Wiedersehen: Die Entwicklung des Industriezeitalters: Industrie 1.0 bis 4.0

Im Laufe der Jahrhunderte war der menschliche Fortschritt eng mit der Fähigkeit verknüpft, innovative Lösungen für die Herstellung von Gegenständen zu entwickeln, die wir konsumieren und nutzen. In der Stein- und Metallzeit produzierten unsere Vorfahren Waren von Hand und mit Hilfe domestizierter Tiere, doch im^18. Jahrhundert sollten sich die Dinge dramatisch zum Besseren wenden.

Die Entdeckung der Strömungsmechanik und ihre innovativen Anwendungen sollten die industriellen Bemühungen für immer verändern. Dies führte zum ersten Industriezeitalter. Seitdem wurden weitere Innovationen entwickelt, die uns zu Industrie 4.0 und der intelligenten Fabrik geführt haben. Im Folgenden wird ein Überblick über die Meilensteine der einzelnen Industriezeitalter gegeben.

Industrie 1.0

Die Entwicklung der Dampfmaschine im^16. und^17. Jahrhundert ebnete den Weg für die Einführung mechanischer Produktionsanlagen und das erste Industriezeitalter. Im^18. Jahrhundert wurden kommerzielle Dampfmaschinen hergestellt, die den Nutzern eine kontinuierliche Energiezufuhr boten und die Handarbeit in den Hintergrund drängten. Mit der Erfindung von Dampfmaschinen, die kontinuierlich Energie lieferten, begann die Industrie 1.0, und der Mensch konnte Artikel in großen Mengen produzieren, um sie an mehr Kunden zu verkaufen. Bemerkenswerte Meilensteine des^1. Industriezeitalters sind:

• Das erste kommerziell genutzte dampfgetriebene Gerät war die Wasserpumpe von Thomas Savery.
• Thomas Newcomen, der die kontinuierliche Kraftübertragung mit einer Dampfmaschine einführte.
• Edmund Cartwright entwickelte den dampfbetriebenen Webstuhl, der die industrielle oder Massenproduktion unterstützte.

Industrie 2.0

So wie die Erfindung der Dampfmaschine das erste Industriezeitalter einleitete, führte die Erfindung einer stabileren und kontinuierlichen Energiequelle zum^zweiten Industriezeitalter, das als Industrie 2.0 bekannt ist. In diesem Fall führte die Entdeckung der Elektrizität zu innovativen industriellen Anstrengungen, die bis heute genutzt werden.

Die Industrie 2.0 begann Anfang des^20. Jahrhunderts mit der Entwicklung von Maschinen, die mit Strom betrieben werden. Zuvor waren es Erfinder wie Nikola Tesla, Thomas Edison und Michael Faraday, die die Elektrizität für den Antrieb von Maschinen nutzbar machten. Als die elektrisch betriebene Maschine an Bedeutung gewann, wurden die Grundsätze der schlanken Produktion von Frederick Taylor entwickelt und von Henry Ford in die Praxis umgesetzt. Die Einführung und Standardisierung des Fließbands war ebenfalls ein wichtiger Meilenstein der Industrie 2.0:

• Die Erfindung des Elektromotors durch Michael Faraday im Jahr 1821.
• Die Standardisierung der Fließbänder oder der Produktionslinie durch Henry Ford.
• Die Anwendung von Lean-Manufacturing-Verfahren in den Toyota-Werken zur Optimierung der Produktionsprozesse.

Industrie 3.0

Die nächste industrielle Revolution, die zu Industrie 3.0 führte, wurde durch Fortschritte in der Elektronikindustrie und die Einführung der industriellen Automatisierung in den Fabriken ausgelöst und vorangetrieben. In den letzten Jahrzehnten des^20. Jahrhunderts wurde die erste automatisierte Spritzgießmaschine entwickelt, die der Welt die Möglichkeiten der industriellen Automatisierung eröffnete.

Der Bedarf an automatisierten Maschinen führte zu Fortschritten in der Industrie für elektronische Komponenten und Geräte, da für den Bau dieser Maschinen spezielle Hardware benötigt wurde. So wurden Technologien wie speicherprogrammierbare Steuerungen, gedruckte Schaltungen usw. entwickelt, um effizientere Geräte zu bauen und die menschliche Beteiligung am Herstellungsprozess zu verringern.

Die Fortschritte bei der Entwicklung elektronischer Geräte und Produktionsmaschinen sowie die Notwendigkeit der Automatisierung führten zu Verbesserungen bei der Entwicklung von Softwareanwendungen zur Überwachung und Steuerung industrieller Aktivitäten. So wurde das durch das Internet angetriebene Informationszeitalter in der Industrie 3.0 genutzt, um kundenspezifische Software und Plattformen für die Verwaltung des Produktionsprozesses zu entwickeln. Zu den entwickelten Plattformen gehören Anwendungen für das Enterprise Resource Management, die Lieferkette und die Simulationsmodellierung. Zu den bemerkenswerten Meilensteinen des dritten Industriezeitalters gehören:

• Die Erfindung der speicherprogrammierbaren Steuerung in den 1960er Jahren.
• Die Anwendung von zusammengeschalteten Computernetzwerken in der Industrie in den 1980er Jahren

Industrie 4.0

Der Boom in der Internet- und Telekommunikationsbranche in den 1990er Jahren revolutionierte die Art und Weise, wie wir uns verbinden und Informationen austauschen, und läutete damit das Informationszeitalter ein. Mit den Fortschritten in der Telekommunikation und der zunehmenden Netzabdeckung kam der nächste Paradigmenwechsel in der Fertigungsindustrie, der heute als Industrie 4.0 bezeichnet wird.

Die Grundsätze von Industrie 4.0 bestehen darin, die Grenzen zwischen der physischen und der virtuellen Welt zu verwischen, eine „Lights-Out“-Fabrik mit weniger menschlichem Personal und mehr Automatisierung zu ermöglichen und die Sicherheit in Industrieanlagen zu verbessern. Industrie 4.0 wird durch Cyber-Physical Systems (CPS) definiert, die die Kommunikation von Maschine zu Maschine, Maschine zu Gerät und Mensch zu Maschine ermöglichen. CPS ermöglichen es Industriemaschinen, auf intelligente Weise miteinander und mit der Produktionsumgebung zu kommunizieren, ohne durch physische oder geografische Barrieren eingeschränkt zu sein.

Industrie 4.0 nutzt industrielle Daten. Cyber-Physical Systems erfassen Daten und analysieren sie, um Einblicke in bestimmte industrielle Prozesse zu erhalten, die Automatisierung voranzutreiben und Fabrikanlagen und Bediener in die Lage zu versetzen, bestimmte Aktionen durchzuführen. Im Jahr 2011 prägte eine deutsche Forschergruppe unter der Leitung von Siegfried Dais von der Robert Bosch GmbH den Begriff Industrie 4.0 und stellte einen Arbeitsrahmen für seine Verwirklichung vor. In diesem Rahmen wurde die Bedeutung einer vernetzten Umgebung hervorgehoben, die von intelligenten Geräten, die Daten austauschen, und einem dezentralen Entscheidungsprozess angetrieben wird. Dieser Rahmen könnte dann auf spezifische Anwendungsfälle wie vorausschauende Wartung, datengesteuerte Optimierung der Anlagenleistung und datengesteuerte Maschinenüberwachung, Durchsatzqualitätskontrolle und Optimierungsaktivitäten angewendet werden.

Um sicherzustellen, dass die Interkonnektivität auf der Grundlage einer zentralen Datenverarbeitungsplattform und die Dezentralisierung gleichzeitig erreicht werden können, wurden Cloud- und Edge-Computing-Lösungen in die Industrie 4.0 integriert. Edge-Computing-Lösungen wie das Internet der Dinge, Sensoren, intelligente Geräte und Mensch-Maschine-Schnittstellen unterstützen die Erfassung und Analyse von Fabrikdaten am Rande der Fabrik und ermöglichen so eine dezentrale Datenverarbeitungsumgebung. Cloud Computing stellt die flexiblen und agilen Rechenressourcen bereit, die für die Erfassung großer Datensätze und die Überwachung groß angelegter Industrie-4.0-Implementierungen erforderlich sind.

Heute gibt es neuere Technologien, die die Möglichkeiten zur Entwicklung cyber-physischer Systeme erweitern. Dazu gehört der digitale Zwilling, der die in der Fabrik produzierten Daten nutzt, um ein genaues virtuelles Abbild der industriellen Prozesse zu erstellen, wobei ein Datenaustausch zwischen dem digitalen Zwilling und der physischen Fabrik stattfindet. Der digitale Zwilling bietet eine virtuelle Umgebung für die Bewertung von Produktionsprozessen, die Gewinnung von Einblicken in komplexe Fertigungsprozesse und das Ergreifen entscheidender Maßnahmen in Echtzeit.

Da die Technologie-Kosten-Kurve immer steiler wird, werden schnelle technologische Umwälzungen zu noch niedrigeren Kosten entstehen und das industrielle Ökosystem revolutionieren. Ein Beispiel ist das 5G-Netz, das speziell zur Unterstützung der Interkonnektivität und großen Datenübertragungen in Industrieanlagen entwickelt wurde.

Die Industrie 4.0 befindet sich noch im Anfangsstadium, und hinter den Kulissen wird viel gearbeitet, um sicherzustellen, dass die Konnektivität zwischen Betriebs- und Informationstechnologie ein optimales Leistungsniveau erreicht. Heute investieren 91 % der Industrieunternehmen in Technologien für die digitale Transformation, um sicherzustellen, dass sie im Zeitalter von Industrie 4.0, das voraussichtlich einige Jahrzehnte dauern wird, wettbewerbsfähig bleiben.