Digital Production & Engineering: Glossar

Wie das ZD.B und andere die Begriffe verstehen:

Cyber Physical Systems

Aufgrund fehlender Schwerpunktsetzungen ist eine allgemein anerkannte Definition bislang nicht möglich gewesen. Eine Forschungsagenda von 2014 Kennzeichnet „Cyber Physical Systems (CPS) […] durch eine Verknüpfung von realen (physischen) Objekten und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze“ (1). Das englische Wort „physical“ deutet aber daraufhin, dass mit dem Begriff in erster Nährung um die physische, analoge Welt geht. In den allerneuesten Beschreibungen wird das analog/digital unspezifische englische Wort „Asset“ gebraucht (4) Im Rahmen aktueller Diskussionen wurden diese charakteristischen Eigenschaften insoweit erweitert, als dass sie „eine wesentlich höhere lokale Intelligenz und Fähigkeit zur Adaption an geänderte Umgebungsbedingungen und Anforderungen aufweisen“. Diese Umgebungsbedingungen umfassen das Überschreiten von System, Organisations- und Domänengrenzen – auch mittels Mensch-Maschine-Schnittstellen, welche für die Interaktion zwischen physischer und digitaler Welt von elementarer Bedeutung ist (2) -, sodass ihre heterogene Zusammensetzung und Struktur während der Betriebszeit dynamisch geändert werden kann, um hochgradig modellbasierte Engineering-Prozesse zu unterstützen. Nicht zuletzt dadurch werden sie immer im Zusammenhang mit den „eingebetteten Systemen“ genannt, da auch CPS durch ein solches System kontrolliert wird. Im weiteren Verlauf wurden CPS 2015 als Smarte Systeme eingestuft, „die sich typischerweise aus autonomen ‚embedded systems‘ mit Hardware- und Softwarekomponenten zusammensetzen“. Auch wurde der Aspekt der höheren lokalen Intelligenz auf eine eigene Intelligenz erweitert (3). Das Potenzial von Cyber Physical Systems liegt hierbei allerdings weniger auf der reinen Digitalisierung, sondern vielmehr in ihrer Eigenschaft als „ständige plattformbasierte Vernetzung integrierter Sensoren und Aktoren durch lokale oder globale Netzwerke mit anderen CPS“, sodass es praktisch ein „System of Systems“ darstellt. Eine besondere Form des CPS ist die des CPPS, welches die Beschreibung eines Produktionssystems beschreibt.

(1) VDE, 2013: Cyber-Physical-Systems. Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation, Düsseldorf. (2) WGP, s.a.: WGP-Standpunkt Industrie 4.0, Darmstadt. (3) Njah, Amin, Funk, Klaus, Schölly, Reto et al., 2015: Chancen für die Mikrosystemtechnik in der Welt der Cyber Physical Systems, s.l. (4) Birgit Boss, Bosch GmbH und Plattform Industrie 4.0; AK Industrie 4.0 – Interoperabilität des BITKOM, Juni 2019

Digitale Transformation der Industrie

Unter dem o.g. Begriff versteht die Plattform die Summe der die Industrie betreffenden gegenseitig bedingenden Veränderungen in technischer und gesellschaftlicher Hinsicht durch die Digitalisierung. Einflussgrößen sind die aus den immer volatileren Märkten, die der technologischen Neuerungen und die der Menschen. Zu den Folgen gehören weit mehr Kollaboration mit Menschen und Assistenzsystemen sowie die der professionellen Zusammenarbeit wie z.B. der Agilität und der temporär zusammengesetzten teilautonomen Gruppen, der Führung und die Änderungen in den Organisationen. Weiche Faktoren treten verstärkt in Stellenbeschreibungen auf, System-Coaches und Architects werden händeringend gesucht, Leitwölfe treten aufgrund der überbordenden Komplexität eher zurück. Im Wandel sich befindende Mitarbeiter werden mehr Zeit zur Weitebildung brauchen als je zuvor.

Digitaler Schatten

Das ZD.B versteht den Digitalen Schatten als einen Digitalen Zwilling Light. Nach WPG (1) ist der Digitale Schatten im Handlungsfeld von Industrie 4.0 ein „hinreichen genaues“ Abbild der Prozesse in der Produktion, der Entwicklung und der angrenzenden Bereiche, also auch der physischen Produkte“. Der Zweck ist eine „echtzeitfähige Auswertebasis aller relevanter Daten zu haben, inklusive der Datenformate, Datenauswahl und Granularität“. Es beinhaltet somit keine Algorithmen und lässt offen, ob zum System externe Daten einbezogen werden. Der Begriff des Schattens ist somit im Wesen und Namen der IT ähnlich, welche als Digitaler Schatten die Gesamtheit der Daten bezeichnet. Unserer Meinung nach gehört die programmierte Funktionalität (as designed) mit zum Digitalen Schatten. In der klassischen „analogen“ Welt entspricht somit der Digitale Schatten einer Produkt- oder Prozesscharakterisierung. Der unmittelbare Nutzen des Digitalen Schattens ist eine bessere Transparenz des gesamten Parametersatzes, was zu einer einfacheren diagnostische oder auch vorausschauenden Analyse von Abweichungen (Störungen wie auch Produktänderungen) führt, solange diese theoretisch oder aus der Historie heraus bekannt ist. Auch können Anpassungen und Konfigurierungsarbeiten vor Auslieferung von Kundenanlagen vorgenommen werden, was zeitaufwändige und teure Feldinstallationen und Qualifizierungen drastisch reduzieren kann. Erst der Digitale Zwilling erweitert den Schatten zu einem „lebenden“ Pendent des cyberphysischen Systems, welches Störungen und gewollte, d.h. auch nicht vorhergesehene Veränderungen realitätstreu in der virtuellen Welt widergibt. (1) Wissenschaftliche Gesellschaft der Produktionstechnik: Standpunkt Industrie 4.0, Juni 2016

Digitaler Zwilling (Digital Twin)

Der „Digitale Zwilling“ ist das digitale, virtuelle Modell eines physischen Systems, beispielsweise eines Produkts, einer Anlage oder ganzen Fabrik oder auch eines Produktionsservices und spiegelt in Echtzeit dessen Status und dessen Eigenschaften wider. Dabei integriert der Digitale Zwilling Echtzeit-Daten Relevantes aus der Maschine mit hinterlegten Spezifikationen und Funktionalitäten sowie mit Informationen aus angeschlossenen Informationssystemen und manuell eingespeisten Daten. Dies erlaubt es nicht nur das System zu monitoren, sondern auch in Echtzeit verschiedene Szenarien zu simulieren, den Betrieb / die Nutzung zu optimieren und gut informierte strategische Entscheidungen zu treffen. Insbesondere sind Störungen, also Abweichungen vom normalen Zustand funktional simulierbar. Auf der Zeitschiene entsteht der Digitale Zwilling mit der Produktidee, typischerweise in F&E und besteht über den gesamten Produktlebenszyklus des Systems bis zu dessen Umwidmung, der Wiederaufarbeitung und der Entsorgung.

Industrie 4.0

Es existieren viele standpunktbezogene Definitionen von Industrie 4.0! Die Begriffe Industrie 4.0, Digitale Produktion bzw Smart Production, Digital bzw Smart Factory, 4. Industrielle Revolution werden oft als Synonyme verstanden. Die bundesdeutsche Plattform Industrie 4.0 veröffentlichte die folgenden Eckpunkte (1): Industrie 4.0 bezeichnet die intelligente Vernetzung von Maschinen und Abläufen in der Industrie mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechnologie. Für Unternehmen gibt es viele Möglichkeiten, intelligente Vernetzung zu nutzen. Zu den Möglichkeiten zählen beispielsweise:

Flexible Produktion: In der Herstellung eines Produkts sind viele Unternehmen involviert, die Schritt für Schritt bei der Entstehung eines Produkts beitragen. Digital vernetzt können diese Schritte besser abgestimmt und die Auslastung der Maschinen besser geplant werden.
Wandelbare Fabrik: Produktionsstraßen sind in Zukunft in Modulen aufgebaut. Sie lassen sich schnell für eine Aufgabe zusammenbauen. Produktivität und Wirtschaftlichkeit werden verbessert, individualisierte Produkte können in kleiner Stückzahl zu bezahlbaren Preisen hergestellt werden.
Kundenzentrierte Lösungen: Konsument und Produzent rücken näher zusammen. Die Kunden können selbst Produkte nach ihren Wünschen mitgestalten – beispielsweise können Elemente von Turnschuhen selbst designt und auf die individuelle Fußform angepasst werden. Gleichzeitig können smarte Produkte, die schon aufgeliefert und im Einsatz sind, Daten an den Produzenten senden. Mit den Nutzungsdaten kann der Produzent seine Produkte verbessern und dem Kunden neuartige Services bieten.
Optimierte Logistik: Algorithmen berechnen ideale Lieferwege, Maschinen melden selbstständig, wenn sie neues Material benötigen – die smarte Vernetzung ermöglicht einen optimalen Warenfluss.
Einsatz von Daten: Daten zum Ablauf der Produktion und zum Zustand eines Produkts werden zusammengeführt und ausgewertet. Die Datenanalyse gibt Hinweise, wie ein Produkt effizienter hergestellt werden kann. Noch wichtiger: Sie ist die Grundlage für vollkommen neue Geschäftsmodelle und Services. Beispielsweise können Fahrstuhlhersteller ihren Kunden „vorausschauende Wartung“ anbieten: Fahrstühle sind mit Sensoren ausgestattet, die kontinuierlich Daten über ihren Zustand senden. Abnutzung kann erkannt und behoben werden, bevor sie zum Ausfall des Fahrstuhls führt.
Ressourcenschonende Kreislaufwirtschaft: Produkte werden datengestützt über ihren vollständigen Lebenszyklus betrachtet. Schon im Design wird festgelegt, in welcher Form die Materialien wiederverwertet werden können

Allen gemeinsam sind die übergeordneten Zielsetzungen (a) Optimierung (oft auf Produktivität und Kosten bezogen) und (b) Flexibilisierung als unternehmerische Mehrwerte, die mit Industrie 4.0 erreicht werden sollen. Die Koexistenz der Wertschöpfungsketten und des Lebenszyklusgedankens unterstreichen den ganzheitlichen Ansatz und bringen die Nachhaltigkeit mit ins Kalkül. Technischen Charakteristika als Kern des Begriffs sind: (1) Die Vernetzung cyberphysische Systeme im Sinne der Daten und Prozesse (Internet of Things, Internet der Dinge), die (2) Echtzeitfähigkeit, die (3) adaptive, selbstlernenden Mensch-maschine-Schnittstellen, (4) die Fähigkeit der automatisierten Einzel- bzw. Kleinserienfähigkeit und die Netzstruktur von dezentralen Dingen, Informationen und Entscheidungen. Die klassische Automatisierungspyramide wird zunehmen aufgelöst. Über die Produktionstechnik und Organisation in einer Wertschöpfungskette hinausgehenden Eigenschaften bezeichnen viele heute (5) die an den Mehrwerten orientierten digitalen Geschäftsmodellen, (6) die Nutzung der datengetriebenen Analysen bis hin zu vorausschauenden und automatisierten Steuerungen, welche eigene Entscheidungen treffen, und die Einbindung von (7) Cloud- und Dienste-basierte betriebenen Plattformen als Kern der Industrie 4.0. Das Internet der Dinge wird mit dem Internet der Dienste erweitert und mit diesem synchronisiert. Auf den zweiten Blick erkennt man die wandlungsfähigen, hochflexiblen und automatisierbaren Wertschöpfungssysteme als Potenzial der Komplexitätsreduktion. Schon früh haben die Väter die Untrennbarkeit der Produktion vom Engineering betont. Die (8) Durchgängigkeit der Daten aus den digitalen Entwicklungstools sowie die Bedeutung von digitalen Zwillingen als wertevermehrendes, weil entwicklungsbeschleunigendes Simulationstool und somit zumindest ein integraler Teil des Produktes wird, erst in den letzten Jahren allgemein erkannt. Letzteres ist in den Unternehmenswerten, welche durch Wissensarbeit im Vergleich zu klassisch produzierte Produkten entstehen, messbar. Taylersche Trennung von ausführenden Arbeiten und Wissensarbeit (Blue Color Workers / White Color Workers, direkte Kosten / indirekte Kosten) wie auch getaktete Fertigungen werden weitgehend aufgehoben. International gilt Deutschland als Industrie 4.0-Vorreiter. China betont mehr als Deutschland Skalierungseffekte. Die USA betonen die Bedeutung der Software-Dienstleistungen. Quellen: Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik WGP e.V.: WPG Standpunkt Industrie 4.0, Plattform Industrie 4.0 (https://www.plattform-i40.de/PI40/Navigation/DE/Industrie40/WasIndustrie40/was-ist-industrie-40.html; download vom 18.7.2019)

Internet der Dinge / Internet of Things (IoT)

„Unter IoT verstehen wir ein Netzwerk von physischen Geräten, Fahrzeugen, Gebäuden und andere Gegenstände, die dank eingebauter Elektronik, Software, Sensoren und Netzwerkkonnektivität in der Lage sind, Daten zu sammeln und untereinander auszutauschen. Konzepte wie Smart Home, Smart Cities, Smart Mobile basieren letztendlich alle auf dem Internet der Dinge. Je mehr Dinge miteinander verknüpft sind, umso mehr Daten fallen an und umso komplexer werden die Beziehungen der Dinge untereinander und deren Management. Das Internet der Dinge benötigt deshalb die Technologien von Big Data und ist damit auch eine konkrete Anwendung von Big Data; manche Analysten bezeichnen IoT angesichts der Vielzahl der Geräte sogar als <>. Im Umfeld der Produktion spricht man speziell auch vom Industrial Internet. Die Dinge sind dabei Menschen, Maschinen, Steuerungen, Feldgeräte und Sensoren sowie Softwaredienste in der Cloud, die diese Dinge verknüpfen und unterstützen. Ein Industrial-Internet-System unterstützt intelligente Produktionsprozesse mit fortschrittlichster Datenanalysetechnik, um darauf aufbauende Geschäftsprozesse grundlegend zu transformieren. Es basiert auf der Idee eines globalen industriellen Ökosystems aus fortschrittlicher Computer- und Herstellungstechnologie, ausgestattet mit umfangreicher Mess- und Sensortechnik und einer durchgängig verfügbaren Netzwerkkonnektivität. Die Steuerungssysteme sollen untereinander verknüpft werden, um damit flexiblere und schnellere Anpassungen in der laufenden Produktion zu ermöglichen. Externe Daten aus unternehmensweiten oder auch öffentlichen Informationsquellen sollen stärker in die Steuerung der Produktionsprozesse mit einfließen, um damit bessere und kompetentere Entscheidungen treffen zu können.))“

Den der reinen Produktionsausrichtung übergeordneten Plattformcharakter heben auch andere hervor: Die ITU (2) beschreibt„…From the perspective of technical standardization, the IoT can be viewed as a global infrastructure for the information society, enabling advanced services by interconnecting (physical and virtual) things based on existing and evolving interoperable information and communication technologies. Through the exploitation of identification, data capture, processing and communication capabilities, the IoT makes full use of “things” to offer services to all kinds of applications, whilst ensuring that security and privacy requirements are fulfilled. (…) Regarding the IoT, things are objects of the physical world (physical things) or of the information world (virtual things) which are capable of being identified and integrated into communication networks. Things have associated information, which can be static and dynamic. Physical things exist in the physical world and are capable of being sensed, actuated and connected. Examples of physical things include the surrounding environment, industrial robots, goods and electrical equipment. Virtual things exist in the information world and are capable of being stored, processed and accessed. Examples of virtual things include multimedia content and application software“ (3) hebt hervor: „Die Bezeichnung Internet der Dinge wird häufig für verschiedene Konzepte verwendet. Gemeint ist hier jedoch die als „Ubiquitous Computing“ bezeichnete Allgegenwart von Informationsverarbeitung. Sensoren, Prozessoren und Aktoren werden miteinander vernetzt, können Aktionen auslösen und steuern. Damit ausgestattete Alltagsgegenstände sind in der Lage, Umgebungsinformationen aufzunehmen und auf deren Basis zu „handeln“. „The IOT is “the network of the connection of things” connecting objects to the internet according to agreed protocol through radio frequency identification technology, sensors, quick response code and other information-sensing devices to achieve communication and dialogue among objects and things“ (4). Statt des Ausdrucks „Internet der Dinge“ verwendet (5) auch das „Internet of Everything“, welches bewusst auch die Dienste mit einbezieht. Er beschreibt aber auch die 2014 noch sehr hardware-dominierte Systemwelt: „…Grundlage der nächsten Innovationswelle ist das Internet der Dinge, Daten und Dienste, ein „Internet of Everything“, in den Subjekten und Objekte gleichermaßen in Echtzeit kommunizieren können. (…). Ausgangspunkt der Entwicklung sind eingebettete Systeme, hochleistungsfähige Kleinst-Computer, die aufgrund der (…) exponentiellen Entwicklung der Leistungsparameter in der IT milliardenfach in alle möglichen Gegenstände integriert werden können und die mit der Durchsetzung der RFID-Technologie zur Basistechnologie wurden. Gleichzeitig werden diese eingebetteten Systeme mit Sensoren und Aktuatoren ausgestattet. Solche Systeme können eine Vielzahl an Daten aus ihrem Umfeld erfassen, speichern, verarbeiten und auf dieser Basis zugleich ihre Umgebung beeinflussen. Ihre Entwicklung hinsichtlich Größe und Leistungsfähigkeit unterliegt ähnlichen „Gesetzen“ wie der Computer. Aus Objekten werden so intelligente Objekte (Smart Objects), aus Umgebungen intelligente Umgebungen. Schon heute sind 98 Prozent aller Prozessoren nicht in Computern, sondern in intelligenten Gegenständen und immer höher technisierten Produkten verbaut.“ (5). (1) Hübschle, Klaus (2017): Big Data- Vom Hype zum realen Nutzen in der industriellen Anwendung. In: Schulz, Thomas (Hrsg.) (2017): Industrie 4.0 – Potenziale Erkennen und Umsetzen. Vogel Business Media GmbH & Co. KG, Würzburg. S. 189-215, S. 207ff. (2) International Telecommunication Union (ITU) (2012): Overview of the Internet of things. Unter: https://www.itu.int/ITU-T/recommendations/rec.aspx?rec=y.2060 (letzter Zugriff: 23.07.18). (3) Keller, Marco/ Pütz, Stefan/ Siml, Jan (2012): Internet der Dinge. In: Mehler-Bicher, Anett/ Steiger, Lothar (Hrsg.) (2012): Trends in der IT – 2012. Fachhochschule Mainz, University of Applied Sciences, Mainz. S. 118-122. Unter: https://trends-in-der-it.de/downloads/Buch%20trends%20in%20der%20IT%20Final.pdf#page=118 (letzter Zugriff: 23.07.18) (4) Chang, YaPing/ Dong XueBing/ Sun, Wie (2014): INFLUENCE OF CHARACTERISTICS OF THE INTERNET OF THINGS ON CONSUMER PURCHASE INTENTION. In: SOCIAL BEHAVIOR AND PERSONALITY, 2014 (42). S.321-330. (5) Bauernhansl, Thomas/ ten Hompel, Michael/ Vogel-Heuser, Birgit (2014): Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik – Anwendung, Technologien, Migration. Springer Vieweg, Wiesbaden. S. 604ff

Smart Factory

„Smart Factories sind durch Softwaresysteme vernetzte adaptive Produktionssysteme mit einer Verzahnung der Wertschöpfungsnetzwerke. Der zeitnahen Verteilung und Bereitstellung von Informationen kommt hierbei eine Schlüsselfunktion zu“ (1). „Im Kern geht es bei der Smart Factory darum, Maschinen und Anlagen mit Hilfe von Software so zu vernetzen, dass sie intelligent miteinander kommunizieren und ihre Arbeitsschritte automatisiert aufeinander abstimmen. Diese Vernetzung erfolgt sowohl innerhalb einer Fabrik, aber zukünftig vor allem innerhalb von Produktionsnetzwerken und ganzen Ökosystemen. Diese Netzwerke bestehen in der Regel aus mehreren Werken eines Industrieunternehmens sowie den Produktionsstätten seiner Zulieferer und Dienstleister und zunehmend auch seiner Kunden. Die Smart Factory benötigt eine Reihe von Basistechnologien wie Rechenleistung, Speicherleistung, Breitbandinternet sowie die Cloud zur Entwicklung und Bereitstellung digitaler Lösungen und Plattformen in der Fertigung. Ferner sind vernetzende Schlüsseltechniken wie Cyber Physical Systems, Embedded Systems, M2M, Aktoren und Sensoren und standardisierte Kommunikationsprotokolle notwendig“ (nach (2)). Ähnlich beschreibt es (3) als die „Fabrik, deren Integrationsgrad eine Tiefe erreicht hat, die Selbstorganisationsfunktionen in der Produktion und in allen die Produktion betreffenden Geschäftsprozessen ermöglicht. Das virtuelle Abbild der Fabrik ermöglicht intelligente Entscheidungen. Ziel ist die Steigerung von Effizienz, Effektivität, Flexibilität und/oder Wandlungsfähigkeit“. Basis der Smart Factory sind sogenannte cyber-physische Systeme und die intelligente Vernetzung von Maschinen und Produkten. Das Produkt selbst teilt die für die Fertigung benötigten Informationen der Smart Factory mit. Anhand dieser Informationen erfolgt die Steuerung der einzelnen Produktionsschritte bis zum gewünschten Endergebnis. In vielen Fällen findet eine drahtlose Kommunikation zwischen Produkten und Anlagen statt. Die Kommunikationsgrundlage bildet das Internet of Things (IoT). Die wichtigsten Komponenten und Werkzeuge in einer Smart Factory sind: Eine etwas breitere Definition beschreibt (4): „A Smart Factory is a manufacturing solution that provides such flexible and adaptive production processes that will solve problems arising on a production facility with dynamic and rapidly changing boundary conditions in a world of increasing complexity. This special solution could on the one hand be related to automation, understood as a combination of software, hardware and/or mechanics, which should lead to optimization of manufacturing resulting in reduction of unnecessary labour and waste of resource. On the other hand, it could be seen in a perspective of collaboration between different industrial and nonindustrial partners, where the smartness comes from forming a dynamic organization“ (1) Schulz, Thomas (2017): Industrie 4.0 – Potenziale Erkennen und Umsetzen. Vogel Business Media GmbH & Co. KG, Würzburg. (2) Zillmann, Mario (2016): Smart Factory – Wie die Digitalisierung Fabriken verändert. Transformation von der Werkshalle bis zur Unternehmensleitung. Lünendonk GmbH, Mindelheim. Unter: https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=6&ved=0ahUKEwiWvfPa063cAhWjIpoKHatDBcQFghpMAU&url=https%3A%2F%2Fwww.telekom.com%2Fresource%2Fblob%2F323140%2F53ed1330933baaca2da24915b4b7cfce%2Fdl-160620-whitepaper-smart-factory-data.pdf&usg=AOvVaw0Vn48gAVaI_7AYYwz8PnM1 (letzter Zugriff: 20.07.2018). (3) Fraunhofer IOSB (2018): http://i40.iosb.fraunhofer.de/FA7.21%20Begriffe%20-%20Industrie%204.0#smart-factory (letzter Zugriff: 20.07.2018) (4) Radziwon, Agnieszka/ Bilberg, Arne/ Bogers, Marcel/ Madsen, Erik Skov (2014): The Smart Factory: Exploring Adaptive and Flexible Manufacturing Solutions. In: Procedia Engeneering 69, 2014. S. 1184-1190. Zu finden auch unter: https://www.researchgate.net/profile/Marcel_Bogers/publication/275540142_The_Smart_Factory_Exploring_Adaptive_and_Flexible_Manufacturing_Solutions/links/556d84d308aefcb861d80d7f.pdf (letzter Zugriff: 20.07.2018)