Industrie 4.0 in der Prozessindustrie Vier Beispiele, wie es Industrie 4.0 von der Vision in die Praxis schafft

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Sabine Mühlenkamp / Dr. Jörg Kempf

Industrie 4.0: viele Schlagwörter, viele Mitredner, viele Konzepte – dies ist die Vorstellung vieler, wenn es um das derzeitige Lieblingswort der Medien geht. Dabei gibt es längst praktische Beispiele, wie ein Blick in vier verschiedene Branchen zeigt. Der Beitrag betrachtet die Ist-Situation, zeigt mögliche Anwendungen auf, beleuchtet aber auch die Hindernisse.

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Was ist eigentlich mit Industrie 4.0 alles möglich? Beispiele aus prozessnahen Branchen liefern Denkanstöße.
Was ist eigentlich mit Industrie 4.0 alles möglich? Beispiele aus prozessnahen Branchen liefern Denkanstöße.
(Bild: © Sergiy Serdyuk - Fotolia)

Ganz klar: Bei Industrie 4.0 sollen Sensoren, Aktoren, Maschinen und Werkstücke, Roboter und Anlagen so miteinander kommunizieren, dass die Produktion flexibler und effizienter wird. Aufgaben, die heute noch zentral über ein Leitsystem verarbeitet werden, können in Zukunft von Sensoren, Aktoren, Maschinen und anderen Komponenten übernommen werden. Diese sollten sich so vernetzen, dass zumindest ein Teil der Aufgaben (etwa Wartungen oder eine Umstellung auf einen Produktwechsel) von diesen selbst gesteuert werden kann.

Der Unterschied zu bisherigen Systemen ist zum einen ihre stärkere Vernetzung (Daten werden zukünftig auch unternehmens- und standortübergreifend ausgetauscht werden). Zum anderen wird die Geschwindigkeit zunehmen, in der die einzelnen Teilnehmer ihre Daten und Informationen austauschen. Das Ziel ist es, in Echtzeit zu kommunizieren.

Vernetzung ist das Stichwort der Stunde. Dabei beginnt diese zunächst in den Köpfen der Menschen. Neben Technologien, ungelösten Fragen zur IT-Sicherheit, Schnittstellenproblemen und Standardisierungsproblemen muss zunächst eine Vorstellung davon existieren, was eigentlich mit Industrie 4.0 möglich ist. Beispiele aus prozessnahen Branchen liefern Denkanstöße.

Industrie 4.0 aus Sicht der Prozessindustrie

Ist-Situation: In der chemischen Industrie wird das Thema Industrie 4.0 rege diskutiert, jedoch vor allem als Ideentreiber gesehen, um z.B. neue Märkte zu bedienen. Stichworte sind Modularisierung und Flexibilisierung der Produktion sowie eine durchgehende sensorische Überwachung der Produktion und Echtzeit-Optimierung. Aus verfahrenstechnischer Sicht wurden bereits interessante Konzepte erarbeitet, die Namur hat das Thema aus Sicht der Automatisierung aufgegriffen.

Mögliche Anwendungen: Um etwa die immer volatileren Märkte, etwa bei der Produktion von Elektronikchemikalien zu beherrschen, ist eine flexible Produktion nötig. Ein erster Ansatz ist die modulbasierte Produktion, bei der eine Kapazitätserhöhung der Anlagen nicht mehr durch den Bau kompletter, großer Anlagen (Scale-up) verfolgt wird, sondern durch viele parallel arbeitende Prozessanlagen. Erste konkrete Beispiele gibt es bei Invite oder Evonik (Evotrainer). Daneben gibt es Ideen, die in Richtung selbstlernende Feldgeräte gehen. Die Idee ist, dass Feldgeräte aus den Fehlern anderer Feldgeräte lernen. Ein Feldgerät meldet z.B. einen Fehler, um diesen zeitnah an allen Geräten des gleichen Typs automatisch zu beheben. Oder es werden Informationen aus der aktuellen Betriebsumgebung des Feldgeräts, etwa Druck und Temperatur, mithilfe von intelligenten Modellen auf einer übergeordneten Ebene in einen neuen Zusammenhang gestellt.

Hindernisse: Modulare Konzepte erfordern nicht nur neue verfahrenstechnische Strukturen, sondern auch neue Automatisierungskonzepte. Für letztere gibt es bereits die Namur-Empfehlung NE 148. Dennoch sind noch viele Fragen ungeklärt, etwa wie explosionsgeschützte Komponenten so miniaturisiert werden können, dass sie in einer Modulanlage Platz finden. Aber auch allgemeine Fragen bezüglich IT-Sicherheit sind für Anwender in der Prozessindustrie wichtig.

Tipp: Lesen Sie ein Statement von Michael Ziesemer, Präsident des ZVEI und CEO bei Endress+Hauser, zu den Chancen von Industrie 4.0, anlässlich der Profibus International-Konferenz 2015:

Die Praxisbeispiele Lebensmittelindustrie und Kunststoff verarbeitende Industrie beleuchten wir auf der nächsten Seite

Industrie 4.0 aus Sicht der Lebensmittelindustrie

Ist-Situation: Die Digitalisierung hat bereits im vergangenen Jahrzehnt einen umfassenden Wandel in der Automatisierung der Branche vorangetrieben. Chargenrückverfolgung, automatisierte Hygienemaßnahmen, individuelle Verpackungsaufgaben oder die Kontrolle der Prozessparameter sind sicher nur einige Beispiele. Robotik und Automation übernehmen hier Schlüsselrollen.

Mögliche Anwendungen: Ein Beispiel für Umsetzungen von Industrie 4.0 ist die häufig beschworene Losgröße 1. Obwohl in der Branche im Chargenmaßstab gedacht wird, bringt die Entwicklung von 3D-Druckern durchaus Bewegung. So tüftelt der italienische Nahrungsmittelhersteller Barilla Medienberichten zufolge an Teigpatronen, mit denen Restaurants individuelle Pasta für ihre Gäste produzieren können – frisch gedruckt, statt frisch gekocht. Und im Rahmen des EU-Forschungsverbundprojekts Performance wird das an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf mitentwickelte Smoothfood-Konzept für Menschen mit Schluckbeschwerden (hierbei werden pürierte Lebensmittel optisch ansprechend hergestellt) weiter vorangetrieben. So sollen auf einzelne Personen zugeschnittene Gerichte industriell hergestellt und an Alten- und Pflegeheime sowie pflegende Angehörige ausgeliefert werden. Diese lassen sich ggf. mit personalisierten Medikamenten und Zusatzstoffen anreichern. Auch hier spielt der 3D-Drucker eine große Rolle. Um dem Trend zu personalisierten Produkten zu begegnen, sind flexible und wandelbare Fertigungsanlagen nötig. Viele Unternehmen arbeiten daher an einer engen Vernetzung zwischen Automatisierung, Robotik und Netzwerklösungen, die z.B. Module für die Rückverfolgung beinhalten.

Hindernisse: Sicherheitsaspekte (Safety und Security) müssen schon beim Design intelligenter Produktionsanlagen berücksichtigt werden. Gleichzeitig werden neue Entwicklungen in der Sensortechnik, insbesondere in der Inline-Analytik, erwartet.

Industrie 4.0 aus Sicht der Kunststoff verarbeitenden Industrie

Ist-Situation: Der Gesamtverband Kunststoffverarbeitende Industrie GKV beschäftigt sich erst seit dem vergangenen Jahr mit dem Thema. Die wenigsten Firmen der mittelständisch geprägten Branche konnten bisher mit dem Begriff Industrie 4.0 etwas anfangen bzw. reagierten skeptisch. Allerdings ist das Interesse gewachsen, so gibt es Überlegungen seitens des Verbands, eine Studie anzustoßen, in der Ideen, Konzepte und deren Machbarkeit gesammelt werden.

Mögliche Anwendungen: Eine sich selbstorganisierende kunststoffverarbeitende Maschine ist bislang noch nicht vorstellbar. Einzelne Ideen aus Industrie 4.0 finden dennoch Aufmerksamkeit. So können sich einige Unternehmen sehr wohl Big Data- und Cloud-Anwendungen vorstellen, vorausgesetzt die Fragen der IT-Sicherheit sind geklärt. Das Interesse an der Herstellung von kundenindividuellen Produkten wächst vor allem im Consumer-Bereich, aber auch in der Automobilindustrie.

Auch die Datenvernetzung zwischen Maschinen und Anlagen sowie zwischen Herstellern und Kunden, insbesondere bei Zulieferern für die Automobilindustrie, wird zunehmen.

Hindernisse: Neben Fragen der IT-Sicherheit müssen erst einmal die Technologien weiter entwickelt werden. So benötigt man z.B. für individualisierte Produkte die Technik des 3D-Druckers. Hier gibt es vielversprechende Ansätze, die jedoch meist fürs Prototyping eingesetzt werden. Für eine Serienfertigung ist diese Technologie bisher nicht geeignet. Es ist aber nicht auszuschließen, dass sich die Situation in ein paar Jahren ganz anders darstellt.

Auf der nächsten Seite finden Sie das vierte Beispiel: Verpackungsmaschinenbau

Industrie 4.0 aus Sicht des Verpackungsmaschinenbaus

Ist-Situation: Hier gibt es seit geraumer Zeit einen Trend zu frei parametrierbaren, modular aufgebauten Maschinen, wie es in Industrie-4.0-Konzepten gefordert wird. So sind konfigurierbare Anlagenkonzepte bereits technisch umsetzbar. Auch lassen sich Verpackungsmaschinen vernetzen und z.B. Dienstleistungen zur Wartungsunterstützung realisieren. Existierende Angebote werden allerdings bisher vom Markt kaum angenommen.

Mögliche Anwendungen: Die Branche hat naturgemäß einen engen Bezug zur Logistik, weshalb u.a. ein Forschungsprojekt aufgesetzt wurde, bei dem die starre Verkettung von Verpackungslinien aufgelockert wird, um eine höhere Variantenvielfalt bei der Sortimentsverpackung zu erreichen. Dafür werden Verpackungsmodule mit flexiblen mobilen Speichermodulen verkettet. Generische Verpackungsmaschinen im Sinn einer bzgl. Software- und mechanischen Schnittstellen offenen Maschine, die von Dritten mit Funktionsmodulen ergänzt werden, eignen sich eher für Standardoperationen, für Spezialverpackungsmaschinen scheint dies derzeit technisch nicht realisierbar.

Hindernisse: Industrie 4.0 in der Konsumgüterindustrie benötigt eine neue Infrastruktur zur unternehmensübergreifenden Koordination produktions- und distributionslogistischer Prozesse. Eine solche Infrastruktur ist derzeit im Bereich „fast moving consumer products“ – unabhängig von technischen Unwägbarkeiten – nicht in Sicht.

Dennoch wollen große Konzerne ihre Produktionskapazitäten besser auslasten, indem sie die Produktionen auf mehrere Standorte verteilen. Eine solche Produktionssteuerung soll den Umgang mit volatilen Märkten und den steigenden Anteil an Aktions- und Saisonware mit kleineren Losgrößen erleichtern.

* Die Autorin ist freie Mitarbeiterin bei PROCESS.

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