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Industrie 4.0: Schrittweise zu vernetzen Anlagen

Industrie 4.0: Schrittweise zu vernetzen Anlagen

Entwickler, Konstrukteure und Anwender erhoffen sich von Industrie 4.0, optimierte Prozesse, eine effizientere Auslastung und individuelle Kundenwünsche schneller erfüllen zu können. Für eine erfolgreiche Umsetzung fehlt jedoch oft ein schlüssiges Konzept. Mit dem Industrie 4.0 Maturity Index gelangen Unternehmen schrittweise ans Ziel.

317 Referenzfälle [1] für erfolgreiche Industrie-4.0-Anwendungen gibt es bisher in Deutschland. Zu wenig, findet auch die Bundesregierung. Laut Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) zögerten deutsche Unternehmen damit auch wegen technischer und wirtschaftlicher Unsicherheiten. Einige Automatisierer setzen Industrie 4.0 nur in Teilbereichen des Unternehmens um. Das ganze Potenzial der vernetzten Produktion entfaltet sich aber erst, wenn bspw. auch die Logistik und der Kundenservice einbezogen werden.

Die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (acatech) stellt diesen Herausforderungen den Industrie 4.0 Maturity Index entgegen. Ein Konsortium von Forschungseinrichtungen hat den Index unter dem Dach der acatech entwickelt. TÜV SÜD hat sein Fachwissen bei der Industrial IT Security eingebracht. Ziel war es, Unternehmen ein Werkzeug in die Hand zu geben, mit dem die Einführung von Industrie 4.0 in überschaubaren Schritten gelingt. Hersteller von Automatisierungstechnik bekommen damit Investitions- und Planungssicherheit. Das Modell umfasst die gesamte Wertschöpfungskette und orientiert sich am individuell definierten Nutzen für das Unternehmen.

Industrie 4.0: Schrittweise zu vernetzen Anlagen

Die sechs Reifegrade des Maturity Index; Quelle: FIR e.V. an der RWTH Aachen

Mehr als nur Digital

Der Index ist ein systematischer Leitfaden, der Unternehmen dabei unterstützt, die Integration ihrer IT- und Kommunikationssysteme weiterzuentwickeln. Dazu definiert er sechs aufeinander aufbauende Stufen:

  1. Computerisierung: IT zu nutzen und Prozesse zu automatisieren, ist bereits Standard. Auf dieser Stufe werden Informationstechnologien noch isoliert eingesetzt.
  2. Konnektivität: Sind die einzelnen Komponenten hingegen vernetzt, ist der Reifegrad der Konnektivität erreicht und die Digitalisierung im Sinne des Leitfadens umgesetzt. Eine vollständige Integration zwischen den Informationstechnologien und den operativen Technologien hat aber noch nicht stattgefunden.
  3. Sichtbarkeit: Auf dieser Stufe kommt Sensortechnologie zum Einsatz, die Zustände und Prozesse in Echtzeit erfasst. Es entsteht ein digitales Abbild der Produktion, ein sogenannter digitaler Schatten, der jederzeit Auskunft darüber gibt, was passiert.
  4. Transparenz: Die vierte Stufe ist erreicht, wenn Unternehmen den digitalen Schatten nutzen, um Wechselwirkungen aufzudecken und zu verstehen. Dazu ist es nötig, die Daten kontextbezogen zu interpretieren und mit Ingenieurswissen zu verknüpfen. Big-Data-Anwendungen werden parallel zu betrieblichen Anwendungssystemen wie ERP- [2] oder MES [3] –Systemen eingesetzt, sodass eine gemeinsame Plattform für umfangreiche Datenanalysen entsteht.
  5. Prognosefähigkeit: Um Szenarien zu erstellen und hinsichtlich ihrer Eintrittswahrscheinlichkeit und Konsequenzen zu evaluieren, wird der digitale Schatten in die Zukunft fortgeschrieben. Entwicklungen können antizipiert und Entscheidungen daran ausgerichtet werden.
  6. Adaptierbarkeit: Auf der höchsten Entwicklungsstufe treffen IT-Systeme diese Entscheidungen selbst. Die Industrie 4.0 ist jetzt vollständig realisiert. Anpassungsmaßnahmen werden automatisiert und ohne Verzögerung eingeleitet. In welchem Ausmaß den IT-Systemen dabei Autonomie gewährt wird, hängt von zwei Punkten ab. Das ist zum einen die Komplexität der Entscheidung und zum anderen das Kosten-Nutzen-Verhältnis für automatisiertes bzw. menschliches Handeln.
Industrie 4.0: Schrittweise zu vernetzen Anlagen

Beispielhafte Reifegrad-Bestimmung im Funktionsbereich Produktion; Quelle: FIR e.V. an der RWTH Aachen

Analyse auf allen Ebenen

Der Index ist modular aufgebaut und umfasst fünf Funktionsbereiche: Entwicklung, Produktion, Logistik, Service sowie Marketing und Vertrieb. Industrie 4.0 bedeutet aber mehr als die Vernetzung Cyber-Physischer Systeme (CPS). Die Kultur, die ein Unternehmen pflegt, spielt ebenso eine Rolle wie dessen Organisationsstruktur. Daher definiert der Index vier Gestaltungsfelder: Zu den „Ressourcen“ zählen Mitarbeiter und ihre Kompetenzen, Maschinen, Anlagen, Werkzeuge und Produkte. Die „Informationssysteme“ bezeichnen soziotechnische Systeme, in denen Menschen und Technologien Daten bereitstellen und verarbeiten. Das Feld „Organisationsstruktur“ umfasst Regeln und Strukturen, die die internen Beziehungen, aber auch die des Unternehmens mit seinem Umfeld leiten. Mit der „Unternehmenskultur“ ist schließlich das interne Wertesystem gemeint, etwa die Bereitschaft der Mitarbeiter, sich auf Veränderungen einzulassen und aktiv mitzugestalten.

Transformation in drei Phasen

Die Anwendung des Index unterteilt sich in drei Phasen. Ausgangslage bildet die Bestandsanalyse. Fragebögen, Werksbegehungen und Workshops geben Aufschluss über den aktuellen Stand der Digitalisierung. In der zweiten Phase folgt die Definition konkreter Ziele. Der tatsächliche Nutzen digitalisierter Prozesse wird dabei ebenso berücksichtigt wie die Unternehmensstrategie. Eine Gap-Analyse zeigt, welche Fähigkeiten oder Ressourcen dazu noch fehlen. In der letzten Phase leiten die Experten daraus eine digitale Roadmap ab, um diese Fähigkeiten aufzubauen. Sie priorisiert die Maßnahmen anhand einer Kosten-Nutzen-Matrix. Das Besondere am Maturity-Index: Jede Einzelmaßnahme bringt erkennbaren Nutzen und der Prozess bleibt jederzeit nachvollziehbar. Zudem unterstützen externe Expertenteams jeden Arbeitsschritt mit individuellem Know-how.

Industrie 4.0: Schrittweise zu vernetzen Anlagen

Die sechs Reifegrade des Maturity Index; Quelle: FIR e.V. an der RWTH Aachen

IT Security nach IEC 62443 [4]

2016 zählte mehr als die Hälfte der Industrieunternehmen die Anforderungen an die Datensicherheit zu den Haupthemmnissen beim Einsatz von Industrie 4.0. Denn die Vernetzung der IT birgt auch Sicherheitsrisiken. [5] Doch verfügbare und sichere Daten sind entscheidend für vernetzte Anlagen. Anstatt Produkt-, Auftrags- und Kundendaten in separaten Systemen abzulegen, wird eine gemeinsame Datenplattform genutzt, eine sogenannte Single-Source-of-Truth. Für die Analyse und Bereitstellung der Daten ist eine resiliente IT-Infrastruktur erforderlich. Das heißt, das System muss in der Lage sein, grundlegende Leistungen selbst bei schweren Störungen aufrecht zu erhalten. Dafür sind Fachkräften und Standards wichtige Hilfsmittel.

Maßgebend ist bei letzterem der Industriestandard IEC 62443 zur IT-Sicherheit für Netze und Systeme. Die Norm beinhaltet die Anforderungen an „Industrial Automation and Control Systems“ (IACS), die für den verlässlichen Betrieb von automatisierten Anlagen und Infrastrukturen nötig sind. Ein wesentlicher Bestandteil davon sind nicht nur Maßnahmen, um die IT-Sicherheit aufrechtzuerhalten, sondern auch, diese an sich verändernde Bedingungen anzupassen. Entwickler, Konstrukteure und Systemintegratoren können damit die Schwachstellen ihrer Steuerungs- und Leittechnik aufdecken und diese wirksam schützen. TÜV SÜD bietet als einer der ersten Anbieter die Prüfung und Zertifizierung für Hersteller nach IEC 62443-4-1 und für Systemintegratoren nach IEC 62443-2-4 an.

Autor: Dr. Bertolt Gärtner ist President & CEO der TÜV SÜD ATISAE in Tres Cantos (Madrid) und Experte für Industrie 4.0-Umsetzung

Quelle: TÜV SÜD ATISAE

Literaturverzeichnis: 

[1] Landkarte Industrie 4.0: plattform-i40.de, Stand 24.10.2017

[2] Enterprise-Ressource-Planning

[3] Manufacturin Execution System, Produktionsleitsystem

[4] Normenreihe IEC 62443 Industrial communication networks – Network and system security (dt. = Industrielle Kommunikationsnetze – IT-Sicherheit für Netze und Systeme

[5] Studie des Bundesverbandes Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e. V. (bitkom)

Veröffentlicht von

Dirk Schaar

Ich bin seit über 20 Jahren in Automatisierung und Antriebstechnik unterwegs, weil mich die Technik-Themen immer wieder faszinieren und begeistern. Ich möchte meine Entdeckungen, Erlebnisse und Recherchen gerne mit meinen Lesern teilen - informativ, tiefgreifend, spannend, menschlich, lesenswert und charmant.

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