Industrie 4.0: Von Mensch zu Maschine

Maschinen, die miteinander kommunizieren und selbstständig den Produktionsprozess steuern – ohne, dass der Mensch viel hinzutut. Das verbirgt sich hinter der Industrie 4.0, der vierten industriellen Revolution. Noch steckt die Technologie dafür in den Kinderschuhen. Wissenschaftler der Universität Mannheim forschen mit, um das Zukunftsszenario Realität werden zu lassen.


Im Jahr 1967 kam in Deutschland der erste Farbfernseher auf den Markt – eine Sensation. Noch bis Ende der Neunziger schaute man in die „Röhre“, an der Technologie hatte sich über die Jahrzehnte wenig verändert. Dann folgten in kurzen Abständen der Flachbildschirm mit LED, LCD oder Plasmatechnik, jetzt werden 3D- und Hybridgeräte angeboten, mit denen man auch ins Internet kommt. „Früher hat man eine Produktionsstraße einmal aufgebaut, dann lief sie durch, zehn Jahre und mehr. Die Maschinen machten jeden Tag dasselbe. Durch den häufigen Produktwechsel muss sich heute auch die Anlage ständig verändern“, sagt der Informatiker Dr. Christian Bartelt vom Institut für Enterprise Systems (InES) der Universität Mannheim.

Die Maschinen sollen deshalb lernen, sich untereinander abzustimmen und sich eigenständig umzukonfigurieren, sobald ein neues Produkt hergestellt oder eine Maschine ersetzt werden soll. Dazu benötigt es gegenseitiges „Maschinenverständnis“, von dem man allerdings noch weit entfernt ist. Am InES wird genau daran geforscht: Bartelt entwickelt mit seinem Team sogenannte semantische Schnittstellen, über die die Maschinen miteinander kommunizieren sollen. „Jeder Hersteller bringt seinen Geräten eine andere Sprache bei. Bei großen Produktionsstätten hat man dann das Sprachgewirr von Babylon“, sagt Bartelt. Will eine Maschine zum Beispiel die Temperatur eines Werkstücks wissen, heißt das Kommando bei der einen „get temperature“ bei der anderen „get temp“. „Für eine Maschine sind das zwei Zeichenketten. Solange sie nicht komplett übereinstimmen, kann sie den Bedeutungszusammenhang, der für Menschen offensichtlich ist, nicht verstehen. Mit der neuen Schnittstellentechnologie soll das aber möglich werden.“

Ist die Kommunikation zwischen Maschinen erst einmal geglückt, sollen sie im nächsten Schritt in internetbasierte Netzwerke eingebaut werden. So ließe sich die Produktion von fast überall auf der Welt steuern und optimieren. Hier setzt die Arbeit von Dr. Justus Arne Schwarz am Lehrstuhl für Produktionsmanagement von Prof. Dr. Raik Stolletz an. Im Rahmen des von der EU und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts „Productive 4.0“ forscht er daran, wie Mikrochips in solch einer neuen Welt effizienter hergestellt werden können. Über 100 Unternehmen und wissenschaftliche Institutionen aus 19 Ländern arbeiten in dem Projekt zusammen. Firmen aus Deutschland sind unter anderem Bosch und Infineon.

„Die Chipherstellung muss unter Reinraumbedingungen ablaufen, also staubfrei. Das glückt jedoch nicht immer. Bis zu 30 Prozent der Chips müssen am Ende weggeworfen werden“, sagt Schwarz. Mithilfe der Systemdaten soll der Produktionsprozess so gesteuert werden, dass der Anteil an brauchbaren Chips größer wird. Beispielsweise werde in der Praxis oft mit einem neuen Auftrag begonnen, sobald die erste Maschine frei ist. „Dies ist aber nicht zwangsläufig die beste Entscheidung, weil Maschinenausfälle zu einem Rückstau in der Anlage führen können“, erklärt der Wissenschaftler. „Je länger die Aufträge im System verbringen, umso größer ist die Gefahr der Verunreinigung von Chips.“ In theoretischen Experimenten lässt sich bereits erkennen, dass mehr Daten auch zu besseren Entscheidungen führen. „In welchem Umfang sich Effizienzsteigerungen auch in der Praxis erzielen lassen, ist ein spannender Teil des Forschungsprojekts“, sagt Schwarz.

Dass die Philosophie der Industrie 4.0 die Arbeit in der Produktion nachhaltig verändern wird, ist sich Informatiker Bartelt heute schon sicher. Es werde nicht nur weniger Menschen benötigen, die die Maschinen steuern, weil sie dies selbst tun. „In Zukunft wird die Maschine auch auf den Menschen reagieren. Sie wird ihn beobachten und alles, was Einfluss auf seine Konzentration hat, erkennen. Ist er abgelenkt, befindet er sich in einem emotionalen Ausnahmezustand, ermüdet er? Besonders in sicherheitskritischen Anlagen wird das von Vorteil sein“, erklärt Bartelt. Bis dahin sei es aber noch ein langer Weg. „Vieles, wo heute schon Industrie 4.0 drauf steht, ist keine. Es gibt viele Demonstratoren, aber noch wenig, was in der Industrie auch schon zuverlässig funktioniert, da noch viele Fragen nicht gelöst sind. Daran mitzuforschen, ist eine spannende Aufgabe.“

Zu den Bildern (v. o.): Dr. Christian Bartelt bringt Maschinen bei, sich untereinander zu verständigen und Dr. Justus Arne Schwarz will die Produktion von Mikrochips effizienter machen

Autorin: Nadine Diehl  I   Fotos (v. o.): Andreas Henn, Nadine Diehl  I   September 2017