Einführung und Umsetzung von Industrie 4.0 (eBook)

Prof. Dipl.-Kfm. Armin Roth ist Inhaber des Lehrstuhls für Unternehmenssteuerung und Leiter des Forschungsbereichs „Enterprise Performance Management & Business Intelligence“ im Studiengang Wirtschaftsinformatik der Hochschule Reutlingen sowie Senior Partner der Braincourt GmbH, Managementberatung und Informationssysteme in Leinfelden-Echterdingen. Davor war er kfm. Geschäftsführer einer mittelständischen Unternehmensgruppe. Seit über 20 Jahren begleitet und steuert er Unternehmen bei der Einführung von Business- und Finance-Excellence-Lösungen.

Vorwort 5
Inhalt 7
1 Industrie 4.0 – Hype oder Revolution? 9
1 Die fortschreitende Digitalisierung verändert die Unternehmensumwelt 11
2 Industrie 4.0 – Die vierte industrielle Revolution 13
3 Welchen Mehrwert liefert das Konzept für die Unternehmen und die deutsche Wirtschaft? 14
4 Mehrwert und Aufbau dieses Buches 19
5 Fazit 21
6 Literaturhinweise 22
2 Industrie 4.0 – Grundlagen und Gesamtzusammenhang 24
2.1 Industrie 4.0 – Struktur und Historie 24
1 Die vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0) 26
2 Komponenten der Industrie 4.0 29
3 Drei grundlegende Phasen der technologischen Entwicklung von Industrie 4.0 31
3.1 Phase 1: Ubiquitous Computing 31
3.2 Phase 2: Internet der Dinge und Dienste (IoTS) 33
3.3 Phase 3: Cyber-physisches Produktionssystem (CPPS) 36
4 Fazit 38
5 Literaturhinweise 39
2.2 Industrie 4.0 – Fünf zentrale Paradigmen 42
1 Einführung 44
2 Paradigma 1: Vertikale und horizontale Integration 44
3 Paradigma 2: Dezentrale Intelligenz 46
4 Paradigma 3: Dezentrale Steuerung 47
5 Paradigma 4: Durchgängiges digitales Engineering 48
6 Paradigma 5: Cyber-physisches Produktionssystem (CPPS) 49
7 Zusammenspiel der fünf zentralen Industrie 4.0-Paradigmen amBeispiel eines fiktiven Unternehmens 50
8 Fazit 52
9 Literaturhinweise 52
2.3 Industrie 4.0 – Technologische Komponenten 54
1 Datenerhebung und -verarbeitung in der Industrie 4.0 56
1.1 Die Automatisierungspyramide der industriellen Fertigung 56
1.2 Radio Frequency Identification-Chip (RFID-Chip) 58
1.3 Cloud Computing 61
1.4 Big Data-Dienste 63
1.5 Analytics-Dienste 65
2 Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M-Kommunikation) 66
2.1 Maschine-zu-Maschine-Kommunikation in der Industrie 4.0 66
2.2 OLE for process control Unified Architecture (OPC UA) 67
2.3 Überführung von Standards in einheitliche Normen 69
3 Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) 70
3.1 Mensch-Maschine-Interaktion in der Industrie 4.0 70
3.2 Virtual Reality (VR) 71
3.3 Augmented Reality (AR) 74
4 Fazit 76
5 Literaturhinweise 77
2.4 Industrie 4.0-Gesamtkonzept: Zusammenspiel von intelligenten Infrastrukturen, Paradigmen und technologischen Komponenten 80
1 Branchenspezifische Einflüsse von Industrie 4.0 82
1.1 Der Einfluss der Digitalisierung als Querschnittstechnologie 82
1.2 Intelligente Infrastrukturen im Umfeld der Smart Factory 83
1.3 Leitmarkt- und Leitanbieterperspektive 84
2 Abgrenzung zwischen einer segmentierten und integrierten Umsetzung 85
2.1 Grenzen einer segmentierten Umsetzung 85
2.2 Case: Das Zusammenspiel der Industrie 4.0-relevanten Komponenten 86
3 Fazit 88
4 Literaturhinweise 88
3 Industrie 4.0 – Vorgehensmodell für die Einführung 90
3.1 Industrie 4.0-Strategie: So geht man bei der Einführung vor 90
1 Fünf Paradigmen – Indikatoren für Industrie 4.0-Erfahrung 92
2 Das 3C-Modell – Zentrale Komponenten einer Industrie 4.0-Strategie 94
2.1 C1 (Competitor) – Wettbewerber 95
2.2 C2 (Client) – Kunde 97
2.3 C3 (Company) – Unternehmen 99
3 Zusammenführung: Strategische Industrie 4.0-Positionen 100
4 Vorgehen zur Entwicklung einer Industrie 4.0-Einführungsstrategie 102
4.1 Schritt 1: Industrie 4.0-Analyse: Wo steht das Unternehmen? 104
4.2 Schritt 2: Industrie 4.0-Zielbestimmung: Wo will das Unternehmen hin? 108
4.3 Schritt 3: Industrie 4.0-Maßnahmenumsetzung: Wie können die Ziele ganzheitlich operationalisiert werden? 111
5 Fazit 115
6 Literaturhinweise 116
3.2 Industrie 4.0-Anwendungsbeispiel: Entwicklung einer Industrie 4.0-Strategie am Beispiel eines Unternehmens der Lackmittelindustrie 118
1 Vorstellung des Unternehmens „Musterlack GmbH“ 120
2 Aktuelle strategische Ausrichtung nach dem 3C-Modell 121
2.1 C1 (Competitor) – Wettbewerber 121
2.2 C2 (Client) – Kunde 122
2.3 C3 (Company) – Unternehmen 123
3 Erfahrung des Unternehmens mit Industrie 4.0 123
4 Schritt 1: Industrie 4.0-Ist-Analyse: Wo steht das Unternehmen? 124
4.1 Phase 1: Analyse des Anpassungsbedarfs der Geschäftsstrategie 124
4.2 Phase 2: Analyse des Erfahrungsgrads mit Industrie 4.0 (Use Case-Analyse) 130
5 Schritt 2: Industrie 4.0-Zielbestimmung: Wo will das Unternehmen hin? 131
6 Schritt 3: Industrie 4.0-Maßnahmenumsetzung: Wie können die Ziele ganzheitlich operationalisiert werden? 133
6.1 Betrachtungsebene 1: Management von Projekten 133
6.2 Betrachtungsebene 2: Management von Prozessen 136
6.3 Betrachtungsebene 3: Management von (IT)-Technologien 136
6.4 Betrachtungsebene 4: Management von Organisation 137
6.5 Betrachtungsebene 5: Management von Mitarbeitern 138
7 Fazit 139
4 Industrie 4.0 – Use Cases aus Forschung und Unternehmenspraxis 140
4.1 Vernetzung der realen und der virtuellen Welt in der Produktionsplanung 140
1 Einführung 142
2 Motivation 142
3 Inhalt des Projektes 145
3.1 Anforderungen 145
3.2 Innovativer Ansatz 146
3.3 Verfahren 147
4 Anwendung: Konkrete Use Cases aus der Produktionsplanung 150
4.1 Vernetzung der realen Fertigung mit der virtuellen Planung 150
4.2 Vernetzung zwischen OEM und Lieferant 152
5 Fazit und Ausblick 153
5.1 Fazit und Nutzenpotentiale 153
5.2 Ausblick in die Zukunft 155
6 Literaturhinweise 155
4.2 Durchgängiges digitales Engineering und Losgröße 1 in der Getränkeabfüll- und Verpackungsindustrie 158
1 Unternehmenshintergrund 160
2 Motivation zur Einführung von Industrie 4.0 in Unternehmen 160
3 Anwendungsbeispiele: Industrie 4.0 im konkreten Praxiseinsatz 160
3.1 Direct Print-Maschine 161
3.2 Forschungsprojekt CyberSystemConnector – Aktualisierte Dokumentationserstellung 163
4 Fazit: Industrie 4.0 für Unternehmen 167
5 Zukunftsausblick 167
6 Weiterführende Informationen 168
7 Literaturhinweise 168
4.3 MICA – Die modulare Embedded Plattform der Firma HARTING für Industrie 4.0 170
1 Unternehmensvorstellung 172
2 Motivation und Problemstellung 172
3 Lösung und Umsetzung 173
4 Fazit und Nutzen 176
5 Ausblick 177
6 Literaturhinweise 177
4.4 Innovative Konzepte einer sich selbstorganisierenden Fahrzeugmontage am Beispiel des Forschungsprojekts SMART FACE 180
1 Einführung 182
2 Hintergrund und Motivation 183
3 Zielsetzung des Forschungsprojekts 184
4 Vorgehensweise im Forschungsprojekt 186
5 Konzeptbeschreibung 187
5.1 Anforderungsanalyse 187
5.2 Betriebskonzept 189
5.3 Produktionsprogrammplanung 190
5.4 Produktionssteuerung 191
6 Ansätze für die praktische Umsetzung 193
6.1 Minidemonstrator 193
6.2 Maxidemonstratoren 195
7 Ausblick 195
8 Danksagung 196
9 Literaturverzeichnis 196
4.5 viEMA: Schwankenden Stückzahlen in Industrie 4.0 durch flexiblen Wechsel zwischen Handund Automatenmontage begegnen 200
1 Über das FZI Forschungszentrum Informatik und die an viEMA beteiligten Projektpartner 202
2 Motivation 203
3 Problemstellung 204
4 Technische Umsetzung der flexiblen viEMA-Fertigungszelle 205
4.1 Intuitive Programmierung und Wissensrepräsentation 206
4.2 Systemergonomische Analyse des Programmiervorganges und der Eingabemedien 207
4.3 Sensortechnik zur Bauteil-Lokalisierung und Umweltvermessung 208
4.4 Automatische Greifund Bewegungsplanung für wandelbare Greifer 208
4.5 Aufbau der viEMA-Zelle mit passendem Sicherheitskonzept 209
4.6 Netzwerk- und Internetanbindung 211
4.7 Werkserprobung 211
5 Fazit und Nutzenpotentiale 212
6 Ausblick in die Zukunft 214
7 Literaturhinweise 215
4.6 Digitale Transformation: Wie Virtual / Mixed und Augmented Reality unser Arbeitsleben verändern 216
1 Unternehmensvorstellung 218
2 Motivation 218
3 Historie 219
4 Umsetzung 220
4.1 Mixed Reality-Systemlandschaft 220
4.2 Mixed Reality im Prototypenbau und in der Produktion 221
4.3 Mixed Reality in der Designentwicklung für MB Vans 223
4.4 Mobiler Einsatz von Augmented Reality 223
4.5 Einsatz im Vertrieb 224
5 Ausblick 225
6 Literaturhinweise 226
4.7 Pumpen und Armaturen im Umfeld von Industrie 4.0 228
1 Unternehmenshintergrund der KSB AG 230
2 Motivation zur Einführung von Industrie 4.0 230
3 Industrie 4.0 bei KSB 232
3.1 KSB-Sonolyzer 232
3.2 Equipment Management 234
4 Fazit und Nutzenpotentiale 236
5 Zukunftsausblick 237
4.8 Innovation Labs und Aktivitäten der Volkswagen Konzern IT im Zuge der Digitalisierung und Industrie 4.0 238
1 Der Volkswagen Konzern und seine IT 240
2 Die Digitalisierung und ihre Herausforderungen für Unternehmen klassischer Industrien 241
3 Implikationen für die Organisation der Volkswagen Konzern IT 243
3.1 Data:Lab – ein Innovations-Hotspot für Big Data und Digitalisierung 244
3.2 Smart.Production:Lab – Lösungen für die Industrie 4.0 247
3.3 Digital:Lab – Digitales Ökosystem für Mobilitätsservices 249
3.4 Code:Lab – Ein Accelerator am Puls der Zeit des Silicon Valley 250
4 Resümee / Ausblick 250
5 Acknowledgement 251
6 Literaturverzeichnis 251
5 Industrie 4.0 – Ausblick 254
1 Industrie 4.0: Status Quo 256
2 Zentrale Herausforderungen für die Zukunft 258
2.1 Reifegrad der für Industrie 4.0 relevanten Technologien 258
2.2 Risiken beim Einsatz von Industrie 4.0 262
2.3 Weiterentwicklung der Managementinstrumente 264
3 Fazit 265
4 Literaturhinweise 266
Glossar 268
Autorenverzeichnis 275