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      • Veröffentlicht am 1. Feb. 2023
      • Zuletzt bearbeitet am 29. Nov. 2023
    • 12 min

    Industrie 4.0 – ein Überblick

    In diesem Leitfaden gebe wir eine umfassende Einführung in das Thema Industrie 4.0 und das Internet of Things (IoT). Werfen Sie mit uns einen Blick einen Blick auf bisherige technologische Entwicklungen und die Herausforderungen von morgen!

    Industrie 4.0 Illustration Produktionsanlage

    Was ist das Internet der Dinge?

    Kurzgesagt handelt es sich dabei um die allgemeine Bezeichnung für die Verbindung von Geräten, die viel mehr als nur PCs, Smartphones oder andere Telekommunikationsgeräte umfassen, mit dem Internet. Oftmals spricht man hierbei von „Smarten Geräten“ oder Smart-Devices, beispielsweise Fitness Tracker oder Sprachassistenten.

    Im Deutschen wie im Englischen ist auch die Abkürzung IoT (Internet of Things) gebräuchlich. Der Begriff ist seit Jahren schon in aller Munde und vor allem der Industriesektor hat ihn schon seit langem für sich entdeckt.

    Was bedeutet IIoT?

    Womit wir beim sogenannten Industrial Internet of Things wären, also dem Industriellen Internet der Dinge, welches häufig auch mit Industrie 4.0 gleichgesetzt wird. Das IIoT nimmt das Konzept von mit dem Internet vernetzten Geräten auf und überträgt es auf Fabriken, Produktions- und Industrieanlagen, um Daten schnell von nah oder fern auszutauschen. So können Sensoren beispielsweise Informationen sammeln und via Gateway ans lokale Netzwerk übertragen und von dort aus wiederum auf einen Cloud-Server hochladen, sodass Sie zu jeder Zeit von überall aus Zugriff darauf haben. Die direkte, automatische Steuerung von vernetzten Geräten wird übrigens auch als Cyber-physisches System bezeichnet.

    Was grenzt das IIoT vom IoT ab?

    Der Hauptunterschied zwischen IoT und Industrie 4.0 liegt in der Anwendung. Während ersteres dem Komfort, der Gesundheit und Unterhaltung dient, dreht sich bei letzterem alles um die Erfassung und Verarbeitung von Sensor-Daten in Echtzeit, um die Effizienz zu erhöhen, Prozesse zu optimieren und Kosten zu sparen. Nicht umsonst spricht man auch von einer vierten industriellen Revolution (s.u.)

    Aufbau des Internet of Things

    Das Industrial Internet of Things basiert auf einer bereits bekannten Form der computergestützten Steuerung, dem Prozessleitsystem (Engl. distributed control system), welches mehrere autonome Geräte miteinander verbindet und ihnen Funktionen zuweist. Diese Geräte sind dadurch in der Lage, den von ihnen überwachten Abschnitt der Fertigungslinie weiterhin selbstständig zu justieren und optimieren, ohne das Risiko, dass ein einzelner Fehler im System den Stillstand der gesamten Produktion zur Folge hat, wie es bei einer zentral regulierten Steuerung der Fall wäre. Das IIoT nutzt dabei die Vorteile des modernen Cloud-Computing, um die gemeinsame Nutzung, Visualisierung und Analyse von Daten zu ermöglichen – und das alles nahezu in Echtzeit.

    Innerhalb weniger Jahre hat sich Industrie 4.0 zu einem riesigen Sektor entwickelt. Mittlerweile nutzen mehr als 60 Prozent der globalen Hersteller IIoT-Technologien zur Optimierung ihrer Prozesse. Schätzungen gehen davon aus, dass 2020 bis zu 70 Milliarden Dollar für Industrie-4.0-Lösungen ausgeben werden.

    Was genau ist der Unterschied zwischen Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge?

    Obwohl die Begriffe Industrie 4.0 und Internet der Dinge manchmal synonym miteinander verwendet werden, sind sie nicht gleichbedeutend. Tatsächlich sind das Internet der Dinge und IIoT Teil von Industrie 4.0.

    Als Industrie 4.0 werden allgemein die beschleunigte Nutzung aller fortgeschrittenen Automatisierungstechnologien, die der Industrie und der intelligenten Fertigung heute zur Verfügung stehen, sowie die daraus resultierenden Vorteile bezeichnet. Als Schlüsselkomponenten gelten:

    • Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M)
    • Implementierung von autonomen Systemen
    • Nahtloses Cloud-Computing
    • Künstliche Intelligenz und verwandte 'kognitive' Technologien wie die Bilderkennung

    Die Geschichte des IoT und der Industrie 4.0

    Das Internet der Dinge mag wie ein sehr modernes Konzept erscheinen, doch tatsächlich reichen einige der Kerntechnologien, die Industrie 4.0 ausmachen, bis in die 1960er Jahre zurück. Bereits 1968 wurden speicherprogrammierbare Steuerungen (SDS) – im Grunde genommen frühe Industriecomputer – zur Feinabstimmung des Fertigungsprozesses entwickelt. Ab den 1970er Jahren erschienen dann die ersten industriellen Prozessleitsysteme, welche allmählich die händisch erledigte Arbeit in den Fabriken ergänzten.

    Das Internet der Dinge, wie wir es heute kennen, rückte im folgenden Jahrzehnt erstmals in den Fokus. Anfang der 2000er Jahre verließ das IoT nach und nach Forschungsstätten wie universitäre Einrichtungen und Labors, um zum Endverbraucher zu gelangen. Die Entwicklung von Basistechnologien wie BluetoothNahfeldkommunikation (NFC) und 3G-Mobilfunknetzen beschleunigte das Wachstum dieses Marktes. Anfang des Jahrtausends begünstigten vor allem Cloud-Computing-Technologien die Entwicklung des IIoT.

    Was genau bedeutet Industrie 4.0?

    In der Öffentlichkeit tauchte der Begriff „Industrie 4.0“ erstmals im Rahmen der Hannover Messe 2011 auf, um den Einsatz von Informationstechnologie in der Produktion zu beschreiben. Durch die Wortschöpfung sollte die Auswirkung moderner Technologien auf Automatisierung und Datenaustausch in die Nachfolge früherer Industrierevolutionen gerückt werden. Diese sind:

    • Die Entwicklung der dampf- und wassergetriebenen Fertigungstechnik in der zweiten Hälfte des 18. und der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts,
    • Der Einsatz elektrischer Energie, vor allem in Verbindung mit Fließbandarbeit zwischen ca. 1870 und dem Beginn des Ersten Weltkriegs,
    • Die dritte, sogenannte digitale Revolution, mit der Schaffung moderner IT in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts und den bereits oben beschriebenen Entwicklungen.

    Wofür wird das industrielle Internet der Dinge momentan genutzt?

    Industrie 4.0 kann einem breiten Spektrum von Branchen und Sektoren eine Vielzahl von Vorteilen bringen, darunter:

    • Smarte Produktionsanlagen und Gebäude
    • Optimierung der Lieferkette und der Bestände
    • Datenanalyse
    • Zustandsüberwachung

    Bereits jetzt ist das IoT in verschiedene Branchen eingezogen, von denen die reine Produktion bei Weitem nicht der einzige Sektor ist, der von Industrie 4.0 profitieren kann. Auch Energieindustrie und Einzelhandel können dank immer kleinerer smarter Geräte und intelligenter Lösungen an der Revolution teilhaben.

    Warum sich der Umstieg auf Industrie 4.0 lohnt

    Trotz des Booms ist nicht jedem klar, welche Vorteile Industrie 4.0 nun konkret bringen soll. Daher wollen wir im Folgenden einige Beispiele anführen, wie die Fertigungsindustrie bisher von der Implementierung von IIoT profitiert:

    • Optimierung der Fertigungslinie: Industrielle IoT-Sensoren ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung der Produktionslinie vom Start bis zum fertigen Produkt. Dadurch können die Bediener den Herstellungsprozess kontinuierlich feinabstimmen und so Zeit und Geld sparen.
    • Bestands- und Lieferkettenmanagement: Die Herstellung steht und fällt mit der Lieferung von Rohstoffen und Komponenten. RFID-Etiketten (Radio Frequency Identification) und ähnliche Funktechnologien ermöglichen die Verfolgung von Komponenten und Lieferungen in Echtzeit von Ort zu Ort, was eine Überwachung des Bestands und der Ausgleichsmaßnahmen erheblich vereinfacht.
    • Bewertung der Verpackung: Industrielle IoT-Sensoren ermöglichen es Herstellern, den Zustand der Verpackung während des Transports und der Lagerung zu überwachen und sogar zu beurteilen, wie Kunden typischerweise mit ihr interagieren. Die übermittelten Daten sind äußerst wertvoll, denn sie ermöglichen Verbesserungen beim Design.
    • Fertigungsdaten in Echtzeit: Durch die Übermittlung von Betriebsdaten können Lieferanten die Fabrikeinheiten bequem und jederzeit aus der Ferne verwalten.
    • Wartungsdaten: Smarte Geräte und Sensoren können Warnmeldungen ausgeben, sobald ein Fehler auftritt und Wartungsarbeiten erforderlich sind. Auf dieselbe Weise können Betriebsstörungen oder das Überschreiten von Grenzwerten wie zu hohe Betriebstemperaturen oder übermäßige Vibrationen übermittelt werden. Auf diese Weise kann die Wartung im Voraus geplant, Ausfallzeiten können minimiert und das Unfallrisiko erheblich verringert werden. In Kombination mit Gesundheits- und Sicherheitsaufzeichnungen können solche Sensordaten sogar noch mehr zur Sicherheit beitragen.
    • Qualitätskontrolle: Kombiniert man IIoT-Daten aus verschiedenen Quellen, einschließlich Lieferanten, Herstellungsverfahren und Endnutzern, ergibt dies ein umfassenderes Gesamtbild, anhand dessen allgemeine Verbesserungen von Produktions- und Lieferprozessen bis hin zum optimierten Nutzererlebnis umgesetzt werden können.

    Vor welchen Herausforderungen steht Industrie 4.0?

    Industrie 4.0 ist im Grunde ein Zusammenspiel mehrerer Netzwerktechnologien. Die drei größten Herausforderungen lassen sich daher wie folgt zusammenfassen:

    • Die Auswahl signalstarker Netzwerke, sowohl drahtlos als auch verkabelt
    • Annahme von standardisierten Protokollen, z.B. OPC UA
    • Wachsamkeit in Bezug auf die Netzwerksicherheit, um jegliche Cyber-Bedrohungen abzuwehren

    Die technologischen Anforderungen wie Beschaffung der Geräte sind somit das geringste Problem bei der Umstellung, hingegen besteht ein hoher Bedarf an unterbrechungsfreier Konnektivität. Darüber hinaus ist ein Verständnis für IT-Sicherheit und Datenspeicherung bei der Implementierung von IoT in den industriellen betrieb essenziel, um eine reibungslose und effiziente Umsetzung zu gewährleisten.

    Welche Risiken bringt das industrielle Internet der Dinge mit sich?

    Wie bei allen anderen digitalen Lösungen ist auch beim IIoT die Cybersicherheit von entscheidender Bedeutung, doch mit den entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen wie der Schulung von Mitarbeitern und Verschlüsselung von Datenübertragungen können diese Risiken minimiert werden.

    Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, mit den neuesten Technologien und Aktualisierungen auf dem Laufenden zu bleiben. So können Sie sicher sein, dass Sie stets mit den Neuentwicklungen bezüglich Industrie 4.0 mithalten und die größten Vorteile aus diesen ziehen.

    IIoT-Netzwerke und -Protokolle

    Wie jede andere Informationstechnologie verwendet das industrielle IoT eine Vielzahl von Protokollen (Datenkommunikationsformate) und Netzwerktypen. Daher ist es wichtig, sich über jedes einzelne Protokoll Klarheit zu verschaffen, wenn Sie planen, eine IIoT-Infrastruktur für Ihre Produktionsstätten zu schaffen.

    IIoT-Netzwerke: so wählen Sie die richtige Hardware!

    Internetfähige Geräte nutzen jeweils unterschiedliche Technologien für Netzwerke. Welche davon die beste Lösung bietet, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie z.B. welche Distanzen überbrückt werden müssen, die Menge der zu übertragenen Daten, dem Einsatzort sowie Stromverbrauch.

    Zur Liste der für Industrie 4.0 und IoT geeigneten Netzwerke kommen ständig neue hinzu. Die derzeit wichtigsten haben wir für Sie zusammengetragen:

    Wireless access point

    WLAN

    Sowohl in Privathaushalten als auch im Industriesektor gilt WLAN als gängiger Funkübertragungsstandard für PCs, Smartphones, Tablets und mehr. WLAN-Netzwerke sind via Router in Netzwerke eingebunden, ähnlich kabelgebundenen Ethernet-Netzwerken. Die meisten Geräte nutzen den Standard 802.11, der vom IEEE Verband (Institute of Electrical and Electronic Engineers) festgelegt wurde, auch bekannt als Wi-Fi.

    Bluetooth Dongle

    Bluetooth

    Bluetooth ist ein von der Bluetooth Special Interest Group, einer Interessengemeinschaft von mehr als 34.000 Unternehmen, entwickelter und ebenfalls im Endverbraucherbereich weit verbreiteter Verbindungsstandard. Er basiert auf Ultrahochfrequenz-Funkwellen (zwischen 2,402 GHz und 2,480 GHz) mit relativ kurzer Reichweite. Der Vorteil ist die äußerst störungsfreie Funkübertragung. Sie eignet sich daher für eine Reihe von verschiedenen Anwendungen.

    Zigbee 3.0

    Zigbee

    Zigbee eines der führenden Protokolle zur Verbindung von Smart-Geräten. Dabei handelt es sich um ein Netzwerk mit geringerem Stromverbrauch, das vor allem in der Industrie weit verbreitet ist. Es ist verwandt mit dem Protokoll Dotdot, welches vom gleichen Team entwickelt wurde, und nutzt den IEEE 802.15.4 Standard, welcher unter idealen Bedingungen eine Übertragungsreichweite von bis zu 300 Metern hat. In Gebäuden erreicht er immer noch beachtliche 75 bis 100 Meter. Die derzeit aktuelle Version 3.0 bietet 128-Bit-Verschlüsselung für sichere Datenübertragung.

    LoRaWAN

    LoRaWAN

    LoRaWAN ist die Abkürzung für Long Range Wide Area Network, einem äußerst energieeffizienten MAC-Protokoll mit einer Übertragungsreichweite bis zu zehn Kilometern. Es bietet sichere Zweiwege-Verbindungen über sehr große Netzwerke und kann auch auf digitale Funkübertragung mittels FSK-Modulation angewandt werden.

    Sigfox

    Sigfox

    Das französische Telekommunikationsunternehmen Sigfox nutzt extrem stromsparende Technologie für ein flächendeckendes Netzwerk, ähnlich dem Low Power Wide Area Network (LPWAN). Auf diese Weise können kleine Smart-Geräte im Dauerbetrieb, z.B. Stromzähler und Smart-Watches, auf besonders effiziente Weise Daten austauschen. Der Stromverbrauch liegt gegenüber anderen Funktechnologien bei nur einem Tausendstel.

    IIoT-Daten-Protokolle

    IIoT-Daten-Protokolle

    • MQTT (Message Queue Telemetry Transport) ist ein offenes Nachrichtenprotokoll mit geringem Stromverbrauch, das zur Übertragung einfacher Datensätze zwischen Sensoren und Anwendungen verwendet wird. Es basiert auf dem gängigen Netzwerkprotokoll TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).
    • AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) ist ein international anerkannter Open-Source-Standard für die Übertragung von Nachrichten zwischen Geräten.
    • OPC UA (OPC Unified Architecture) ist ein offenes M2M-Kommunikationsprotokoll, das den plattformübergreifende gemeinsame Datenaustausch in der industriellen Automatisierung mit der robusten Interoperabilität von Systemen vereint.

    Häufig gestellte Fragen

    Kann das IIoT MES ersetzen?

    MES (Manufacturing Execution System) ist ein etabliertes hardwarebasiertes Steuerungssystem für komplexe Fertigungsprozesse, das in der Regel zur Sicherung der Effizienz und zur Verbesserung der Produktivität eingesetzt wird. Dabei handelt es sich um ein geschlossenes System. Somit verfügt es nicht über die für Industrie 4.0 wichtigen Cloud-basierten Analyse- und externe Netzwerkfunktionen. Eine Erweiterung des traditionellen MES durch solche ist also durchaus sinnvoll, ein kompletter Austausch durch IIoT-Infrastruktur lohnt sich allerdings allein aus wirtschaftlichen Gründen kaum.

    Welchen Vorteil bringt das Industrielle Internet der Dinge für Ingenieure?

    Das IIoT ermöglicht das Sammeln und Auswerten einer großen Menge von Daten, die in mehreren Phasen des Herstellungsprozesses gesammelt werden können. Auf diese Weise können die kontinuierliche Optimierung und Verbesserung von Systemen vorangetrieben werden.

    Wie funktioniert das IIoT?

    Ein IIoT-Netzwerk besteht aus mehreren Sensoren, die über verschiedene drahtlose Protokolle verbunden sind, um Daten mit der Cloud und untereinander auszutauschen. Die Grundstruktur eines IIoT-Netzwerks ist wie folgt:

    • Mit Sensoren ausgestattete Geräte und Hardware, die jeweils mit dem lokalen Netzwerk verbunden sind,
    • Das lokale Netzwerk selbst, welches wiederum mit dem Internet und Cloud-Services verbunden ist,
    • Server mit Cloud-Verbindung, die relevante Daten wie z.B. Betriebstemperaturen, mechanische Störungen und Stromverbrauch verarbeiten. Solche kleineren Datenmengen verdichten sich im Laufe der Zeit zu Big Data, welche analysiert werden kann, um tiefere Einblicke in Ihre Betriebsabläufe zu erhalten.

    Was ist der Unterschied zwischen Industrie 4.0 und Lean Manufacturing?

    Lean Manufacturing (zu Deutsch: Schlanke Produktion) ist eine Methode zur Produktionsorganisation, die darauf abzielt Verschwendung zu minimieren und Produktivität zu maximieren. Die Grundsätze reichen bis ins 18. Jahrhundert zurück und wurden Anfang der 1990erjahre im Zuge einer MIT-Studie zur japanischen Automobilindustrie formuliert. Industrie 4.0 kann Lean Manufacturing unterstützen, ist für diese jedoch nicht zwingend notwendig.

    Wie viel kostet die Implementierung einer Industrie 4.0-Lösung?

    Die Kosten hängen wie Größe und Art der Fertigungsprozesse, die Sie optimieren möchten. Daher gibt es keine definitive Antwort auf diese Frage.

    Beginnen Sie jetzt Ihre IIoT-Reise!

    Sind Sie bereit für Industrie 4.0? Falls ja, dann erkunden Sie die unten aufgeführten Produktbereiche und starten Sie Ihre industrielle technologische Revolution!

    Im Video: Das industrielle Internet der Dinge

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