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Internet und Automation: Was hinter Begriffen wie Industrie 4.0 steckt

Seit einiger Zeit tauchen immer wieder neue Begrifflichkeiten auf, wie beispielsweise Industrie 4.0, Manufacturing 2.0, Cyberphysikalische Systeme (CPS) oder das Internet der Dinge. Die Einordnung und Abgrenzung fällt schwer. Handelt es sich hierbei nur um neue Schlag­worte für bereits bekannte Handlungsfelder oder steckt wirklich etwas Neuartiges dahinter?

Fraunhofer IOSB INA, Automatisierungstechnik Bildquelle: © Fraunhofer IOSB-INA

Um die Vielzahl der Begrifflichkeiten einordnen zu können, die derzeit durch die Automatisierungstechnik „schwirren“ und den Übergang hin zu intelligenten technischen Systemen beschreiben, ist es vorteilhaft sich mit deren zeitlichem Ursprung und ihrer Herkunft zu beschäftigen. Schon 1966 schrieb der deutsche Kybernetiker Karl Steinbuch in seinem Buch „Die informierte Gesellschaft“: Es wird in wenigen Jahrzehnten kaum mehr Industrieprodukte geben, in welche die Computer nicht hineingewoben sind. Drei Jahre später führte das japanische Unternehmen Yaskawa Electric erstmalig den noch heute wichtigen Begriff der Mechatronik ein – zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht unter Ein­beziehung der heute berücksichtigten Informationsverarbeitung.

Anfang der 90er Jahre wurde der amerikanische Informatiker Mark Weiser vom Palo Alto Research Center (PARC) mit seiner in dem Aufsatz „The Computer for the 21st Century“ mit „Ubiquitous Computing“ bezeichneten Vorstellung einer umfassenden Informatisierung und Vernetzung der Welt und ihrer vielen Gegenstände bekannt.

Fraunhofer IOSB INA, Begrifflichkeiten Bildquelle: © Fraunhofer IOSB-INA
Nicht immer leicht zu durchschauen: die Begrifflichkeiten mit Bezug zur Automation auf dem Weg hin zu intelligenten technischen Systemen.

Den Begriff „Internet der Dinge“ (IOT – Internet of things) verwendete erstmalig im Jahr 1999 Kevin Ashton, zu diesem Zeitpunkt Mitarbeiter bei Procter and Gamble (USA). Die technologischen Wurzeln von IOT liegen im Auto-ID-Center des Massachusetts Institute of Technology (MIT), wo sich zum gleichen Zeitpunkt eine von Ashton mitgegründete Arbeitsgruppe mit RF-ID und Sensortechnologien beschäftigte. Das IOT stellt eine umfassende Erweiterung des klassischen Internets dar: Während das Internet auf den Austausch von Daten und Dokumenten verschiedener Medientypen beschränkt ist, adressiert das Internet der Dinge die Vernetzung von und mit Alltagsgegenständen. Damit hebt es die Trennung zwischen virtueller und realer Welt weitestgehend auf. Mit anderen Worten: Eindeutig identifizierbare physische Objekte (things) werden mit eingebetteten Systemen ausgestattet, erhalten eine virtuelle Repräsentation und kommunizieren über das Internet.

Im Jahr 2006 gebrauchte schließlich Helen Gill von der National Science Foundation (NSF), der US-amerikanischen Forschungsgesellschaft, erstmalig den Begriff „Cyber-Physical Systems“ (CPS). Dabei definierte sie mit dem Begriff „Cyber“ solche Systeme, die zur diskreten Verarbeitung und Kommunikation von Informationen genutzt werden, während mit „physical“ die natürlichen und vom Menschen geschaffenen technischen Systeme gemeint sind, welche – beschreibbar durch die Gesetze der Physik – zeitkontinuierlich arbeiten. Nach Helen Gill sind Cyber-Physical Systems demnach Systeme, in denen die Cyber- und physischen Systemen auf allen Ebenen eng miteinander verbunden sind.

Die Informationsverarbeitung kann dabei tief in die physikalischen Komponenten (embedded systems) und gegebenenfalls sogar in die Materialien integriert sein. Beispiele hierfür sind in Kleidung integrierte Sensoren und Aktoren oder der miniaturisierte, energieautarke Datenlogger FuLog, der am inIT zur Integration in Werkstücke entwickelt wurde. Die Informationsverarbeitung kann ferner geographisch weit verteilt und vernetzt sein. In der Regel wird sie dabei von einem eingebetteten System – häufig verteilt und in Echtzeit – erbracht. Ein CPS ist also letztendlich die Verschmelzung der Informationsverarbeitung mit dem physikalischen Prozess. Im Jahr 2009 wurde von der NSF im Bereich CPS ein gleichnamiges Forschungsprogramm eingerichtet, in dem bis heute über 100 Projekte gefördert wurden. Zudem wurde dieses Feld als eine Schlüsseltechnologie für die Forschung in den USA identifiziert.

Mit einem gewissen Schleppabstand hat der Begriff CPS auch Deutschland erreicht und entsprechende Aktivitäten initiiert, unter anderem in Form der Ende 2010 von der Bundesregierung gestarteten „Forschungsagenda CPS“ oder der Einrichtung ent­sprechender Fachausschüsse, etwa in der Gesellschaft für Mess- und Automa­tisierungstechnik (GMA) des VDI/VDE.

inIT kognotiver Informationsverarbeitung Bildquelle: © Fraunhofer IOSB-INA
Intelligente tech­nische Systeme sind über das Internet vernetzte Automatisierungssysteme mit kognitiver Informationsverarbeitung. Sie bilden die technische Grundlage für künftige intelligente Fabriken (Smart Factory), Energienetze (Smart Grids) oder Städte (Smart Cities).

Bei der Eröffnung der Hannover Messe 2011 tauchte mit „Industrie 4.0“ der vorerst neueste Begriff mit Bezug zur Automation auf. Unter „Industrie 4.0“ wird die durch das Internet getriebene vierte industrielle Revolution verstanden. Sie umschreibt den technologischen Wandel heutiger Produktionstechnik hin zu Cyber-physischen Produktionssystemen (Smart Factory). Sicherlich hat sich der ein oder andere gefragt, was denn die anderen Revolutionen in der Industrie gewesen sind? – Die erste industrielle Revolution bestand in der Mechanisierung, darauf folgten die Massenfertigung und daran anschließend der Einsatz von Elektronik zur Automatisierung der Produktion.

Zunächst kaum beachtet, hat die Bundesregierung Industrie 4.0 zwischenzeitlich als eines von zehn Zukunftsprojekten in den Aktionsplan zur High-Tech-Strategie aufgenommen. Jüngst wurden der Bundesregierung zudem Handlungsempfehlungen für Industrie 4.0 von der Forschungsunion Wirtschaft und Wissenschaft übergeben, die helfen sollen, dass Deutschland zu einem Leitmarkt und zum Leitanbieter von intelligenten technischen Systemen wird. Im Prinzip ist Industrie 4.0 die Fortführung des bereits in den 1970er Jahren eingeführten Konzeptes der computerintegrierten Fertigung (CIM) auf der Basis nun verfügbarer moderner Informations- und Kommunikationstechnologien.