Die Kernidee der Industrie 4.0 ist von technischer Natur: Durch 'Cyber Physical Devices' (CPD) kann die virtuelle Welt mit der realen in Kontakt treten. Dadurch entstehen 'Cyber Physical Systems' (CPS): Systeme, deren Elemente sowohl aus der physischen als auch der virtuellen Welt stammen. In der Produktion spricht man dabei von 'Cyber Physical Production Systems' (CPPS). Über das 'Internet der Dinge und Dienste' werden sämtliche CPD, CPS und CPPS miteinander vernetzt und dazu befähigt, in Echtzeit miteinander zu kommunizieren. In den so entstehenden 'Smart Factories' tragen Rohteile selbst die Information mit sich, zu welcher Variante sie verarbeitet werden sollen. Auf dieser Grundlage finden sie eigenständig den bestmöglichen Weg durch die Fertigungslinien. Sie teilen den Maschinen und Mitarbeitern im Endeffekt selbst mit, was mit ihnen passieren soll.

Acht Handlungsfelder der Industrie 4.0

Damit sich die technische Kernidee mittelfristig umsetzen lässt und langfristig bestehen kann, müssen gewisse Grundvoraussetzungen geschaffen und Fragen beantwortet werden. Hierzu wurden bereits acht verschiedene Handlungsfelder identifiziert, von denen sich – entgegen dem, was die dieser Tage so zahlreichen Publikationen vermuten lassen würden – nur die wenigsten mit technischen Aspekten auseinandersetzen.

Der halbautomatische Arbeitsplatz von heute: Über eine Integrationsplattform wird der modulare und flexible Produktionsprozess abgebildet.

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■ Standardisierung und offene Standards für eine Referenzarchitektur
■ Beherrschung komplexer Systeme
■ Flächendeckende Breitband-Infrastruktur für die Industrie
■ Sicherheit als erfolgskritischer Faktor für Industrie 4.0
■ Arbeitsorganisation und Arbeitsgestaltung im digitalen Industriezeit­alter
■ Aus- und Weiterbildung für Industrie 4.0
■ Rechtliche Rahmenbedingungen
■ Ressourceneffizienz

Im Rahmen des Handlungsfeldes der Arbeitsorganisation und Arbeitsgestaltung gilt es zu beantworten, wie und mit welchen Folgen sich die Arbeit durch die vierte industrielle Revolution verändert.

Die Umsetzung

Die Gestaltung und Organisation der Arbeit in der Industrie 4.0 wird sich aus der Konfiguration eines CPS als offenes Informations-Fundament ergeben. Die Mitarbeiter werden dazu befähigt, erweiterte Entscheidungs- und Beteiligungsspielräume wahrzunehmen, Probleme autonom zu lösen und ihr Handeln viel mehr als heute selbst zu steuern. Die Grundlage dafür bilden intelligente Assistenzsysteme, durch die sich die Mitarbeiter auf die kreativen, wertschöpfenden Tätigkeiten konzentrieren (können) und von Routine-Aufgaben entlastet werden. Konkret bekommt jeder Mitarbeiter mit einem Assistenzsystem ein Werkzeug an die Hand, mit dem er die erwartete Steigerung der Kom­plexitäts-, Abstraktions- und Problemlösungsanforderungen meistern kann. Er wird so zum sogenannten 'Augmented Operator' des Shopfloors, der durch eine (virtuell) erweiterte Sicht als Entscheidungsträger auftreten und durch softwaregesteuerte Werkzeuge seine Effizienz steigern kann.

Industrie 4.0 in der Praxis

Im operativ geprägten Arbeitsprozess in Produktion und Logistik, also auf dem Shopfloor, entstehen durch die Einführung intelligenter Assistenzsysteme halbautomatische Arbeitsplätze, die eine Kooperation des Menschen mit der virtuellen Welt ermöglichen. Eine konkrete und praxiserprobte Lösung zur Realisierung dieses Szenarios ist die Werkerführung. Diese übernimmt zunächst das Informationsmanagement: Der Mitarbeiter bekommt auftragsbezogen und individuell aufbereitet alle für seinen Arbeitsprozess notwendigen Informationen, wodurch er relevante Entscheidungen selbst treffen kann. Gleichzeitig qualifizieren ihn multimediale Arbeitsanweisungen – Bilder, Texte, Audio, Video –, Stücklisten und Prüfhinweise zur Durchführung verschiedenster Aufgaben, je nachdem, was im Augenblick gemacht werden muss!

Der Handarbeitsplatz in der Industrie 4.0 besteht aus eigenständigen, funk­tionalen Einheiten, die in der Werkzeugliste eingeplant und direkt eingesetzt werden können.

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Ferner werden – und hier kommen wir nun zur Halbautomatik an den Arbeitsplätzen – durch die Werkerführung softwaregesteuerte Werkzeuge und Hilfsmittel angebunden, die dem Mitarbeiter unproduktive Arbeiten, wie das Messen von Positionsabständen oder das Suchen von Artikeln im Pufferlager, abnehmen und ihm durch Vollständigkeitskontrollen die Sicherheit geben, keinen Fehler gemacht zu haben. Dadurch kann sich der Werker – wie gefordert – auf die kreativen, wertschöpfenden Tätigkeiten konzentrieren.

In Ergänzung zu den führenden – das heißt informierenden – Eigenschaften der Werkerführung gewährleistet die Integration von vielseitigen Funktionen zur Betriebsdatenerfassung und Qualitätsprüfung, dass im Produktionsprozess auftretende Probleme direkt erkannt und behoben werden können und darüber hinaus die notwendige Datenbasis für einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess aufgebaut wird.

Anhand einer Qualifikationsmatrix sorgt die Werkerführung für die ständige Weiterbildung und notwendige Qualifizierung der einzelnen Mitarbeiter. Konkret erfolgt eine Dokumentation, welcher Werker über welche Qualifikationen verfügt. Auf dieser Grundlage fällt die Entscheidung, ob er dazu berechtigt ist, die aktuellen Arbeitsschritte durchzuführen. Abhängig von seinem Qualifikationsprofil wird er dazu aufgefordert, sich selbst – durch auf dem Bildschirm bereitgestellte Videos und Dokumente – zu schulen oder sich den Arbeitsschritt von einem Vorgesetzten erklären zu lassen. Nach dem gleichen Prinzip erfolgt der Hinweis auf wichtige Änderungen in der Arbeitsanweisung: Es wird dokumentiert, ob der Mitarbeiter bereits mit der aktuellen Version der Arbeitsanweisung gearbeitet hat; wenn nicht, wird er durch eine spezielle Farbgebung oder einen speziellen Informationshinweis darüber in Kenntnis gesetzt.

Die Anbindung an ein 'Industrial-Wiki'-Wissensmanagement fördert den Wissensaustausch mit allen anderen Mitarbeitern und gewährleistet, dass wichtiges Fachwissen langfristig im Unternehmen verbleibt. In dem System werden automatisch generierte Daten mit manuell erfassten Informationen kombiniert und unternehmensweit in Echtzeit zur Verfügung gestellt. Im Detail werden einerseits Daten aus BDE, MDE, ERP, CAQ und anderen Systemen aufbereitet und visualisiert, andererseits Informationen in Form von Kommentaren, Anmerkungen, KVP-Tickets oder Best Practices durch Mitarbeiter hinzugefügt. Dadurch entstehen etwa auditierbare Arbeitsanweisungen, detaillierte Störmeldeprotokolle, Online-Schichtberichte und technisch fundierte Wissenssammlungen.

Welche Bausteine folgen noch?

An Neuerungen sind etwa Pick-to-Laser beziehungsweise Put-to-Laser denkbar. Dabei wird in weitläufigen Kommissionierzonen, in denen herkömmliche Pick-to-Light-Anzeigen zu unscheinbar oder deren Anbringung nicht möglich wären, von einem Laser-Projektor markiert, welche Teile zu verarbeiten sind; der Laser-Strahl schreibt auf das Regalfach oder den Boden vor einem Lagerplatz hell und deutlich die Entnahme-Anweisung (Menge und Seriennummer) für den Werker.

Put-to-Laser unterscheidet sich technisch nicht von Pick-to-Laser, lediglich der Anwendungsfall ist anders herum: Hier wird dem Werker nicht angezeigt, von wo ein Teil kommt, sondern wohin es geht. Beispiele hierfür sind die Bestückung von Elektronikbaugruppen oder Packstücken. Die Laser-Projektion markiert die Stellen, wohin ein Teil gelegt oder gesteckt werden muss. Pick-to- und Put-to-Laser können natürlich auch in Kombination eingesetzt werden, wodurch Kommissionier- und Verpacktätigkeiten sehr schnell und fehlerfrei werden.

Darüber hinaus werden zukünftige Entwicklungen es ermöglichen, dass sich spontan mobile Regalsysteme ohne Stromversorgung in ein visuelles Pick-System integrieren lassen und die fle­xible Veränderung von Fachgrößen in Echtzeit berücksichtigt wird. Dafür bekommen die Laser-Projektoren die Fähigkeit der dynamischen Selbstkalibrierung, was bedeutet, dass sie sich selbst mithilfe sogenannter Targets (Reflektoren, die an bestimmten Stellen im Bereich der Laser-Projektion angebracht sind) an eventuelle Veränderungen anpassen.

Standardisierte Schnittstellen

Im Laufe der nächsten Jahre nimmt das Bestreben nach weiteren standardisierten Schnittstellen in der Produktion zu. Eine konkrete Initiative in dieser Richtung ist UMCM, ein Standard zur Anbindung von Maschinen an ein MES, den der MES D.A.CH Verband vorantreibt. Der Standard soll die physikalische Anbindung der Maschine sowie deren Software-Protokolle spezifizieren, wodurch alle MES-Anbieter auf einfache Weise auf Maschinendaten zugreifen können. Ähnliche Projekte sind unter der Überschrift Autonomik des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie in Arbeit. Zum Beispiel hat das Projekt AutoPnP zum Ziel, Grundlagen zu schaffen, um Automatisierungseinheiten und Roboter nach dem Plug-&-Play-Prinzip in eine Fertigungslandschaft zu integrieren.

DE Software und andere Lösungsanbieter stellen sich der Aufgabe, solche Konzepte nicht nur auf große Maschinen und Roboter, sondern auch auf kleine oder sogar handgeführte Werkzeuge wie Laserprojektoren und Schrauber anzuwenden. Durch die Standardisierung von Schnittstellen können halbautomatische Arbeitsplätze flexibel von verschiedensten solcher Automatisierungseinheiten profitieren. Schließlich wird so eine modulare, situationsabhängige Kombination verschiedener Automatisierungseinheiten zu individuellen Arbeitsplätzen ermöglicht.

Modulare Komplettlösungen

Handarbeitsplätze werden in Zukunft nicht mehr einmalig für einen bestimmten Prozess oder nach dem Motto 'one size fits all' konstruiert. Vielmehr werden sie aus eigenständigen (autarken) Modulen anforderungsbezogen immer wieder neu rekombiniert. Dabei dient eine auf dem Rechner installierte Werkerführung als Abstraktionsschicht zur Harmonisierung der einzelnen Werkzeuge und Automatisierungseinheiten mit den übrigen Datenstrukturen, etwa dem ERP, CAQ oder LVS: Werkzeuge, Werkbank, Werkerführung, Werker und Drittsysteme lassen sich wie durch einen Trichter zu einer Gesamtheit vermengen.

Mobile Arbeitsplätze

Mobile Geräte, etwa Smartphones oder Tablet PCs, werden die Vorzüge eines halbautomatischen Arbeitsplatzes unabhängig vom Ort zur Verfügung stellen. So können bei der Montage abseits vom lokalen Arbeitsplatz – auch außerhalb des Unternehmensstandorts – Arbeitsanweisungen abgerufen, Schrauber über Wi-Fi schrittbezogen parametriert und Prozesse dokumentiert sowie abgesichert werden.
Pick-to-Light-Lösungen, Laser oder Waagen in Fahrzeug- oder Koffersystemen kommunizieren auch an nicht erschlossenen Orten mit der mobilen Werkerführung. Über moderne Konzepte lassen sich zudem Werkzeuge und Geräte, die nicht kommunikationsfähig sind – etwa ein Fahrzeug oder ein herkömmlicher Akkuschrauber – in ein mobiles System integrieren. Dadurch kann beispielsweise die Instandhaltung maßgeblich optimiert werden.

Informations- und Kommunikationssysteme

Die wachsenden Verantwortungsbereiche der Mitarbeiter führen zu einem erhöhten Informationsbedürfnis und somit zu der Notwendigkeit eines Informationssystems, das die Mitarbeiter schnell, einfach und umfassend mit allen relevanten Informationen versorgt. Wissensmanagementlösungen wie ein Industrial Wiki bilden die Grundlage dafür, dass auditierbares Fachwissen und aktuelle Prozessinformationen unabhängig von Zeit und Ort, bei Bedarf auch unternehmensübergreifend, von jedem Mitarbeiter abrufbar sind.

Da selbst ein ausgereiftes Informationssystem allerdings nicht garantieren kann, dass alle jemals relevanten In­formationen abrufbar sind, besteht der Bedarf eines auch am Arbeitsplatz verfügbaren Echtzeit-Kommunikationssystems. Lösungen wie Microsoft Lync optimieren bereits heute den Kommu­nikationsprozess im Büro. Solche und weitere Entwicklungen – etwa auf Video-Basis oder durch Datenbrillen – sorgen in Zukunft dafür, dass Probleme in Echtzeit und ortsunabhängig mit dem Experten gelöst und Fragestell­ungen unmissverständlich beschrieben werden können.

Die Gestensteuerung

Gerade im Bereich halbautomatischer Arbeitsplätze wird das Thema Gestensteuerung immer wieder diskutiert. Diese Technologie hat den Sprung aus dem Wohnzimmer allerdings noch nicht geschafft. Die heute erreichte Erkennungsrate ist für die Industrie unzureichend: Variablen wie die Beleuchtung, der Hintergrund und in der Nähe befindliche Personen wirken sich auf die Funktion aus. Zukünftige Entwicklungen werden einige dieser Probleme beheben, während alternative Konzepte wie Smart Watches mit Gestenerkennung durch Lage- und Bewegungssensoren durchaus eine attraktive Option darstellen können.

Datenbrillen und Datenhelme

Datenbrillen und -helme standen bislang vor einigen Hindernissen: Neben technischen Problemen wie zu niedrigen Akkulaufzeiten und überlasteter Funknetzwerke sind es vor allem die menschlichen Belange, die diese Technologie ausbremsen: Die ungewohnte Anwendung, hohes Gewicht, unkomfortable Trageigenschaften und die Überanstrengung für das Auge führen zu einer schlechten Akzeptanz bei den Mitarbeitern.

Es ist anzunehmen, dass aktuelle Entwicklungen wie die Google Glasses diese Thematik revolutionieren. Entscheidend hierfür könnte neben dem besseren Tragekomfort und geringerem Gewicht sein, dass sich die Technologie erst im Privatbereich etabliert und somit die Akzeptanz bei den Mitarbeitern immens steigt.

Die Sprachsteuerung

Die Sprachsteuerung von Computersys­temen wird schon seit Jahrzehnten ent­wickelt und erfuhr mit Apples Siri den letzten großen Hype. Die Problematik ist aber heute noch die gleiche wie vor fünfzehn Jahren: Nebengeräusche und undeutliche Aussprache führen zu einer hohen Störanfälligkeit; die Kommunikation über einen monotonen Monolog ist auf Dauer anstrengend; die Korrektur von Fehlern bedeutet einen zu hohen Aufwand.

Tatsächlich einsatzreif wird die Technologie wohl erst, wenn Dialekt verstanden, Befehle unabhängig von festen Wortketten erkannt und individuelle Stimmen im Umfeld verschiedener Nebengeräusche und anderer Stimmen eindeutig herausgearbeitet werden können. Wenn es soweit ist, dürfte sich die Technologie allerdings innerhalb kürzester Zeit etablieren.

Letztendlich lässt sich sagen: Viele Grundelemente der Industrie 4.0 sind heute bereits verfügbar. Die Herausforderung besteht nun darin, die vorhan­denen Möglichkeiten zu einer Gesamtlösung zu kombinieren.

Autor: Philipp Rößler ist Marketingleiter bei der DE software & control GmbH