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Industrie 4.0: Technologien für die Produktion der Zukunft

Verfasst am 27.06.2019 von Gastautor

Industrie 4.0: Technologien für die Produktion der Zukunft (Bild lizenzfrei @ pexels.com)

Begriffe wie die "Vierte Industrielle Revolution" – "Industrie 4.0" oder "Industrial Internet of Things (IIoT)" – beflügeln die Fantasie und wecken hohe Erwartungen an Effizienz, Effektivität und Rentabilität. Doch haben sie bisher etwas bewirkt? Und sind diese Effekte selbst das Ziel oder nur Zwischenschritte eines Wandels im Produktionsprozess?

Die Antwort auf die erste Frage lautet eindeutig „ja". Der gezielte Einsatz datengestützter Lösungen hat bereits zu Kostensenkungen in puncto Maschinenverfügbarkeit, -effektivität und Verbrauchsmaterial geführt. Sowohl in einzelnen Anwendungen als auch in werksweiten Systemen werden deutliche Einsparungen erzielt. Fünf wesentliche Technologien werden Effektivität und Wirksamkeit in nächster Zukunft noch deutlich steigern.

Internet der wachsenden Dinge

Die Auswirkungen von IIoT und Smart Factory auf die Wirtschaft sind beträchtlich. Laut Capgemini können sie in den kommenden fünf Jahren zwischen 500 Milliarden und 1,5 Billionen USD an zusätzlichem Wert für die Weltwirtschaft erzielen. 

In der Smart Factory werden Künstliche Intelligenz (KI) und weitere fortschrittliche Technologien eingesetzt, um die Produktivität, Rentabilität und Qualität zu verbessern. Sie wird agiler sein als alles, was wir bislang in der Massenfertigung erlebt haben.

Dabei wird die KI noch an Umfang und Bedeutung gewinnen, und auch das „Cobotting" – die integrierte Zusammenarbeit von intelligenten Maschinen und Menschen – wird zunehmen. Ein wirklich smarter Produktionsprozess nutzt nicht einfach nur die verfügbaren Ressourcen, sondern optimiert deren Nutzung. 

Digitale Zwillinge

Ein digitaler Zwilling definiert sich als virtuelle Darstellung eines physischen Produkts oder Prozesses. Er ermöglicht, deren Verhalten zu überwachen und vorherzusagen und ihre Weiterentwicklung zu optimieren. Und er hilft, den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren oder sogar ganz zu eliminieren.

Durch das Sammeln akkurater Daten entwickelt sich der digitale Zwilling weiter und aktualisiert sich kontinuierlich, um jede Verhaltensänderung des physischen Gegenstücks so genau wie möglich zu spiegeln. Auf diese Weise können Erkenntnisse gewonnen werden, die dazu beitragen, die Entwicklungs- und Einführungszeiten zu reduzieren oder die Qualität und Effizienz in Produktion und Betrieb deutlich zu steigern.

Digitalisierung in Aktion

Intelligente industrielle Kommunikationsnetze ermöglichen den einfachen Datenaustausch innerhalb der verschiedenen Produktionsmodule und sammeln kontinuierlich Betriebsdaten. Tools und Technologien zur Datenerhebung sind flächendeckend verfügbar; entsprechende Sensoren sind preiswert erhältlich. Software wie die Digital Enterprise Suite von Siemens bietet abgestimmte, integrierte, automatisierte und umfassende Lösungen.

Nun besteht die Herausforderung darin, die Daten auch effektiv zu nutzen. Sprich, zunächst die Spreu vom Weizen zu trennen und dann schnellstmöglich auf das Ergebnis zu reagieren. An dieser Stelle kommen die neuen Technologien von Edge Computing und 5G-Netzwerken ins Spiel.

Edge Computing

Auf den ersten Blick kehrt Edge Computing den Trend zur Cloud um. Der Researcher IDC definiert Edge treffend als ein „Mesh-Netzwerk von Mikro-Rechenzentren, die kritische Daten lokal verarbeiten oder speichern und alle empfangenen Daten in ein zentrales Rechenzentrum oder Cloud-Speicher-Repository auf einer Fläche von weniger als 100 Quadratmetern übertragen".

Was ist nun ein „Edge Computer"? Es handelt sich nicht um ein neues Hardware-Teil oder das nächste Must-Have, sondern vielmehr um die Bezeichnung eines verbundenen „Teils". Automobile, Flugzeuge und Maschinen zur Herstellung von Fabrikhallen könnten alle als „edge" betrachtet werden. Sie alle produzieren Daten für den laufenden Betrieb auf der einen Seite und für die Analyse und Verbesserung, etwa per digitalem Zwilling, auf der anderen. 

Edge Computing ermöglicht die effizientere Verwaltung von Unternehmensdaten. Es verwendet ein Gateway, das die Informationen effektiv auswertet; es gestattet die Analyse von Daten von IoT-Geräten „am Rande des Netzwerks" – daher der Name! –, bevor sie an das entsprechende Rechenzentrum oder die Cloud geschickt oder situativ direkt bearbeitet werden. Unter Edge Computing versteht man also eine Infrastruktur, die es ermöglicht, Daten so nah wie möglich an der Quelle zu verarbeiten. Es ermöglicht eine schnellere Verarbeitung und reduziert die Latenzzeiten.

5G

Die 5G-Kommunikation ist ein wesentlicher Faktor von Edge Computing, effektiver Digitalisierung und der Nutzung des Potenzials der Vierten Industriellen Revolution. Der Zirkelschluss dabei: Ihre höheren Geschwindigkeiten, die geringere Latenzzeit und die größere Kapazität machen erst das IIoT möglich – dessen Maschinen wiederum am besten in der Lage sind, die Eigenschaften von 5G zu nutzen und zu optimieren.

Die Bandbreite und die höheren Geschwindigkeiten von 5G werden es intelligenten Fabriken ermöglichen, Roboter effektiver und reaktionsschneller einzusetzen. Kleinere und dedizierte Rechenzentren vor Ort werden Entscheidungen schneller treffen und die KI besser nutzen können. Zudem erleichtert es den bedienerlosen Lagertransport zur Automatisierung kritischer, aber zeitaufwändiger Aktivitäten und Prozesse. 

5G kann sehr effektiv über kurze Distanzen betrieben werden und eignet sich damit optimal für den Betrieb in dedizierten Einheiten, also etwa in Fabriken. Es gilt allerdings, durch Network Slicing multiple Netzwerk-Events über gemeinsame Infrastrukturen zu realisieren. Betreiber wie Orange werden in der Lage sein, individuelle „Slices" des Netzwerks schnell zu erstellen und bereitzustellen, die auf die individuellen Bedürfnisse der Kunden in puncto Geschwindigkeit, Latenz und Leistung zugeschnitten sind.

5G spielt eine große Rolle in der nahen Zukunft des IIoT. Allerdings werden wir eine Koexistenz von 5G mit ergänzenden Technologien sehen. Nach Untersuchungen von Ericsson und Arthur D. Little wird die digitale Wertschöpfung der 5G-fähigen Industrie bis zum Jahr 2026 etwa 1,3 Billionen US-Dollar betragen, wobei die Fertigung mit etwa 20 Prozent das größte Potenzial ausmacht.

Hürden und Hindernisse

Viele Unternehmen, zumal Erstausrüster (OEM), tun sich bislang schwer damit, vorhandene Daten gemeinsam zu nutzen. Um allerdings das Optimum aus vernetzten Fabriken, Produktionsprozessen und Lieferketten zu erschließen, müssen diese Daten mit Kooperationspartnern geteilt und in Echtzeit genutzt werden.

Das IIoT – basierend auf 5G, Edge Computing und Digital Twinning – bildet den physischen Rahmen der Vierten Industriellen Revolution. In dieser kompletten und komplexen Dimension ermöglicht es, alles auf effektive Weise zu verbinden. Schlüssel dazu sind die Daten. Zugriff darauf zu haben, ist die Grundvoraussetzung. Und die Auswertung dieser Daten ist elementar, um das IIoT produktiv und wirkungsvoll in die Praxis umzusetzen.

Über die Autorin:

 Jan Howells ist regelmäßige Autorin für unseren Mutterkonzern Orange Business Services und schreibt seit mehr als 22 Jahren über Technologie für Zeitschriften und Websites wie ComputerActive, IQ Magazine und Signum. Sie war Wirtschaftskorrespondentin der ComputerWorld in Sydney und bespielte den Kanal für Ziff-Davis in New York.

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