Vorlesung 1: Industrie 4.0 - Projektmanagement

Definition Industrie:

• Industrie 4.0 entsteht aus Cyber-Physischen-Systemen (CPS), die auf eingebetteten Systemen in einer Kommunikationsinfrastruktur des Internets der Dinge basieren. Diese Systeme bilden die Grundlage für die Verknüpfung der realen und der digitalen Welt zur effizienten, dezentral organisierten und flexiblen Produktion von Erzeugnissen oder Durchführung von Dienstleistungen.

• CPS sind der entscheidende Unterschied zwischen Industrie 4.0 und bisheriger Digitalisierung.

  • CPS können übers Internet kommunizieren, Internetdienste nutzen, ihre Umwelt unmittelbar mit entsprechender Sensorik erfassen, Daten auswerten, speichern und mit Hilfe von Aktoren auf die physikalische Welt einwirken.

Unterschied Industrie 5.0:

• Im Vergleich dazu kann Industrie 5.0 als Weiterentwicklung von Industrie 4.0 betrachtet werden, bei der der Fokus verstärkt auf der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine liegt.

  • Während Industrie 4.0 sich auf die Automatisierung und Vernetzung von Produktionsprozessen konzentriert,

  • betont Industrie 5.0 die Interaktion und Kooperation zwischen Mensch und Maschine, insbesondere in Bereichen, die Kreativität, Flexibilität und komplexe Entscheidungsfindung erfordern.

  • Industrie 4.0 ist mehr Technik zentriert. Industrie 5.0 mehr Mensch zentriert.

Die wichtigsten Merkmale von Industrie 4.0 sind:

1. Vernetzung: Maschinen, Geräte, Sensoren und Menschen sind über das Internet der Dinge (IoT) miteinander verbunden, um eine nahtlose Kommunikation und den Austausch von Daten zu ermöglichen.

2. Informationsdurchlässigkeit: Daten werden gesammelt, analysiert und über verschiedene Phasen des Fertigungsprozesses hinweg geteilt, um Echtzeit-Einblicke für Entscheidungen und Optimierungen zu bieten.

3. Dezentrale Entscheidungsfindung: CPS sind in der Lage, autonome Entscheidungen zu treffen, was adaptive und flexible Produktionsprozesse ermöglicht.

4. Ressourceneffizienz: Durch Optimierung und vorausschauende Wartung mittels Datenanalyse kann der Energie- und Ressourcenverbrauch minimiert werden, was zur größeren Effizienz führt.

5. Anpassungsfähigkeit und Flexibilität: Industrie 4.0 ermöglicht die Produktion hochgradig angepasster Produkte durch flexible und agile Fertigungsprozesse.

6. Verbesserte Produktivität und Qualität: Automatisierung und fortschrittliche Technologien verbessern die Produktivität, die Qualitätskontrolle und die Gesamtleistung der Fertigung.

• Vertikale Integration: Verknüpfung von technischen und kaufmännischen Geschäftsprozessen über Unternehmensgrenzen hinweg unter Einbeziehung der Informations-, Kommunikations-, Steuerungs- und Managementsysteme

  • Beispiel: Ein Produktionsunternehmen integriert seine Lagerverwaltung nahtlos mit seinem ERP-System, um Bestellungen automatisch auszulösen, wenn bestimmte Lagerbestände erreicht werden.

• Horizontale Integration: Vernetzung von Ressourcen entlang der Wertschöpfungskette über eine maschinelle Kommunikation zwischen Lieferanten, Unternehmen und Kunden

  • Beispiel: Ein Automobilhersteller kommuniziert über das Internet der Dinge (IoT) direkt mit Zulieferern, um die Lieferung von Teilen genau dann anzufordern, wenn sie benötigt werden, um die Produktionslinie nicht zu unterbrechen.

• Effizientere Produktion durch erhöhte Produktivität und gezielten Ressourceneinsatz

  • Beispiel: Durch den Einsatz von Predictive Maintenance (vorausschauende Wartung) werden Maschinenausfälle vorausgesagt, wodurch ungeplante Stillstandszeiten reduziert und die Produktivität gesteigert werden.

• Höhere Variantenvielfalt, da die Produktion von Einzelstücken und Kleinstmengen rentabler wird

  • Beispiel: Ein Möbelhersteller kann durch den Einsatz von flexiblen Fertigungslinien individuelle Kundenbestellungen kosteneffizient bearbeiten, ohne auf Massenproduktion angewiesen zu sein.

• Stärkere Kundenorientierung durch individuellere Produkte

  • Beispiel: Ein Bekleidungsunternehmen ermöglicht es Kunden, online Kleidung nach ihren individuellen Maßen und Designvorlieben anzupassen und zu bestellen.

• Der Mitarbeiter soll vom Bediener zum Problemlöser werden und sich so auf kreative Aufgaben konzentrieren, die Expertise, Erfahrungen und Problemlösungskompetenz benötigen

  • Beispiel: Mitarbeiter in einem Fertigungsbetrieb werden durch Schulungen und den Einsatz von KI-gestützten Assistenzsystemen dazu befähigt, komplexe Probleme zu lösen und Verbesserungsvorschläge für die Produktion zu entwickeln.

• Änderung der Mensch-Maschine-Interaktion zur Unterstützung der Mitarbeiter

  • Beispiel: Roboter in einem Produktionsumfeld sind so programmiert, dass sie nicht nur repetitive Aufgaben ausführen, sondern auch mit menschlichen Arbeitern interagieren und von ihnen lernen können.

• Assistenzsysteme unterstützen die Mitarbeiter bei ihrer Tätigkeit und können digitale Lerntechnologie in den Arbeitsplatz integrieren

  • Beispiel: Ein Fertigungsunternehmen nutzt AR-Brillen, um Mitarbeitern während der Montageanweisungen anzuzeigen und sie bei der Fehlerbehebung zu unterstützen.

• Schwere Arbeit wird automatisiert, sodass auch ältere Arbeitnehmer länger ihrer Tätigkeit nachgehen können (Fokus auf Erfahrung und Problemlösungskompetenz)

  • Beispiel: In einem Logistikunternehmen werden Roboter eingesetzt, um schwere Lasten zu heben, wodurch ältere Arbeitnehmer entlastet werden und weiterhin wertvolle Erfahrungen einbringen können.

• Datenerfassung und -verarbeitung → Sensoren in einer Fertigungslinie erfassen kontinuierlich Temperatur, Druck und Feuchtigkeit, um die Produktionsbedingungen zu überwachen und anzupassen.

• Assistenzsysteme → Ein Roboterarm in einem Montageprozess wird durch eine kollaborative Robotersteuerung unterstützt, die menschliche Bewegungen erfasst und den Roboter synchronisiert.

• Vernetzung und Integration → Eine intelligente Fabrik verbindet Produktionsmaschinen, Logistiksysteme und Lieferanten in Echtzeit, um Materialnachschub und Produktionsplanung zu optimieren.

• Dezentralisierung und Serviceorientierung → Eine Produktionsanlage ist modular aufgebaut, sodass einzelne Module unabhängig voneinander betrieben und gewartet werden können, was die Flexibilität und Effizienz erhöht.

• Selbstorganisation und Autonomie → Lagerbehälter sind mit Sensoren ausgestattet, die den Bestand überwachen und bei Bedarf automatisch Nachbestellungen auslösen, ohne menschliches Eingreifen.

Grundlagen:

• Grundlage der Industrie 4.0

• Erhebung und Auswertung von Daten über Prozesse, Qualität, Produkte, Produktionsmittel und Beschäftigte

• IT-basierte Datenerfassung von Kunden-, Produkt-, Produktions- und Nutzungsdaten

• Weiterleitung der Daten an spezialisierte/zentrale Systeme → Entscheidung durch Mitarbeiter oder anhand von vorab definierten Regeln

• Leitfrage: Welche Daten werden erfasst und verarbeitet?

• Ziel: Prozess- und Qualitätsverbesserung

Schlagworte:

• Sensortechnik/RFID/Barcode

• Datenanalyse/Big Data

• Datensicherheit

Beispiel: In einem Fertigungsunternehmen werden Sensoren in den Produktionsmaschinen eingesetzt, um Daten über Temperatur, Druck und Leistung zu sammeln. Diese Daten werden über RFID-Tags und Barcode-Scanner an das zentrale Informationssystem weitergeleitet. Dort werden sie analysiert, um die Produktionsprozesse zu optimieren und mögliche Qualitätsprobleme frühzeitig zu erkennen. Die Mitarbeiter können auf Basis dieser Daten Entscheidungen treffen oder das System automatisch gemäß vordefinierter Regeln reagieren lassen. Datensicherheit wird dabei durch verschlüsselte Übertragung und Zugriffsbeschränkungen gewährleistet.

Grundlagen:

• Umfasst alle Technologien, welche die Beschäftigten bei der Ausführung ihrer Arbeit unterstützen und ihnen ermöglichen, sich auf Kernaufgaben zu konzentrieren

• Insbesondere Technologien zur Informationsbereitstellung wie Visualisierungssysteme, Tablets, Datenbrillen oder Hilfsgeräte, die motorisch unterstützen → Datenbrillen (Augmented Reality) in der Kommissionierung

• Leitfrage: Durch was werden die Beschäftigten bei ihrer Arbeit unterstützt, sodass sie sich auf ihre Kernkompetenz konzentrieren können?

• Ziel: Dem Mitarbeiter einfach, schnell und jederzeit benötigte Informationen zur Verfügung zu stellen.

Schlagworte:

• Augmented Reality/Datenbrillen

• Mensch-Maschine Interaktion

• 3-D-Druck/Scan

Beispiel: In einem Lagerhaus werden Datenbrillen mit Augmented-Reality-Funktion eingesetzt, um die Kommissionierungsprozesse zu optimieren. Die Mitarbeiter tragen diese Brillen, die ihnen während des Kommissionierens relevante Informationen direkt vor Augen anzeigen, wie z.B. den Standort der gesuchten Produkte, Mengenangaben oder weitere Anweisungen. Durch die Nutzung dieser Technologie können sich die Mitarbeiter auf ihre Kernaufgaben konzentrieren, da sie nicht ständig nach Informationen suchen müssen. Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine erfolgt nahtlos und die Effizienz im Kommissionierungsprozess wird gesteigert.

Grundlagen:

• Die Vernetzung und Integration zwischen Unternehmensbereichen (vertikale Integration) und zwischen Unternehmen im Rahmen von Wertschöpfungsnetzwerken (horizontale Integration) ist ein zentraler Bestandteil der Industrie 4.0.

• Zur Vereinfachung der Zusammenarbeit soll die Etablierung des Cloud Computing beitragen.

• Leitfrage: Wie muss die Zusammenarbeit unternehmensintern und -extern koordiniert werden und welche Daten müssen hierzu ausgetauscht werden?

• Ziel: Verbesserte Koordination und Transparenz zwischen Unternehmensbereichen und Unternehmen sollen die Zusammenarbeit erleichtern.

Schlagworte:

• Internet der Dinge und Cloud Computing

• Flexible Vernetzung von Anlagen, Produkten und Prozessen

Beispiel: In einem Produktionsunternehmen werden Produktionsanlagen, Logistiksysteme und externe Lieferanten über das Internet der Dinge miteinander vernetzt. Die Maschinen übermitteln kontinuierlich Daten über ihren Zustand und ihre Leistung an eine zentrale Cloud-Plattform. Gleichzeitig werden Produktionspläne und Materialbedarfe von den ERP-Systemen an die Cloud-Plattform gesendet. Auf dieser Plattform werden diese Daten zusammengeführt und analysiert, um eine effiziente Produktionsplanung und -steuerung zu ermöglichen. Durch die flexible Vernetzung und Integration von Anlagen, Produkten und Prozessen können Engpässe frühzeitig erkannt und die Produktion entsprechend angepasst werden, was zu einer verbesserten Koordination und Transparenz innerhalb des Unternehmens führt.

Grundlagen:

• Wechsel von zentraler Steuerung zu dezentraler Prozessverantwortung.

• Wechsel von Produktorientierung zu Kunden- und Serviceorientierung.

• Aufbau von Leistungseinheiten innerhalb eines Unternehmens zur Modularisierung von Produkten und Prozessen → bieten Leistung oder Service den Netzwerkpartnern an.

• Leitfrage: Welche Leistungen werden anderen Netzwerkpartnern (intern und extern) angeboten und welche werden selbst benötigt?

• Ziel: Etablierung einer klaren Koordination um Komplexität beherrschbar zu machen, indem die Steuerung nicht ausschließlich an einem zentralen Ort erfolgt.

Schlagworte:

• Everything as a Service (XaaS)

• Wandlungsfähigkeit

• Dezentrale Steuerung

Beispiel: Ein Hersteller von Industriemaschinen hat mehrere modulare Serviceeinheiten geschaffen, die spezialisierte Wartungs- und Reparaturdienste für verschiedene Maschinentypen anbieten. Jede Einheit operiert autonom und verantwortet die Steuerung ihrer Prozesse selbst, bietet ihre Dienste jedoch über eine zentrale Plattform an. Kunden können über diese Plattform den benötigten Service anfragen, der dann von der entsprechenden modularen Einheit umgesetzt wird. Die Einheiten tauschen untereinander Informationen und Ressourcen aus, um den Kundenbedarf effizient zu decken. Dies ermöglicht eine schnelle und flexible Reaktion auf Kundenanfragen und eine hohe Servicequalität, während die Komplexität der Gesamtorganisation durch die dezentrale Steuerung reduziert wird.

Grundlagen:

• Technologien und Prozesse reagieren selbstständig auf Basis einer vorhergehenden automatischen Datenauswertung.

• Etablierung von Regelkreisen (Selbstkonfiguration, Selbstoptimierung und Selbstorganisation).

• Schaffung von Freiheitsgraden für selbstständige Anlagen (z. B. Behälter, die selbstständig nachbestellen).

• Leitfrage: Wie wird gesteuert und welche Schritte werden automatisch geregelt?

• Ziel: Das intelligente Produkt steuert die eigene Herstellung durch Interaktion mit anderen CPS (Cyber-Physischen Systemen).

Schlagworte:

• Regelkreise

• Prozessüberwachung

• Selbstkonfiguration und Optimierung

Beispiel: In einem intelligenten Lagermanagement-System sind Behälter mit Sensoren ausgestattet, die den aktuellen Bestand an Materialien kontinuierlich überwachen. Sobald der Bestand eines Materials unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, löst der Behälter automatisch eine Bestellung aus, ohne dass ein Mensch eingreifen muss. Diese Bestellung wird direkt an das vernetzte Lieferantensystem gesendet, welches die Anforderung bestätigt und den Lieferprozess initiiert. Parallel dazu passt das System seine internen Prozesse an, um Platz für die kommenden Materialien zu schaffen und informiert die Produktionsplanung über die bevorstehende Lieferung. Dies ermöglicht eine effiziente, selbstorganisierte Lagerhaltung, die sicherstellt, dass Materialien immer dann verfügbar sind, wenn sie benötigt werden, und minimiert gleichzeitig Lagerhaltungskosten durch optimierte Bestellmengen.

Projekt:

Ein Projekt ist ein zeitlich begrenztes, einmaliges Vorhaben, das aus mehreren Teilaufgaben, Arbeitsvorgängen oder Aktivitäten besteht. Diese Teile sind durch bestimmte Anordnungsbeziehungen miteinander verbunden, was bedeutet, dass einige Aufgaben erst beginnen können, nachdem andere abgeschlossen sind. Für die Durchführung dieser Vorgänge wird Zeit sowie Ressourcen- und Kapazitätsplanung benötigt. Das Ziel eines Projekts ist es, ein spezifisches Ergebnis oder einen vorher definierten Zweck zu erreichen, der sich von den routinemäßigen Betriebsaufgaben einer Organisation unterscheidet.

Projektplanung:

Die Projektplanung befasst sich mit der Strukturierung und Organisation eines Projekts. Sie zielt darauf ab, das komplexe Vorhaben in überschaubare Teilaufgaben zu zerlegen und deren Abfolge zu planen. Dabei werden die zeitlichen Aspekte des Projekts analysiert, um Aussagen über Fertigstellungstermine, benötigte Zeitspannen für einzelne Aufgaben und vorhandene Zeitreserven treffen zu können. Die Planung beinhaltet auch die Zuweisung von Ressourcen zu den verschiedenen Aufgaben und die Abschätzung der für die Projektumsetzung erforderlichen Kapazitäten. Ziel der Projektplanung ist es, einen realistischen Fahrplan für das Projekt zu erstellen, der es ermöglicht, das Projektziel effizient und erfolgreich zu erreichen.

Beispiel:

Ein Unternehmen plant die Entwicklung und Einführung eines neuen Produkts. Dieses Projekt umfasst verschiedene Teilaufgaben wie Marktforschung, Produktentwicklung, Prototyping, Tests, Marketingstrategieentwicklung und die Planung der Produktionsprozesse. Jede dieser Aufgaben erfordert spezifische Ressourcen und Zeit zur Fertigstellung. Die Projektplanung wird genutzt, um die Reihenfolge dieser Aufgaben festzulegen, zu bestimmen, welche Aufgaben parallel durchgeführt werden können, und um Ressourcen wie Mitarbeiter, Budget und Materialien entsprechend zuzuweisen. Der erfolgreiche Abschluss des Projekts führt zur Markteinführung des neuen Produkts innerhalb des geplanten Zeitrahmens und Budgets.

Das Wasserfallmodell ist ein Vorgehensmodell, das im Projektmanagement verwendet wird. Es ist durch eine lineare und nachfolgende Abfolge von Phasen gekennzeichnet, bei der jede Phase vollständig abgeschlossen sein muss, bevor die nächste beginnt. Das Modell wird so genannt, weil der Fortschritt durch die Phasen des Projekts fließt wie ein Wasserfall.

1. Zielplanung: In dieser ersten Phase werden die Ziele des Projekts definiert. Es wird festgelegt, was durch das Projekt erreicht werden soll. Dazu gehören die Bestimmung der Projektvision, der Zweck und die spezifischen Ziele, die erreicht werden sollen.

2. Grobplanung: Nachdem die Ziele festgelegt wurden, folgt die Grobplanung. In dieser Phase wird ein übergeordneter Plan entwickelt, der die wichtigsten Meilensteine und den generellen Zeitrahmen des Projekts umfasst. Es werden die Hauptaufgaben identifiziert, grobe Schätzungen zu Zeit und Ressourcen vorgenommen und die Projektstruktur geplant.

3. Feinplanung: Auf der Grundlage der Grobplanung wird in der Feinplanung ein detaillierter Plan erstellt. Dies umfasst die genaue Planung von Ressourcen, Zeitplänen, Budgets und spezifischen Aktivitäten. In dieser Phase werden auch Risiken analysiert und Maßnahmen für Risikomanagement entwickelt.

4. Ausführungsplanung: Die Ausführungsplanung bereitet die eigentliche Durchführung des Projekts vor. Es werden detaillierte Anweisungen, Zeitpläne und Zuteilungen für das Projektteam erstellt. Diese Phase dient auch dazu, alle notwendigen Ressourcen zu organisieren und sicherzustellen, dass alle Teammitglieder ihre Aufgaben und Verantwortlichkeiten verstehen.

5. Ausführung: In der Ausführungsphase wird der Projektplan umgesetzt. Die geplanten Aufgaben werden durchgeführt, Fortschritte werden überwacht und dokumentiert. Es findet eine kontinuierliche Kommunikation innerhalb des Projektteams und mit Stakeholdern statt, um sicherzustellen, dass das Projekt auf Kurs bleibt.

Vorteile des Wasserfallmodells:

• Einfache und klare Struktur, die leicht zu verstehen und zu verfolgen ist.

• Gut geeignet für Projekte mit klaren Anforderungen und einem festgelegten Umfang.

• Phasenabschluss ermöglicht eine gründliche Dokumentation und Überprüfung, bevor zum nächsten Schritt übergegangen wird.

Nachteile des Wasserfallmodells:

• Mangelnde Flexibilität, um auf Änderungen der Anforderungen während des Projekts zu reagieren.

• Risiko, dass Fehler oder Bedarfsänderungen erst in späteren Phasen erkannt werden, was zu hohen Kosten und Zeitverlust führen kann.

• Keine Rückkehr zu vorherigen Phasen, was bedeutet, dass einmal getroffene Entscheidungen nur schwer zu revidieren sind.

Trotz dieser Nachteile wird das Wasserfallmodell wegen seiner Einfachheit und Vorhersehbarkeit in vielen Projektumgebungen, besonders in solchen mit gut definierten Anforderungen und Zielen, weiterhin verwendet.