktion vorangetrieben. Mit der Automatisierung setzte zugleich der Prozess der Rationali­sierung ein. Arbeiten, die vorher noch händisch begleitet werden mussten, wurden fortan selbstständig durch programmierte Maschinen und Roboter durchgeführt. Au­ßerdem entständ in dieser Zeit, durch die Miniäturisierung von IT-Komponenten, ein komplett neuer Industriezweig. Durch die Verkleinerung der Komponenten wurden Computer fur den Privatbereich einsatzfähig und letztendlich zu Massenware.¹³

1.2 Industrie 4.0

“Nichts ist so bestandig wie der Wandel.” (Heraklit von Ephesus, 535-475 v. Chr.)

Natürlich gilt dieses Zitat auch für die Industrie im 21. Jahrhundert. Neben stei­gendem Wettbewerbsdruck zwingt vor allem ein geandertes Konsumverhalten der Kunden die Unternehmen zur Reaktion. Die Effizienz- und Produktivitaütssteigerung durch die reine Automatisierung von Anlagen und die Optimierung von Produkti­onsstrukturen kommt nun allmaühlich an ihre Grenzen. Getrieben durch neue oder vielmehr geüanderte Anforderungen und Moüglichkeiten hüalt nun die Digitalisierung Einzug in die Produktionshallen. Einige bezeichnen diese Entwicklung als den Be­ginn der vierten Industriellen Revolution.¹⁴ Fuür Unternehmen geht es bei der Di­gitalisierung ihrer Produktion um nichts geringeres als den Erhalt ihrer Wettbe- werbsfaühigkeit. Bei dem aktuellen Wettruüsten der Unternehmen geht es um die Steigerung ihrer Produktivitaüt, die Verbesserung ihrer Attraktivitaüt fuür den Kunden und vor allem um die Entwicklung neuer (digitaler) Geschüaftsmodelle.

1.2.1 Definition

Zweifelsohne sind die Entwicklungsstufen der industriellen Fertigung und die da­mit verbunden gesellschaftlichen Auswirkungen Ereignisse von geschichtlicher Re­levanz. Viele Experten erkennen in den aktuellen Entwicklungen Tendenzen mit ähnlich revolutionären Auswirkungen wie in den vergangen drei Entwicklungsstu­fen der industriellen Revolution. Naheliegend ist also, von einer vierten Stufe der industriellen Revolution zu sprechen. Dies sah offenkundig auch die Bundesregie­rung im Jahr 2011 so und initiierte ein Zukunftsprojekt mit dem Titel “Indus­trie 4.0”. Kurze Zeit spaäter schlossen sich die drei großen deutschen Industrie- verbaände Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Me­dien (Bitkom) , Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) und Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) zusammen und in- itierten ein Projekt Namens “Plattform Industrie 4.0”.¹⁵ Seitdem entwickeln sie Loäsungsansäatze zu Problemen rund um die Digitalisierung der Industrie. Eine Aus­arbeitung dieses Projekts liefert folgende Definition fuär die Begrifflichkeit Industrie 4.0:

“Der Begriff Industrie 4.0 steht fuär die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschoäpfungskette uäber den Lebenszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend indivi­dualisierten Kundenwuänschen und erstreckt sich von der Idee, dem Auftrag uäber die Entwicklung und Fertigung, die Auslieferung eines Produkts an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen. Basis ist die Verfuägbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschäopfung beteiligten Instanzen sowie die Fäahigkeit aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschoäpfungsfluss abzuleiten. Durch die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen entstehen dynamische, echtzeitoptimier­te und selbst organisierende, unternehmensuäbergreifende Wertschäopfungsnetzwerke, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie beispielsweise Kosten, Verfuägbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.¹⁶ ”

Wichtiger als eine Wortdefinition ist es allerdings, das Thema technologisch ein­ordnen zu können. Dafür werden nachfolgend relevante Begrifflichkeiten erläutert, um darauf aufbauend einen Bezug zur IT-Infrastruktur herstellen zu können.

1.2.2 Wertschöpfung

Grundsaötzlich beschreibt der Begriff “Wertschoöpfung” die Umwandlung von Guötern in Guöter mit hoöherem monetaören Wert. Somit ist die Wertschoöpfung Ziel einer jeden produktiven Töatigkeit. Die Wertschöopfung eines Unternehmens gibt seine wirtschaft­liche Leistungsföahigkeit an und ist vereinfacht dargestellt, die Differenz zwischen Gesamtleistung und Vorleistung.¹⁷

Ein zentraler Punkt der Konzepte fuör Industrie 4.0 ist es, den Blick weg von den einzelnen Stufen der Wertschoöpfung auf die gesamte Wertschoöpfungskette zu lenken. Es sollen nun nicht mehr lediglich einzelne Prozesse optimiert werden. Vielmehr soll das Zusammenspiel aller Funktionen und Partner innerhalb der Wertschoöpfungskette verbessert werden.

Schematisch löasst sich die Wertschöopfungskette in zwei Teilbereiche gliedern. Man unterscheidet zwischen der vertikalen und der horizontalen Wertschoöpfungskette. Im Zusammenhang von Industrie 4.0 und der Optimierung von Prozessen spricht man hier auch von einer vertikalen und horizontalen Integration der Wertschoöpfungskette.

1.2.3 Vertikale Integratiön

Die vertikale Integration zielt darauf ab, unternehmensinterne Systeme zu vernetzen und dadurch kuönftig einen echtzeitfaöhigen Informations- und Kommunikationsaus­tausch zwischen den verschiedenen Ebenen der vertikalen Wertschoöpfungskette zu gewaöhrleisten. Hier spricht man dann von einer angestrebten Datendurchlöassigkeit zwischen den einzelnen Ebenen. Gerade in diesem Bereich kommen neue Technolo­gien und eine leistungsfähige IT-Infrastruktur zum Tragen.¹⁸

Warum dies allerdings die IT-Abteilungen von Unternehmen vor neue Herausfor­derung stellt, wird im Kapitel 2 dieser Seminararbeit herausgearbeitet.

1.2.4 Horizontale Integration

Die horizontale Integration bildet die Grundlage zur Kommunikation über die Unter­nehmensgrenzen hinweg. Ziel ist es, sicherzustellen, dass ein unternehmensubergreifender Informationsaustausch aller, an dem Wertschöpfungsprozess beteiligten Unterneh­men möglich ist. Der angestrebte Zustand ist eine Vernetzung aller Akteure der Wertschopfungskette. Von Zulieferern uber Versanddienstleister bis hin zum Kun- den.¹⁹

Die horizontale Integration ist im Vergleich zur vertikalen Integration allerdings noch schwerer umzusetzen, da verschiedene Firmen mit jeweils eigenen Systemen und Standards verknuöpft werden muössen. Die Vorteile der digitalisierten Kommuni­kation zwischen den Akteuren liegt auf der Hand. Durch die Verfuögbarkeit söamtlicher prozessrelevanten Daten lassen sich Produktions- und Lieferzeitpunkt sehr genau be­stimmen. Außerdem nimmt die Prozessgeschwindigkeit insgesamt zu. Beispielsweise koönnen Zulieferer direkt nach dem Bestellprozess des Kunden den spaöteren Abnah­mebedarf berechnen und bei ihrer Produktionsplanung beruöcksichtigen. Durch die Digitalisierung der Kommunikation nimmt auch der Automatisierungsgrad von Teil­prozessen immer weiter zu. Dies wird sich wiederum auf die Effizienz und letztlich auch auf den Preis der Produkte auswirken.

Es gibt allerdings auch Nachteile. Am signifikantesten duörfte der Sicherheitsaspekt sein. Fuör die Integration muössen geschlossene Systeme “geöoffnet” werden, wodurch sich diese angreifbar machen.

1.2.5 Cyper-Physical Systems

Die größten Herausforderungen bei der vertikalen Integration liegen innerhalb der Produktionshallen von Unternehmen. Wo sich in den letzten Jahren schon viel über Standardisierung und Schnittstellen zwischen den internen Bereichen wie Planung, Produktion und Einkauf getan hat, ist das Konzept der Automatisierung nahezu unveraündert geblieben. Die Steuerungssysteme der einzelnen Anlagen sind nahezu hermetisch von den restlichen Systemen getrennt. Zu groß wog in der Vergangen­heit der Sicherheitsaspekt im Vergleich zu den Vorteilen einer Anbindung der An­lagen an die IT-Infrastruktur. Lieber hat der Schichtfuührer am Ende der Schicht die Stuückzahlen und Stüorfaülle einer Maschine hüandisch erfasst und in ein System nachgetragen, als die Maschine mit dem entsprechenden System kommunizieren zu lassen.

Als Basisinnovation fuür Industrie 4.0 gelten die Cyber-Physical Systems (CPS). Diese bestehen aus einem Verbund von sogenannten embedded system (ES) und ermoüglichen zukuünftig, angestoßen durch die Miniaturisierung von Bauteilen, die globale Vernetzung von Anlagen und Betriebsmitteln.²⁰

Embedded Systems sollen Zustaünde in ihrer Umgebung erfassen, auswerten und gegebenenfalls auf sie einwirken. Diese Systeme arbeiten autonom und sorgen so fuür eine Dezentralisierung von Steuerungsaufgaben. Dennoch sollen sie auch mit an­deren ES kommunizieren und teils aufbereitete Daten zur Verfuügung stellen. Erst durch diese Funktionalitaüt wird ein Verbund solcher Systeme zu einem CPS.^{21 22} Auf­grund dieser Anforderungen ergibt sich der in Abbildung 2 dargestellte, schematische Aufbau.

Elektrische und mechanische Komponenten dienen dem System als Schnittstelle zur Umgebung und ermoüglichen die Interaktion. Hieruüber koünnen Sensoren und Ak­toren angebunden und gesteuert werden. Die informatorische Komponente ermoüglicht die Kommunikation mit anderen Systemen und beinhaltet zur Anbindung entspre­chende Schnittstellen. Die Steuerung der komplexen Aufgaben des Systems übernimmt ein Prozessor. Selbstverständlich benötigt ein solches System auch Energie. Dieser Punkt erhalt unter dem Aspekt der teilweise erforderlichen Mobilität der Systeme eine Schluässelfunktion.²³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schema Embedded System[22]

1.2.6 Industrial Internet of Things

Irrtuämlicherweise werden die Begriffe Industrie 4.0 und Industrial Internet of Things (IIoT) haäufig synonym verwendet. Dies ist nicht ganz korrekt, da das IIoT lediglich Schnittmengen mit dem Themengebiet Industrie 4.0 aufweist. Hier werden die tech­nologischen Grundlagen fuär das Konzept Industrie 4.0 definiert. Wie die Namens­gebung schon vermuten laässt, handelt es sich beim IIoT um eine Spezialisierung des Internet of Things (IoT) fuär industrielle Anwendungsfaälle. Zum Einsatz kom­men Technologien aus diesem Bereich unter anderem in Produktionsstaätten, bei Lo­gistikunternehmen, Energieversorgern oder auch in der Agrarwirtschaft. Folgendes Paradigma veranschaulicht schematisch die Schnittmengen der einzelnen Technolo­gien, wobei fuär diese Arbeit lediglich die Themenfelder Industrie 4.0, CPS und IIoT relevant sind.²⁴

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Paradigma Digitalisierung der Industrie[25]

Wie auch beim Internet der Dinge geht es um die Vernetzung von physischen und virtuellen Gegenständen und ermöglicht somit beispielsweise die Implementierung von CPS. Entwicklungen und Anforderungen aus diesem Themenfeld haben einen sehr großen Einfluss auf die Entwicklung von industriellen IT-Infrastrukturen, da diese die Basis zur Vernetzung darstellen.

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¹ Eigene Grafik nach Thomas Bauernhansl, Michael ten Hompel und Birgit Vogel-Heuser, Hrsg. Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014. dOi: 10.1007/978-3-658-04682-8, S. 5-7.

²Johannes Pistorius. Industrie 4.0 - Schlüsseltechnologien für die Produktion. Springer Berlin Heidelberg, 2020. doi: 10.1007/978-3-662-61580-5, S. 11.

³ Prof. Duncan McFarlane. Industrial Internet of Things Applying IoT in the Industrial Context. (Besucht am 20. 06. 2020).

⁴Norbert Gronau. Industrie 4.0. Marz 2020. (Besucht am 12.11.2020).

⁵ Albert Behr. Best Uses of Wireless IoT Communication Technology. Dez. 2018. (Besucht am 22. 06. 2020).

⁶ Albert Behr. Best Uses of Wireless IoT Communication Technology. Dez. 2018. (Besucht am 22. 06. 2020).

⁷ Kinexon. Echtzeit-Lokalisierung (RTLS). 2020. (Besucht am 20. 12. 2020).

⁸BMWI. Bruttowertschöpfung nach Wirtschaftsbereichen in Deutschland. 2017. (Besucht am

⁹02. 08. 2020).

¹⁰ vgl. Nicole Engelhart. Industrie 4.0 - Bedeutung und Verständnis bei KMU. Sep. 2015. (Besucht am 07.08.2020), S. 4-5.

¹¹ vgl. Volker Leiste. Die Elektrifizierung der Welt. 2020. (Besucht am 20. 08. 2020).

¹² vgl. Engelhart, Industrie 4.0 - Bedeutung und Verstaändnis bei KMU, a. a. O., S. 7-8.

¹³ vgl. Thomas Bauernhansl, Michael ten Hompel und Birgit Vogel-Heuser, Hrsg. Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014. doi: 10 . 1007/978-3-658-04682-8, S. 7-8.

¹⁴ vgl. Berthold Heinrich, Petra Linke und Michael Glöckler. Grundlagen Automatisierung. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2020. doi: 10.1007/978-3-658-27323-1,S.7.

¹⁵ Plattform Industrie 4.0. Umsetzungsstrategie Industrie 4.0. Apr. 2015. (Besucht am 04. 10. 2020), S. 2.

¹⁶ Ebd., S. 8.

¹⁷ Holger Kettler. Wertschöpfung berechnen: Kennzahlen, Formeln und Analyse. Nov. 2020. (Be­sucht am 07. 08. 2020).

¹⁸ vgl. Johannes Pistorius. Industrie 4.0 - Schlüsseltechnologien für die Produktion. Springer Berlin Heidelberg, 2020. doi: 10.1007/978-3-662-61580-5, S. 11.

¹⁹ vgl. ebd., S. 11.

²⁰ vgl. ebd., S. 10.

²¹ vgl. Bauernhansl, Hompel und Vogel-Heuser, Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und

²²Logistik, a. a. O., S. 15-16.

²³ vgl. Pistorius, Industrie 4.0 - Schlüsseltechnologien für die Produktion, a. a. O., S. 10.

²⁴ Prof. Duncan McFarlane. Industrial Internet of Things Applying IoT in the Industrial Context. (Besucht am 20. 06. 2020), S. 8.

• College: University of Applied Sciences Essen
• Grade: 1,7
• Author: Tobias Neurath (Author)
• Publication Year: 2020
• Pages: 31
• Catalog Number: V1239956
• ISBN (PDF): 9783346664730
• ISBN (Book): 9783346664747
• Language: German
• Tags: IOT, Industrie, 4.0, Smart Things, IIOT, Internet of Things, Digitalisierung, Industrie 4.0, Digitale Transformation