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AUF DEM WEG ZU INDUSTRIE 4.0: ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
INDUSTRIE 4.0
Mehr Infos finden Sie auf:
www.its-owl.de
VORWORT | 3
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
Im Technologie-Netzwerk it’s OWL – Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe –
bündeln Weltmarkt- und Technologieführer im Maschinenbau, der Elektro- und Elektronik-
industrie sowie der Automobilzulieferindustrie ihre Kräfte. Gemeinsam mit regionalen For-
schungseinrichtungen erarbeiten sie in 46 Projekten neue Technologien für intelligente
Produkte und Produktionssysteme.
Ausgezeichnet im Spitzencluster-Wettbewerb des Bundesministeriums für Bildung und For-
schung – dem Flaggschiff der Hightech-Strategie der Bundesregierung –, gilt it’s OWL bundes-
weit als eine der größten Initiativen zu Industrie 4.0 und leistet einen wichtigen Beitrag,
Produktion am Standort Deutschland zu sichern.
Auf Empfehlung des wissenschaftlichen Beirats beleuchtet it’s OWL in Koope ration mit ver-
schiedenen Clusterpartnern das Thema Industrie 4.0 aus unterschiedlichen Blick winkeln und
veröffentlicht wesentliche Ergebnisse in Form von Broschüren unter dem Titel »Auf dem Weg
zu Industrie 4.0«. In 2014 wurde die erste Broschüre veröffentlicht. Diese beschreibt die
konkreten Technologien und Lösungen anhand von Best-Practice-Beispielen. Diese Broschüre
setzt dort an und fokussiert das Thema Referenzarchitektur im Kontext Industrie 4.0. Sie gibt
einen Überblick über die heterogene und schnell wachsende Landschaft von Architektur-
modellen und stellt die Sichtweisen von Unternehmen auf das Thema vor.
Dazu haben die Forschungsinstitute Heinz Nixdorf Institut und die Fraunhofer-Projektgruppe
Entwurfstechnik Mechatronik in Kooperation mit dem Clusterpartner UNITY AG 13 Unter-
nehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Automobil- und Automatisierungstechnik,
der Elektroindustrie sowie Softwarehäuser und Beratungsunternehmen in ganz Deutschland
befragt.* Geschäftsführer und Projektverantwortliche gaben in Interviews Einblicke in die
aktuelle Situation ihrer Betriebe und Einschätzungen zum Thema Industrie 4.0.
Die vorliegende Broschüre vergleicht und bewertet bestehende Architekturmodelle anhand von
zuvor definierten Anforderungen an eine Referenzarchitektur für Industrie 4.0. Zudem werden
Herausforderungen für Unternehmen bei der praktischen Umsetzung identifiziert und konkrete
Handlungsempfehlungen abgeleitet.
Prof. em. Dr. Otthein HerzogKünstliche Intelligenz, Universität Bremen
WISSENSCHAFTLICHER BEIRAT VON IT’S OWL
Prof. Dr. Edgar KörnerHonda Research Institute Europe GmbH
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Manfred NaglSoftware Engineering,RWTH Aachen
Prof. Dr. Ir. Fred J. A. M. van HoutenProfessor for Design Engineering,University of Twente
* Die vollständige Liste der befragten Unternehmen finden Sie auf Seite 28.
AUF DEM WEG ZU INDUSTRIE 4.0SCHLÜSSEL ZUR FABRIK DER ZUKUNFT
4 | INHALT
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT
Auf dem Weg zu Industrie 4.0Schlüssel zur Fabrik der Zukunft
EINLEITUNG
Erfolgsfaktor Referenzarchitektur Kombination von IT- und Produktionswissen
Digitalisierung der industriellen ProduktionWertschöpfung der Zukunft
Status quo Industrie 4.0Relevanz und Entwicklungen vernetzter Produktion
Basis ReferenzarchitekturIKT-Systeme erfolgreich gestalten
Referenzarchitekturen für Industrie 4.0Standards für klaren Informationsfluss
HandlungsempfehlungenVon der Theorie in die Praxis
Resümee und AusblickStandards schaffen, Barrieren abbauen
Literatur
Clusterpartner
Impressum
3
5
6
8
11
17
24
27
29
30
31
EINLEITUNG | 5
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
Seit einiger Zeit wandeln sich nationale Industriegesell-
schaften zur globalen Informations gesellschaft. Informa-
tions- und Kommunikationstechnik wachsen zusammen
und durchdringen alle Lebensbereiche. Produktion wird als
komplexes informationsverarbeitendes System verstan-
den, in dem bereichs- und unternehmensübergreifende
Leistungserstellungsprozesse und deren durchgängige
Unterstützung durch Informations- und Kommunikations-
technik eine heraus ragende Rolle spielen. Vor diesem Hin-
tergrund werden Geräte und Systeme unserer realen Umge-
bung, die durch eingebettete Software gesteuert werden,
zunehmend in das weltumspannende Kommunika tionsnetz
integriert, wofür der Begriff »Internet der Dinge« steht.
Reale Welt und virtuelle Welt wachsen offensichtlich zu-
sammen, was durch den Begriff »Cyber-Physical Systems«
zum Ausdruck kommt. Im Kontext der industriellen Pro-
duktion eröffnet sich eine neue Perspektive, die von vie-
len als die vierte industrielle Revolution gesehen wird –
Industrie 4.0. Übergeordnete Aspekte von Industrie 4.0 sind
die vertikale Integration, die horizontale Integration sowie
ein umfassendes Systems Engineering. Vor dem Hinter-
grund der zunehmenden Durchdringung mit Informations-
und Kommunikationstechnik auf allen Hierarchieebenen
eines produzierenden Unternehmens stellt sich die Frage,
ob etablierte Informationsarchitekturen den von Industrie 4.0
geforderten Aspekten gerecht werden.
Moderne Informationsarchitekturen müssen den Anforde-
rungen der Unternehmen und Aspekten von Industrie 4.0
genügen. Sie bilden den übergeordneten Rahmen zur Ent-
wicklung, Integration und zum Betrieb einer bedarfs ge-
rechten, situationsspezifischen IT-Landschaft in einem
Wertschöpfungsnetzwerk. Aktuell schlagen Unternehmen,
Verbände und Arbeitskreise unterschiedliche Architek turen
vor, die oft nur die eigene Sichtweise widerspiegeln. Zu-
dem ist das Bild über die tatsächliche Leistungsfähigkeit
und den Nutzen der Architekturen für viele noch unklar.
Es fehlt ein konsolidiertes Bild mit Sichtweisen von An-
bietern, Anwendern und der Wissenschaft.
Ziel dieser Broschüre ist es, ein fundiertes Bild über das
Leistungsvermögen von Architekturmodellen zu liefern.
Dazu werden konkrete Handlungsempfehlungen für die
Erfolgsfaktoren Referenzarchitektur, Systems Engineering
und Geschäftsmodelle in Kontext von Industrie 4.0 aus-
gesprochen. Besonders fokussiert werden die folgenden
drei Aspekte:
Gemeinsames Verständnis: Welche Sichtweisen
haben Anbieter, Anwender und Wissenschaft auf Her-
ausforderungen zukünftiger Informationsarchitekturen?
Status quo: Welche Strukturen dominieren die der-
zeitige IKT-Landschaft in der industriellen Produktion?
Herausforderungen: Welche spezifischen Heraus-
forderungen und Barrieren ergeben sich für die Gestal-
tung von IKT-Systemen zur erfolgreichen Umsetzung
von Industrie 4.0?
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTURKOMBINATION VON IT- UND PRODUKTIONSWISSEN
6 | DIGITALISIERUNG DER INDUSTRIELLEN PRODUKTION
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
Die sogenannte digitale Transformation schreitet rasant
und ununterbrochen voran. Seit Konrad Zuse im Jahr 1941
mit dem Z3 wesentliche Schritte in das Computerzeitalter
vollzog und im Jahr 1950 weltweit rund 8.000 Computer-
systeme existierten, sind heute alle Lebensbereiche von
Informations- und Kommunikationstechnik durchdrungen.
Mit der Erschließung des Massenmarkts für Breitband-
Internetzugänge in den frühen 2000er-Jahren sowie der
Ein führung von Smartphones und Tablet-Computern explo-
dierte die Anzahl vernetzter Objekte und überstieg erst-
mals die Weltbevölkerung [AA15], [Eva15-ol]. Im Jahr 2015
sind etwa 15 Milliarden Produkte weltweit mit dem Inter-
net verbunden; bis 2020 sollen es 30 Milliarden sein
(Bild 1) [KRH+14].
Diese Digitalisierung ermöglicht nicht nur neue intelli gente
Produkte und neue Formen internetbasierter Dienstleistun-
gen (sog. Smart Services), sondern sie verändert auch die
industrielle Produktion. Der Begriff Industrie 4.0 steht für
eine neue Stufe der Organisation und Steuerung kom plexer
Wertschöpfungsnetzwerke [KWH13], [Ram15]. Offensicht-
lich vollzieht die Industrie einen tief greifenden Wandel,
der als die vierte industrielle Revolution bezeichnet wird.
Die Grundlage für Industrie 4.0 bilden Intelligente Techni-
sche Systeme, die über das »Internet der Dinge« mitein-
ander vernetzt sind und auch als Cyber-Physical Systems
(CPS) bzw. Cyber-Physical Production Systems (CPPS)
bezeichnet werden. Von besonderer Bedeutung wird die
Intelligenz der Systeme sein, die adaptive, robuste, vor-
ausschauende und besonders benutzungsfreundliche
Systeme ermöglicht.
Die zunehmende Digitalisierung eröffnet faszinierende,
unüberschaubare Möglichkeiten zur Gestaltung von Wert-
schöpfungsnetzen und für neue Geschäftsmodelle. Dabei darf
nicht übersehen werden, dass der Einsatz geballter Infor-
DIGITALISIERUNG DER INDUSTRIELLEN PRODUKTIONWERTSCHÖPFUNG DER ZUKUNFT
BILD 1 Meilensteine der Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnik
1941 Konrad Zuse baut mit dem Z3 den »ersten« Computer der Geschichte
1940 1965 1985
1965 Einführung des ersten CAD/CAM-Systems in der Luft- und Raumfahrt
1950 Weltweit ca. 8.000 installierte Computer- systeme
1969Erste speicherprogrammier- bare Steuerungen (SPS) kommen auf den Markt
ANFÄNGE DES COMPUTERS IT-SYSTEME IN DER GESCHÄFTSWELT PERSONAL COMPUTER
1984Apple Macintosh mit grafischer Benutzer - oberfläche und Maus
DIGITALISIERUNG DER INDUSTRIELLEN PRODUKTION | 7
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
mations- und Kommunikationstechnik am Ende einer wohl-
strukturierten Handlungskette stehen muss; von der System-
ebene bis zur strategischen Unternehmensführung (Bild 2).
Der Impuls für Industrie 4.0 geht von der System ebene aus,
gleichwohl müssen die übergeordneten Geschäftsprozesse
dafür definiert sein, einer Geschäftsstrategie folgen und auf
einem Zukunftsentwurf, einer Vision beruhen.
Gemäß dem 4-Ebenen-Modell zur zukunftsorientierten
Unternehmensgestaltung benötigen wirkungsvolle IT-
Systeme wohlstrukturierte Geschäftsprozesse. Diese
wiederum folgen einer Geschäftsstrategie und einem
damit verbundenen Geschäftsmodell, die darauf ab -
zielen, Erfolgspotentiale der Zukunft zu erschließen. Um
dem verbindenden und vernetzenden Charakter von
Industrie 4.0 gerecht zu werden, bedarf es eines adäqua-
ten Handlungsrahmens für IT-Systeme im Unternehmen,
also einer IT-Architektur vom Shop Floor bis zum Office
Floor sowie entlang der Wertschöpfung und des Lebens-
zyklus.
2000 heute
1996Erster Taschen -PC mit Windows-Betriebs- system
1999DSL für den Massenmarkt und Beginn von Cloud- Computing
2015Weltweit ca.15 Mrd. Geräte mit dem Internet verbunden
GLOBAL DIGITAL
2007Apple stellt das iPhone vor
ONLINE- UND WIRELESS-ZEITALTER
1998Suchmaschine »google.de« geht online
PERSONAL COMPUTER
1984Apple Macintosh mit grafischer Benutzer - oberfläche und Maus
VERNETZUNGSGRAD
BILD 2 Schlüsselfragen für den Erfolg von Industrie 4.0 im Rahmen des 4-Ebenen-Modells [GP14]
Beruht die Geschäftsstrategie auf einer Vision (Zukunftsentwurf)?
Folgen die Prozesse einer Geschäftsstrategie und einem innovativen Geschäftsmodell?
Sind die zu unterstützenden Geschäftsprozesse definiert?
SYSTEME
PROZESSE
STRATEGIEN
VORAUSSCHAU
INDUSTRIE 4.0
8 | STATUS QUO INDUSTRIE 4.0
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
Seit dem Bekanntwerden des Begriffs Industrie 4.0 im Jahr
2011 steht dieser heute in nahezu jeder industriepoli-
tischen Agenda und Unternehmensstrategie und ist auch
international eines der Aushängeschilder des Produktions-
standorts Deutschland [WLK15]. Es stellt sich nach vier
Jahren nun die Frage, wie sich Unternehmen mit dem
Thema Industrie 4.0 tatsächlich befassen, welche Erfolge
bereits erzielt wurden und wo es Hürden bei der Umset-
zung von Industrie 4.0 zu überwinden gilt. Dazu wurden
Unternehmen im Zuge dieser Broschüre zu ihrem Status
quo bezüglich Industrie 4.0 befragt.
Die befragten Unternehmen gaben mehrheitlich an, das
Thema Industrie 4.0 sei »Chefsache«.
Einige Unternehmen haben zudem eine Stabsstelle einge-
richtet, die das Thema unternehmensweit koordiniert. Dies
gilt insbesondere für deutsche Unternehmen aus der Auto-
matisierungstechnik, die sich bereits frühzeitig als wich-
tiger Ausrüster für Industrie 4.0-Komponenten positionie-
ren wollen. Einige Unternehmen setzen sich nicht explizit
mit dem Thema auseinander. Derzeit werde noch kein
Handlungsdruck empfunden und zunächst abgewartet, wie
sich Industrie 4.0 in Zukunft entwickelt. In den befragten
ausländischen Unternehmen mit Standorten in Deutschland
wird Industrie 4.0 zwar thematisiert, jedoch nicht so benannt.
Dort wird die Bezeichnung »Internet der Dinge« oder inter-
national »Internet of Things« (IoT) verwendet. Das Inter-
net der Dinge ist die Vision, in der die reale Welt in das
Internet verlagert wird und Alltags gegenstände ein Teil
des Internets werden [MF10]. Jeder Gegenstand, jedes
Gerät und jede Maschine kann zu einem Internetknoten-
punkt werden und mit anderen kommunizieren. Während
das Internet der Dinge die zunehmende Vernetzung in
allen Lebensbereichen beschreibt, steht Indus trie 4.0 für die
Vernetzung in der industriellen Produktion und ist somit eine
Ausprägung des Konzepts »Internet der Dinge«.
Sowohl Leitanbieter (Unternehmen der Automatisierungs-
technik oder Softwarehäuser) als auch Anwenderunter-
nehmen stehen bei der Umsetzung von Industrie 4.0 in
ihren Produkten oder in ihrer Produktion vor vielfältigen
Herausforderungen. Die von den befragten Unterneh-
men meistgenannten Herausforderungen sind:
Neue Geschäftsmodelle
Standardisierung
Verlässlichkeit komplexer (IT-)Systeme
Beherrschung der steigenden Komplexität
Beherrschung der steigenden Interdisziplinarität
Zunehmende Vernetzung
Erhöhtes Datenaufkommen
Das Portfolio in Bild 3 verdeutlicht, welche Hebelwirkungen
die Herausforderungen auf den Erfolg der Unternehmen
haben und wie hoch der Aufwand ist, diesen Herausforde-
rungen zu begegnen. Herausforderungen mit einer hohen
Hebelwirkung bei gleichzeitig geringem Aufwand sind
sehr wichtig für die erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0
und sollten rasch angegangen werden. Eine niedri gere Prio-
rität hingegen haben Herausforderungen mit einer gerin-
gen Hebelwirkung auf den Erfolg bei gleichzeitig hohem
Aufwand.
Die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle ist eine der
meistgenannten Herausforderungen bei der Umsetzung
»Industrie 4.0 muss in der Geschäftsführung verankert sein, um im Unternehmen die nötige Wirkung entfalten zu können.« JOHANNES KALHOFF | Technology Management, PHOENIX CONTACT
STATUS QUO INDUSTRIE 4.0RELEVANZ UND ENTWICKLUNGEN VERNETZTER PRODUKTION
STATUS QUO INDUSTRIE 4.0 | 9
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
von Industrie 4.0. Viele Unternehmen stellen sich die
Fragen, wie ihr Unternehmen attraktiver werden kann und
wie sich ihr bestehendes Geschäftsmodell dafür verän dern
muss. Die Beantwortung dieser Fragen wird mit einer
hohen Hebelwirkung für den Erfolg ihres Unternehmens
verbunden. Eine vergleichbar hohe Auswirkung auf den
Erfolg haben einheitliche Standards, die die Mechanismen
der Zusammenarbeit festlegen und in einer Referenz-
architektur definiert werden müssen. Der Aufwand zur
Defini tion von Standards wird von den Unternehmen rela-
tiv hoch bewertet, da hierfür die Interessen verschie-
denster Akteure berücksichtigt werden müssen. Als wei-
tere Herausforderung für die Umsetzung von Industrie 4.0
geben die befragten Unternehmen die Verlässlichkeit
komplexer (IT-)Systeme an. Der Begriff Verlässlichkeit
umfasst hier die Zuverlässigkeit, Sicherheit, Verfügbarkeit
und Vertraulichkeit der Systeme. Insbesondere in einer
ausreichenden IT-Sicherheit sehen die produzierenden
Unternehmen eine große Herausforderung. Nach Meinung
der befragten Softwarehäuser sei eine Vielzahl von
Be denken vor mangelnder IT-Sicherheit jedoch unbe-
gründet, da vorhandene Sicher heitstechnologien bereits
ein aus reichendes Maß an Schutz und Sicherheit bieten.
In vielen Unternehmen herrsche jedoch Unkenntnis über
Sicherheitstechnologien und es fehle der verantwortungs-
volle Umgang mit dem Thema IT-Sicherheit. Eine weitere
Heraus forderung bei der Umsetzung von Industrie 4.0 ist
die zunehmende Steigerung der Komplexität und Interdis-
ziplinarität. Gründe dafür sind z. B. die steigende Vernet-
zung und ein erhöhtes Datenaufkommen. Trotz der genann-
ten Herausforderungen sind sich die Unternehmen einig:
Technologien werden der Umsetzung von Industrie 4.0
nicht im Wege stehen.
Da Technologien anscheinend kein Hindernis sind, muss
es andere Barrieren bei der Umsetzung von Industrie 4.0
geben. Folgende Barrieren wurden von den Unternehmen
genannt (Bild 3):
Fehlender Nutzennachweis von Industrie 4.0
Angst vor Know-how-Abfluss
Angst vor Verlust von Marktmacht
Mangelndes Vertrauen
Als wesentliche Barriere wurde von den befragten Unter-
nehmen der fehlende unternehmensspezifische Nutzen-
»Die Konkurrenz aus Asien nimmt zu. Ein zukünftiges Differenzierungsmerkmal für deutsche Maschinen- und Anlagenbauer kann Industrie 4.0 sein.«DR. REINHARD SCHIFFERS | Leiter Maschinentechnologie, KraussMaffei Technologies
BILD 3 Herausforderungen und Barrieren bei der Umsetzung von Industrie 4.0
A B
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Aufwandgering
gering
hoch
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5
4
3
2
11 2 3 4 5 6
HerausforderungenNeue Geschäftsmodelle
Standardisierung und Referenzarchitektur
Verlässlichkeit* komplexer (IT-)Systeme
Beherrschung der steigenden Komplexität
Beherrschung der steigenden Interdisziplinarität
Zunehmende Vernetzung
Erhöhtes Datenaufkommen
BarrierenFehlender Nutzennachweis von Industrie 4.0
Angst vor Know-how-Abfluss
Angst vor Verlust von Marktmacht
Mangelndes Vertrauen
Anzahl der Nennungen
* Verlässlichkeit: Zuverlässigkeit, Sicherheit, Verfügbarkeit, Vertraulichkeit
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
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Hohe Priorität; zur Umsetzung von I 4.0 sehr wichtig
Mittlere Priorität; zur Umsetzung von I 4.0 wichtig
Niedrige Priorität; zur Umsetzung von I 4.0 weniger wichtig
10 | STATUS QUO INDUSTRIE 4.0
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
nachweis benannt. Die endlos erscheinende Anzahl
neuer Technologien und die daraus resultierenden Mög-
lich keiten lassen Industrie 4.0 sehr diffus erscheinen.
Hinzu kommen Bedenken z. B. durch Angst vor Know-how-
Abfluss oder dem Verlust von Marktmacht. Vielen Unter-
nehmen fehlt zudem das Vertrauen, sich über Unter neh-
mensgrenzen hinweg zu öffnen und sich im Sinne der
horizontalen Integration mit Zulieferern, Partnern und
Kunden partnerschaftlich zu vernetzen.
Es bedarf einer Aufklärung von Unternehmen über die spe-
zifischen Chancen, aber auch Bedrohungen von Indus-
trie 4.0. Denn erst wenn Unternehmen einen Nutzen für
sich erkennen, ausreichend Vertrauen in neue Techno logien
gewinnen und die sich eröffnenden Chancen begreifen,
wird die Umsetzung von Industrie 4.0 im eigenen Unter-
nehmen gelingen.
Industrie 4.0 bringt weitreichende Verän-derungen für Unter-nehmen mit sich.
BASIS REFERENZARCHITEKTUR | 11
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
Für die Umsetzung von Industrie 4.0 in unterschiedlichen
Unternehmen und Branchen mit heterogenen IT-Systemen,
technischen Ressourcen und Kompetenzen bedarf es
einer anwendungsorientierten Referenzarchitektur. Eine
Refe renzarchitektur ist ein allgemeingültiges Muster für
die Produkte und Dienstleistungen aller am Wertschöp-
fungsnetzwerk beteiligten Unternehmen. Sie bildet den
Rahmen für die Strukturierung, Entwicklung und Integra tion
sowie den Betrieb der relevanten technischen Systeme
[KWH13].
ERFOLGREICHE REFERENZARCHITEKTUREN – BEISPIELE AUS DER VERGANGENHEIT
In verschiedenen Branchen wurden bereits erfolgreich
Referenzarchitekturen etabliert. Die Von-Neumann-Archi-
tektur ist ein bekanntes Referenzmodell für Computer.
Der Kerngedanke der Architektur ist die Ablage von Pro-
grammen und Daten in einem gemeinsamen Computer-
speicher. Die Von-Neumann-Architektur ist eine herstel-
lerseitige Einigung auf eine branchenweit anerkannte
Referenzarchitektur, welche die Kompatibilität der einge-
setzten Komponenten erhöht [VW12]. Eine weitere be-
währte Referenzarchitektur ist das ISO/OSI-Modell, das
die Struktur und Funktionalität von Rechnern und Auto-
matisierungskomponenten definiert. Die Referenzarchitek-
tur AUTOSAR (»AUTomotive Open System ARchitecture«)
entstammt der Automobilindustrie. Entstanden in einer
Entwicklungspartnerschaft aus Automobil -, Steuer geräte-
und Softwareherstellern, ermöglicht AUTOSAR, Funk tionen
und Applikationen flexibel zwischen unterschiedlichen
Steuergeräten zu verschieben. Die Innovation des Konzepts
besteht in einer generischen Planung vom Quellcode der
Software ohne direkten Bezug auf Hardware-Zielplatt-
formen. AUTOSAR definiert Metho den zur Beschreibung
von Software im Fahrzeug. Diese stellen sicher, dass
Software komponenten wiederver wendet, ausgetauscht,
skaliert und integriert werden können. Durch die Modu-
larität der Komponenten werden Monopolstellungen
verhindert. Zudem wird ein schnellerer technolo gischer
Fortschritt, aufgrund einer durch Industriestandards ge-
triebenen steigenden Konkurrenz, unterstützt [Aut14].
ISOBUS ist ein Standard aus der Landwirtschaft, der die
Datenübertragung zwischen Traktoren, Anbau geräten und
dem Betriebsmanagement vereinheitlicht. Eine unein-
geschränkte Kompatibilität ermöglicht eine System- und
Herstellerunabhängigkeit, die zur Optimierung von Pro-
zessen und zur Steigerung der Rentabilität dient. Zudem
wird die Investitionssicherheit für Land wirte und land-
wirtschaft liche Dienstleister erhöht. Über einen standar-
disierten Stecker wird die Verbindung hergestellt, um die
Leistung und Funktionen verschie dener Anbau geräte über
ein einziges Terminal in vollem Umfang ansprechen und
nutzen zu können. ISOBUS reagiert auf neue Anforde-
rungen der Technik und des Marktes und ist somit flexibel
sowie zukunfts fähig [VDM05]. Trotz ver schiedener Ein satz-
bereiche basieren die genannten Refe renzarchi tekturen
auf denselben Gestaltungsprinzipien. Sie definieren allge-
meingültige, indivi duell ausprägbare Komponenten, deren
Hierarchisierung und Kommunika tion auf Basis einheit-
licher Kommunika tions standards beschrieben ist.
Im Bereich der industriellen Fertigung ist die sog. Auto -
matisierungspyramide ein weitverbreitetes Archi tek-
turmodell, das die komplexe Informationsverarbeitung
in einem auto matisierten Produktionsunternehmen in
Ebenen hierarchisch struk turiert. Ferner werden den Ebe-
nen eines Unternehmens die unterschiedlichen Systeme
BASIS REFERENZARCHITEKTURIKT-SYSTEME ERFOLGREICH GESTALTEN
12 | BASIS REFERENZARCHITEKTUR
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
wie ERP1, MES2, SCADA3 oder SPS4 zuge ordnet (Bild 4)
[DIN62264-1]. Bis heute ist die Automa tisierungspyramide
für viele Unternehmen ein geeigneter Ordnungsrahmen zur
Gestaltung ihrer IT-Landschaft. Ob die klassische Automa-
tisierungspyramide auch zukünftig als Referenzarchitektur
für Industrie 4.0 dienen kann, ist allerdings fraglich.
ÜBERGEORDNETE ASPEKTE VON INDUSTRIE 4.0
CPS und das Internet der Dinge ermöglichen eine Vernet-
zung von intelligenten Maschinen und Produkten unter-
einander und mit übergreifenden Produktionsplanungs-,
Energiemanagement- oder Lagersystemen – auch über
Unternehmensgrenzen hinweg. Produktionsmittel können
sich somit zu leistungsfähigen Wertschöpfungs netzwerken
konfigurieren. So wird es in Zukunft möglich sein, dass
der Sensor einer Maschine bei drohendem Defekt einer
BILD 4 Ebenen der Automatisierungspyramide
UN
TERN
EHM
ENSE
BEN
E
IT-S
YSTE
ME
Unternehmensleitebene ERP
Betriebsleitebene MES
Prozessleitebene SCADA
Steuerungsleitebene SPS
FeldebeneEin- und
Ausgangs-signale
Vorverarbeitung Vormontage Montage Inspektion Verpackung
1 ERP-Systeme (Enterprise
Ressource Planning) sind
Softwarelösungen, die die
betriebswirtschaftlichen
Prozesse, z. B. in Produk-
tion, Vertrieb, Logistik,
Finanzen und Personal,
steuern und auswerten.
2 MES (Manufacturing
Execution Systems) sind
prozessnahe Fertigungs-
managementsysteme, die
zeitnah die Organisation
und Durchführung aller
direkt und indirekt wert-
schöpfenden Geschäfts-
prozesse in der Fertigung
regeln.
3 SCADA-Systeme (Super-
visory Control and Data
Acquisition) sind Netzleit-
systeme für die Über-
wachung, Steuerung und
Optimierung von Industrie-
anlagen.
4 SPS (Speicherprogram-
mierbare Steuerungen) ver-
arbeiten Eingangssignale
von Sensoren und steuern
damit Aktoren.
BASIS REFERENZARCHITEKTUR | 13
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
Komponente direkt mit dem ERP-System kommuniziert,
um z. B. Ersatzteile zu bestellen. Zur Realisierung der
Vision Industrie 4.0 sind drei übergeordnete Aspekte zu
beherrschen:
Vertikale Integration
Horizontale Integration
Umfassendes Systems Engineering
Vertikale Integration: Die vertikale Integration meint
die Verknüpfung der verschiedenen IT-Systeme auf den
unterschiedlichen Hierarchieebenen eines Unternehmens
– von der Feldebene über die Steuerungs- und Prozess leit-
ebene bis hin zur Betriebs- und Unternehmensleitebene –
zu einer durchgängigen Lösung (Bild 5) [KWH13]. Somit
können physische und technische Prozesse inklu sive ihrer
Ressourcen mit Geschäftsprozessen über verschiedene
Unternehmensebenen hinweg synchronisiert werden
[Sim13]. Es ist die Frage zu klären, wie Produktions systeme
auf Basis von CPPS rekonfigurierbar und flexibel gestaltet
werden können. Die vertikale Integration ist der Schlüssel
zur Smart Factory, in der Produktionsstrukturen nicht fest
vorgegeben sind. Vielmehr entstehen auf Basis von Mo-
dellen, Daten, Kommunikation und Algorithmen Ad-hoc-
Strukturen. Zur Realisierung der vertikalen Integration sind
Konzepte zur Modularisierung und Wiederverwendung so-
wie intelligente Anlagen-Fähigkeitsbeschreibungen zu ent-
wickeln. Diese sind Voraussetzung für die Vernetzung und
Rekonfiguration von Produktionsumgebungen [KWH13].
Horizontale Integration: Die horizontale Integration
beschreibt die Ad-hoc-Vernetzung von intelligenten Ma-
schinen, Betriebsmitteln, Produkten/Werkstücken sowie
Lager systemen zu einem leistungsfähigen Wertschöpfungs-
netzwerk (Bild 6). IT-Systeme für die unterschied lichen
Prozessschritte der Beschaffung, Produktion und Distri-
bution werden dazu zu einer durchgängigen Lösung inte-
griert, auch über mehrere Unternehmen hinweg. Dadurch
kann der gesamte Prozess von der Bestellung bis zur Lie-
ferung zwischen den beteiligten Partnern in vielfältigen
Dimen sionen wie Qualität, Preis, Zeit, Risiko etc. dyna-
misch verhandelt werden. Die Fähigkeit der Ad-hoc-Ver-
netzung erfordert von jedem Wertschöpfungspartner
Flexibilität und Schnelligkeit. Zudem bedarf es standardi-
sierter offener Schnittstellen und Prozesse, die Vertrauen
und Sicherheit für alle am Wertschöpfungsnetzwerk betei-
ligten Akteure bieten [KWH12]. Die horizontale Inte gration
bietet Chancen für innovative Geschäftsmodelle, birgt je-
doch auch Risiken für bestehende. Die Arbeit in Wert-
schöpfungsnetzwerken birgt die Gefahr unausgewogener
BILD 5 Vertikale Integration
Felde
bene Vorverarbeitung Vormontage Montage Inspektion Verpackung
Vertikale Integration
Steu
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gslei
tebe
nePr
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bene
Betri
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ns-
leite
bene
Verknüpfung der IT-Systeme auf den Hierarchieebenen eines Unternehmens
14 | BASIS REFERENZARCHITEKTUR
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
Macht verhältnisse, d. h. die Dominanz von Partnern, die
die inno vativen Geschäftsmodelle beherrschen und die
schwache Stellung derjenigen, die die Rolle austausch-
barer Aus führer einnehmen.
Umfassendes Systems Engineering: Systems Enginee-
r ing (SE) ist ein durchgängiger domänenübergreifender
Ansatz zur Entwicklung multidisziplinärer technischer
Systeme. SE stellt das System in den Mittelpunkt und
umfasst die Gesamtheit aller Entwicklungsaktivitäten. Im
Vordergrund stehen die Interdiszip linarität und die ziel-
gerichtete ganzheitliche Problem betrachtung. SE hat das
Potential, der steigenden Produkt- und Prozess komplexität,
der verstärkten Interdisziplinarität und zunehmend ver-
teilten Wertschöpfung, bedingt durch den Wandel von rein
mechanischen Systemen hin zu hoch vernetzten Systemen
im Sinne von Industrie 4.0, gerecht zu werden. Vor diesem
Hintergrund ist der Ansatz des Model-Based Systems
Engineering (MBSE) besonders Erfolg versprechend.
MBSE stellt ein sog. Systemmodell in den Mittelpunkt der
Entwicklung. Es dient als Verstän digungsmittel zwischen
den Entwicklern der verschiedenen Fachbereiche, indem
es alle wesentlichen Informationen über das System ent-
hält und disziplinunabhängig beschreibt. Somit sichert das
Systemmodell ein gemeinsames Systemverständnis und
ist Ausgangspunkt für die ganzheitliche Ausarbeitung.
MBSE ist ein wichtiger Enabler für eine digitale, lücken-
lose Abbildung des gesamten Engineerings (Bild 7). Eine
lebens zyklusüberspannende Verfügbarkeit von Produkt-
und Produktions daten ermöglicht z. B. neue Erkenntnisse
über den Betriebsablauf oder den Verschleiß eines Pro-
dukts. Dadurch können Ausfälle vorhergesagt und War-
tungs- und Instandhaltungsarbeiten rechtzeitig initiiert
werden. Seit Jahrzehnten in der Luft- und Raum fahrt -
industrie ange wendet, müssen SE und MBSE nun auch in
den Branchen Maschinen- und Anlagenbau, Elektrotech-
nik/Elektronik, Automobilindustrie und Medizintechnik
flächendeckend eingesetzt werden. Dies erfordert eine
kon sequente Weiterentwicklung von Systems-Enginee-
ring-Ansätzen sowie geeigneten IT-Systemen und -Werk-
zeugen.
Die befragten Unternehmen stimmen mit der vertikalen
und horizontalen Integration und dem umfassenden Sys-
tems Engineering als übergeordnete Aspekte von Indus-
trie 4.0 überein. Die Relevanz dieser drei Aspekte wird
jedoch sehr unterschiedlich bewertet. Bei den befragten
Unternehmen – vor allem bei produzierenden Unterneh-
men – steht derzeit die vertikale Integration im Fokus. Die
Steigerung des Automa tisierungsgrades und eine zu-
BILD 6 Horizontale Integration
Felde
bene Vorverarbeitung Vormontage Montage Inspektion Verpackung
Vertikale Integration
Steu
erun
gslei
tebe
nePr
ozes
sleite
bene
Betri
ebsle
itebe
neUn
tern
ehme
ns-
leite
bene
Horizontale Integration
ProduktionBeschaffung Distribution
Zulieferer
Unternehmen mit Echtzeit-Kennzahlen steuern
Kundenindividuelle Konfiguration der Produkte
Zulieferer Kunde
Lager
KundeZulieferer
Ad-hoc-Vernetzung von intelligenten Maschinen, Betriebsmitteln, Produk-ten/ Werkstücken sowie Lagersystemen zu einem leistungsfähigen Wert-schöpfungsnetzwerk
BASIS REFERENZARCHITEKTUR | 15
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
nehmende Vernetzung in der Produktion werden oft als
wesentliche Ziele von Industrie 4.0 angegeben. Die hori-
zontale Integration, oder gar ein umfassendes Systems
Engineering, werden derzeit gar nicht oder nur am Rande
betrachtet.
ANFORDERUNGEN AN EINE REFERENZ-ARCHITEKTUR FÜR INDUSTRIE 4.0
Die drei übergeordneten Aspekte sind grundlegende Vor-
aussetzung zur Realisierung von Industrie 4.0. Dement-
sprechend müssen die Informationsarchitekturen der
Unternehmen diesen gerecht werden. Wie eine Referenz-
architektur für Industrie 4.0 konkret aussieht, ist derzeit
noch unklar. Aus der Analyse erfolgreicher Referenzarchi-
tekturen und der Befragung der Unternehmen ließen sich
folgende Anforderungen an eine zukunftsfähige Referenz-
architektur für Industrie 4.0 ableiten:
Digitale Durchgängigkeit: Eine Referenzarchitektur für
Industrie 4.0 muss eine digitale Durchgängigkeit innerhalb
eines Unternehmens (Vertikale Integration), unternehmens-
übergreifend entlang des gesamten Wertschöpfungsnetz-
werks (Horizontale Integration) und über den gesamten
Lebenszyklus eines Produktes (Umfassendes Systems
Engineering) ermöglichen. Jede relevante Aktivität im
Wertschöpfungsnetzwerk muss auf digitaler Ebene trans-
parent, nachvollziehbar und steuerbar sein. Ein vollständi-
ges, ausreichend hoch aufgelöstes und stets aktuelles
Datenabbild enthält die für Optimierungen nötigen Infor-
mationen und erlaubt, die Wirksamkeit von Maßnahmen
kurzfristig zu messen und ggf. anzupassen [Neu14]. Eine
digitale Durchgängigkeit erfordert Standards zur einheit-
lichen und herstellerunabhängigen Kommunikation zwi-
schen IT-Systemen.
IT-Sicherheit: IT-Sicherheit ist der Zustand, in dem Ver-
traulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit von Informa tionen
und Informationstechnik durch angemessene Maßnahmen
geschützt sind. Das Schutzziel Vertraulichkeit meint den
Schutz vor unbefugter Preisgabe von Informationen. Inte-
grität bezeichnet die Sicherstellung der Korrektheit von
Daten und der korrekten Funktionsweise von Systemen.
Verfügbarkeit ist gegeben, wenn die Funktionen eines
»Die Potentiale von Industrie 4.0 liegen langfristig in der horizontalen und nicht ausschließlich in der vertikalen Integration.«CHRISTOPH JOHANN | Industrial Segment Manager EMEA Embedded Sales Group, Intel Deutschland
Felde
bene Vorverarbeitung Vormontage Montage Inspektion Verpackung
Vertikale Integration
Steu
erun
gslei
tebe
nePr
ozes
sleite
bene
Distribution
Kunde
Lager
Kunde
Horizontale Integration
BILD 7 Umfassendes Systems Engineering
Beschaffung
Zulieferer
Zulieferer
ZuliefererBe
trieb
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bene
Unte
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-
leite
bene
Produktion
Systems Engineering ist ein durchgängiger, fach-disziplinübergreifender Ansatz zur Entwicklung multidisziplinärer technischer Systeme.
Umfassendes Systems Engineering
16 | BASIS REFERENZARCHITEKTUR
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
IT-Systems, IT-Anwendungen und -Netze stets wie vor-
gesehen genutzt werden können [BSI15]. Die Referenz-
architektur für Industrie 4.0 muss den Schutzzielen Ver-
traulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit in geeigneter
Weise nachkommen.
Allgemeingültigkeit: Eine Referenzarchitektur für Indus-
trie 4.0 ist so zu gestalten, dass sie unabhängig von der
Branche und der Unternehmensgröße eingesetzt werden
kann. Sowohl Unternehmen der diskreten Fertigung (z. B.
Automobilindustrie) als auch der kontinuierlichen Fertigung
(z. B. Chemieindustrie) müssen Referenzarchitekturen für
Industrie 4.0 gleichermaßen nutzen können. Gleiches gilt für
Unternehmen unterschiedlicher Größen. Eine Referenz archi-
tektur für Industrie 4.0 muss branchenunabhängig skalier-
bar und für jedes Unternehmen individuell ausprägbar sein.
Flexibilität: Unternehmen sind gezwungen, ihre System-
landschaft regelmäßig an veränderte Rahmenbe din gungen
und Anforderungen anzupassen. Eine flexible Refe renz-
architektur mit wandlungsfähigen modularen Systembau-
steinen ermöglicht es Unternehmen, Änderungen ohne
erkennbare Leistungseinbußen (z. B. Austausch einzelner
IT-Systeme) vorzunehmen [GP14]. Standardisierte Bau-
steine mit definierten Schnittstellen schaffen die Voraus-
setzung für ein flexibles Gesamt-IKT-System.
Smart Service Fähigkeit: Intelligente internetbasierte
Dienste als individuell konfigurierte, digital veredelte
Leistungsbündel aus Produkten, Dienstleistungen und
Diensten (sog. Smart Services) werden für Unternehmen
zu nehmend wichtiger. Smart Services erfordern digitale
Infrastrukturen und darauf aufbauende Dienste, die in
verschiedenen Kombinationen zu neuen Wertschöpfungs-
ketten und -netzwerken rekonfiguriert werden können. Die
Realisierung von Smart Services muss durch eine Referenz-
architektur für Industrie 4.0 berücksichtigt werden.
Transformationsfähigkeit: Die Nutzung bestehender
Infrastrukturen ist entscheidend für eine rasche Umset-
zung von Industrie 4.0. Nur in wenigen Fällen wird die IT
eines Unternehmens vollständig neu geplant. In der Regel
existiert bereits eine Vielzahl an IT-Systemen, deren voll-
ständiger Austausch in der Regel sehr zeit- und kosten-
intensiv ist. Eine Referenzarchitektur für Industrie 4.0 muss
den Unternehmen eine schrittweise Weiterentwicklung
hin zu Industrie 4.0 auf Basis bestehender Infrastrukturen
ermöglichen.
Eine Referenzarchitek-tur für Industrie 4.0 muss verschiedenen Branchen und Unter-nehmensgrößen ge-recht werden.
REFERENZARCHITEKTUREN FÜR INDUSTRIE 4.0 | 17
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
In der Diskussion über Industrie 4.0 treffen unterschied-
liche Interessen zusammen [BVZ15]. Wertschöpfungs-
netzwerke bestehen in der Regel aus mehreren Firmen
mit spezifischen Geschäftsmodellen. Zudem arbeiten Un-
ternehmen aus verschiedenen Branchen zusammen, z. B.
Unter nehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau,
der Automatisierungstechnik und der Softwarebranche
[KWH13]. Bis heute wurden mehrere Vorschläge für Re-
ferenzarchitekturen bekannt, die jedoch die vorgestellten
Anforderungen nicht vollumfänglich erfüllen. Eine Auswahl
von Vorschlägen verschiedener Verbände und Unterneh-
men wird im Folgenden analysiert.
1 | CPS MIT VERTEILTEN DIENSTEN (VDI, 2013)
Im Rahmen des Konzepts CPS bzw. CPPS werden Daten,
Dienste und Funktionen dort gehalten, abgerufen und aus-
geführt, wo es den größten Vorteil bringt. Dies muss nicht
zwangsläufig auf den klassischen Ebenen der Automa-
tisierungspyramide sein. Ein Beispiel dafür könnte eine Art
»Automatisierungscloud« sein, in der Daten über Dienste
gewonnen werden, anstatt wie bisher über Sensoren auf
der Feldebene. Die Einführung von vernetzten dezentralen
Systemen ersetzt in diesem Fall die relativ starre Automa-
tisierungspyramide. Dadurch werden Daten, Dienste und
Hardware komponenten auf beliebige Knoten des entste-
henden Netzes verteilt und bilden dort abstrakte Module
(Bild 8) [VDI13].
Ein Netz, in dem Daten, Informationen und Dienste in belie-
biger An- und Einordnung kommunizieren können, ermög-
licht einen disziplinübergreifenden, durchgängigen Infor-
mationsaustausch über Produkt-/Prozess- und Produktions-
status für alle erforderlichen Teilnehmer in der Wertschöp-
fungskette sowie den Zugriff auf Innovationen im Netz,
z. B. auf neueste Algorithmen und Dienste. Damit können
Prozessschritte mit effizienteren und schnelleren Steuerungs-
szenarien realisiert werden, die zudem deutlich weniger
komplex sind. Dies ermöglicht ebenfalls die dynamische
Einbindung von Diensten und Dienstleistern. Die adaptive,
wandlungsfähige Konfiguration bzw. partielle Selbstorga-
nisation der Produktionsprozesse sowie der Automatisie-
rungssysteme in Echtzeit (Plug & Produce) sind notwendig,
um schnellere Anpassungen an neue Marktbedingungen
und Produktvarianten zu ermöglichen. Hierzu gehört auch
der flexible Austausch einzelner Komponenten und Anla-
gen bestandteile. Die unüberschaubare Informationsvielfalt
erfordert eine Neugestaltung bzw. Anpassung von Mensch-
Maschine-Schnittstellen für eine bedarfsgerechte kontext-
sensitive Informationsaufbereitung. Durch die neue Struk-
tur können zukünftig echtzeitrelevante Anforderungen
direkt im Cyber-Physical System erfüllt werden [VDI13].
Die Meinungen der befragten Unternehmen zum Architek-
turmodell des VDI gehen weit auseinander. Für die eine
REFERENZARCHITEKTUREN FÜR INDUSTRIE 4.0STANDARDS FÜR KLAREN INFORMATIONSFLUSS
1 | CPS mit verteilten Diensten
2 | Manufacturing Execution System als zentrale Plattform
3 | Zentrale Verbindung zwischen Office und Shop Floor
4 | Offenes Grundkonzept der IoT-Plattform
5 | Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0)
6 | Industrial Internet Reference Architecture (IIRA)
VORSCHLÄGE FÜR REFERENZARCHITEKTUREN
18 | REFERENZARCHITEKTUREN FÜR INDUSTRIE 4.0
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
Seite gibt das Modell der CPS mit verteilten Diensten den
verbindenden und vernetzenden Charakter von Industrie 4.0
sehr gut wieder. Insbesondere der Smart Service Gedanke,
also die innovative Verknüpfung von digital veredelten Pro-
dukten, Prozessen und Dienstleistungen, sei in diesem
Modell sehr gut abgebildet. Für die andere Seite sei hin-
gegen eine vollständige Ablösung der Automatisierungs-
pyramide schwer vorstellbar und dieses Modell als Refe-
renzarchitektur wenig geeignet. Alle Unternehmen stim men
überein, dass das Modell des VDI bislang sehr generisch
ist und es einer weiteren Detaillierung, z. B. hinsichtlich
einheitlicher Kommunikationsstandards, bedarf.
2 | MANUFACTURING EXECUTION SYSTEM ALS ZENTRALE PLATTFORM (ZVEI, 2013)
Der ZVEI hat einen weiteren Aspekt in die Betrachtung
der Automatisierungspyramide eingebracht. In Unterneh-
men finden wir aktuell zwei Welten vor: den oberen Teil
der Automatisierungspyramide, das Enterprise Network
(Office Floor), und den unteren Teil, das Real-Time Network
(Shop Floor) (Bild 9). Das Enterprise Network vernetzt die
Systeme und Applikationen der Produktentstehung
(CAD-Systeme, Digitale Fabrik etc.), der Auftrags ab-
wicklung (ERP-, PPS-Systeme etc.) sowie die Anwendun-
gen der Logistik und des Finanzbereichs. Im Wesent lichen
findet in dieser administrativen Ebene die Machine-to-
Business-Kommunikation statt. Auf dem Shop Floor domi-
niert die Machine-to-Machine-Kommunikation, das heißt
der Informationsaustausch zwischen Maschinen, Steue-
rungssystemen, Sensorik und Aktorik. Grundlegender
Unterschied zwischen den beiden Ebenen sind die notwen-
digen Echtzeit-Anforderungen des Real-Time Networks,
welche derzeit für das Enterprise Network nicht erfor-
derlich oder technisch nicht realisiert sind. Echtzeit auf
dem Shop Floor bedeutet, Ergebnisse zuverlässig inner-
halb eines vorgegebenen Zeitfensters zu liefern [Kle12],
[Weg14]. Zur Vernetzung der beiden Ebenen mit der
System welt wird hier das MES als zentraler Baustein
aufgeführt. Die Funktionalitäten von MES decken den
prognostischen Aspekt (Produktionsprozessplanung), den
aktuellen Aspekt (Produktionsprozessregelung und -steu-
erung) sowie den historischen Aspekt (Produktionspro-
zessaus- und -bewertung) der Prozessdurchführung ab.
Planungsgegenstände von MES sind in der Regel ein oder
mehrere Aufträge mit einem Zeithorizont von einer Schicht
bis hin zu mehreren Schichten. Der Fortschritt der Auf träge
kann durch MES sekundengenau verfolgt werden. Folglich
ermöglichen MES-Echtzeitsysteme schnelle Reaktions-
zeiten [VDI5600].
In diesem Modell des ZVEI bildet das MES die zentrale
Kommunikations- und Verwaltungsplattform aller am
System beteiligten Komponenten. Andere Systeme, wie
das ERP- oder das PLM-System sowie Automatisierungs-
komponenten auf der Feldebene, werden über das MES
miteinander verknüpft.
Die befragten Unternehmen sehen in diesem Modell nur
bedingt eine geeignete Basis einer Referenzarchitektur für
Industrie 4.0. Das Modell würde primär die Sicht innerhalb
eines Unternehmens widerspiegeln und somit das Merk-
mal der horizontalen Integration vernachlässigen. Auch um-
fassendes Systems Engineering würde nicht ausreichend
BILD 8 Referenzarchitektur »CPS mit verteilten Diensten« des VDI [VDI13]
Unternehmensleitebene
Betriebsleitebene
Prozessleitebene
Steuerungsleitebene
Feldebene
REFERENZARCHITEKTUREN FÜR INDUSTRIE 4.0 | 19
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
berücksichtigt. Uneins sind die Unternehmen hinsichtlich
der zukünftigen Rolle von MES. Einige Unternehmen sind
der Meinung, dass MES in Zukunft verschwindet, da sich
die Unternehmensleit- und die Automatisierungsebene
an nähern und ERP-Systeme die Funktionalitäten von MES
integrieren. Andere Unternehmen wiederum vertreten die
Meinung, dass ERP-Systeme zukünftig am Tropf von MES
hängen. Somit würde die Bedeutung von MES in Zukunft
stark zunehmen.
3 | ZENTRALE VERBINDUNG ZWISCHEN OFFICE UND SHOP FLOOR (ZVEI, 2014)
Die 2014 veröffentlichte Referenzarchitektur des ZVEI weist
nach wie vor die beiden Unternehmenswelten Enterprise
Network (Office Floor) und Real-Time Network (Shop Floor)
auf (Bild 10). Heute sind die Ebenen bereits gut vernetzt,
fehlende Standards führen jedoch zu einem erheblichen
Umsetzungsaufwand. Der ZVEI stellt daher eine zentrale
BILD 9 Referenzarchitektur »MES als zentrale Plattform« des ZVEI [Weg14]
Office FloorMachine-to-Business
ERP
MESPLM Logistics
Control
Shop FloorMachine-to-Machine
Enterprise Network
Real-Time Network
BILD 10 Referenzarchitektur »Zentrale Verbindung zwischen Office und Shop Floor« des ZVEI [ZVE14]
!
Enterprise Network (Office Floor)
Real-Time Network (Shop Floor)
Konnektivität zu beliebigen Endpunkten Gemeinsames semantisches Modell
Geschäftsprozesse
Produktionsprozesse
SOA als gemeinsamer Mechanismus für die Integration
Standards als Basis für den Anschluss an das Enterprise Network
Wiederverwendung als einheitlicher Entwicklungsansatz
Anwendungen
Steuerung
Services
Sensoren
Daten
Daten
Cloud
Maschinen
Partner
Ereignisse
20 | REFERENZARCHITEKTUREN FÜR INDUSTRIE 4.0
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
Kommunikations- und Verwaltungsplattform in das Zen-
trum dieser Architektur. Diese Auf gaben muss jedoch
nicht zwangsläufig das MES übernehmen. Vielmehr wird
die Konnek tivität zu beliebigen Endpunkten eines Unter-
nehmens auf Basis eines gemeinsamen semantischen
Modells ermöglicht. Die Plattform stimmt die Interaktio-
nen aller beteiligten Komponenten ab. Die Schnittstelle
als gemein samer Mechanismus zur Integration des Office
und des Shop Floors wird durch eine serviceorientierte
Architektur (SOA) umgesetzt. Produktionsprozesse, Steu-
erungen, Sensoren, Daten, Maschinen und Ereignisse sind
an das Real-Time Network (Shop Floor) angebunden. Ge-
schäftsprozesse, Anwendungen, Services, Partner sowie
die Cloud sind hingegen mit dem Enterprise Network
(Office Floor) verknüpft. Weitere Standards für den An-
schluss an das Enterprise Network stärken einen durch-
gängigen einheitlichen Entwicklungsansatz sowie dessen
Wiederverwendbarkeit [ZVE14].
In der Untersuchung wird positiv bewertet, dass die Verbin-
dung zwischen Office und Shop Floor eine wichtige Rolle
spielt. Die Verbindung beider Welten sei eine große Her-
ausforderung, da die Anforderungen (z. B. im Hinblick auf
die Echtzeitfähigkeit) zwischen Office und Shop Floor sehr
stark abweichen. Die befragten Unternehmen sehen in
Zukunft eine Auflösung dieser strikten Systemgrenze
zwischen Office und Shop Floor. Dafür müssen sich beide
Welten aufeinander zu bewegen, sowohl technisch als
auch organisatorisch. Ähnlich wie bei der Referenzarchi-
tektur »MES als zentrale Plattform« sehen die Unterneh-
men Verbesserungsbedarf bei der Berücksichtigung der
horizontalen Integration und des umfassenden Systems
Engineering.
4 | OFFENES GRUNDKONZEPT DER IOT-PLATTFORM (SAP, 2015)
Als einer der weltweit führenden Softwarehersteller ver-
öffentlichte SAP im Jahr 2015 das offene Grundkonzept
der IoT-Plattform (Bild 11). Im Fokus stehen hierbei neue
Dienste und Services als Grundlage für innovative Ge-
schäftsmodelle und integrierte End-to-End-Prozesse. Das
Konzept baut auf der vom Unternehmen bereitgestellten
HANA®-Plattform auf und umfasst die drei Ebenen Ana-
lyse und Vorhersage, Basisanwendungen und App Store.
Maschinen und Transportsysteme bis hin zu ganzen Fabri-
ken werden direkt mit der Plattform in der Cloud vernetzt.
Partner, SAP, Kunden oder Drittanbieter können über die
Plattform weitere Dienste zur Verfügung stellen, z. B. Feh-
lermustererkennung, Remote Service oder Energiemanage-
ment. Die HANA®-Plattform basiert auf der In-Memory-
Technologie von SAP, einer offenen Plattform für Kunden
und Entwickler, um Apps in der Cloud zu entwickeln, zu
erweitern und zu betreiben. Nicht fokussiert werden die
BILD 11 Referenzarchitektur »Offenes Grundkonzept der IoT-Plattform« von SAP [SAP15]
Basisanwendungen (z. B. Digitales Objektgedächtnis, Connected Logistics, Vorausschauende Wartung etc.)
APP Store (angedacht)
z. B. Vorausschauende Wartung,Fehlermustererkennungfür Produkt & Qualität
z. B. RemoteService
z. B. Energie-management
Schn
ittst
elle
n/In
tegr
atio
n
Business Systeme
Partner SAP Kunden Drittanbieter
Business Systeme
Business Systeme
Analyse und Vorhersage
HANA®-Plattform
NU
TZEN
NU
TZEN
NU
TZEN
REFERENZARCHITEKTUREN FÜR INDUSTRIE 4.0 | 21
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
Business Systeme der jeweiligen Ebene. In dieser Architek-
tur wird von einer bereits homogenen Systemlandschaft
ausgegangen, die über Schnittstellen in die IoT-Plattform
integriert wird.
Die befragten Unternehmen sehen in einer offenen Cloud-
Plattform einen Erfolg versprechenden Weg für die System-
architektur im Rahmen von Industrie 4.0. Allerdings müs-
sen Dienste in der Cloud den Anforderungen der Praxis
gerecht werden. Dafür bedarf es u. a. einer flächendecken-
den und ausfallsicheren Breitbandinfrastruktur. Zudem
muss geklärt werden, wem die Daten gehören und wer
berechtigt ist, diese zu nutzen oder auch weiterzuver-
arbeiten. Diese Klärung ist von großer Bedeutung. Sie ent-
scheidet, wer die Hoheit über das neue Geschäftsmodell
hat – der System anbieter, der Anlagenbauer oder das neu
entstehende Service- Unternehmen.
5 | REFERENZARCHITEKTURMODELL INDUSTRIE 4.0 – RAMI 4.0 (ZVEI, PLATTFORM INDUSTRIE 4.0, 2015)
Im Rahmen der Plattform Industrie 4.0 hat der ZVEI ge-
meinsam mit den Partnern VDI/VDE-GMA, DKE, BITKOM
und VDMA das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0,
kurz RAMI 4.0, entwickelt. Das Architekturmodell basiert
auf dem Smart Grid Architecture Model, einem Modell zur
Visualisierung, Validierung und zum Aufbau von Smart-Grid-
Projekten, und wurde durch Industrie 4.0-Er fordernisse er-
weitert. RAMI 4.0 betrachtet die drei Dimensionen »Layers«,
»Life Cycle & Value Stream« und »Hierarchy Models« (Bild 12).
Die ver tikale Achse »Layers« beinhaltet sechs Schichten
zur Darstellung der unterschiedlichen Sichtweisen. Die
Darstellung in Schichten stammt aus der Informations-
und Kommunikationstechnologie, wo komplexe Produkte
üblicherweise in Schichten aufgegliedert werden. Inner-
halb der Schichten herrscht eine hohe Kohäsion, zwischen
den Schichten eine lose Kopplung. Mehrere Systeme
werden zu einem Gesamtsystem zusammengefasst, wo-
bei sowohl das Gesamtsystem als auch die Einzelsysteme
dem Referenzarchitekturmodell folgen [VDI15].
Die linke horizontale Achse »Life Cycle & Value Stream«
stellt den Lebenszyklus von Produkten und Anlagen dar
und basiert auf der Norm IEC 62890. Diese Achse dient
zur Visualisierung und Standardisierung von Zusammen-
hängen entlang des Lebens zyklus und den damit verbun-
denen Wertschöpfungsketten. Wichtig für die Betrachtung
des Lebens zyklus ist die Unterscheidung zwischen Typ und
Instanz. Ein Typ entsteht in der frühen Phase des Lebens-
zyklus. Gemeint sind damit z. B. die Beauftragung, die Ent-
wicklung oder der erste Prototyp. Eine Instanz ist das
fertige Produkt, das auf Basis des Typs gefertigt und an
den Kunden ausgeliefert wird [ZVE15].
BILD 12 Referenzarchitektur »RAMI 4.0« der Plattform Industrie 4.0 [ZVE15]
Life Cycle & Value StreamIEC 62890 Hierarchy Models
IEC 62264 | IEC 61512Layers
Business
Connected WorldEnterpriseWork UnitsStationControl Device
Field DeviceProduct
Development
Type
Instance
Production
Maintenance/Usage
Maintenance/Usage
Functional
Information
Communication
Integration
Asset
22 | REFERENZARCHITEKTUREN FÜR INDUSTRIE 4.0
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
Die rechte horizontale Achse »Hierarchy Models« verortet
Funktionalitäten und Verantwortlichkeiten innerhalb von
Fabriken und Anlagen. Dafür orientiert sich das RAMI 4.0
an den Normen IEC 62264 und IEC 61512. Zur möglichst
ein heitlichen Betrachtung vieler Branchen wurden die Be-
griffe »Enterprise«, »Work Unit«, »Station« und »Control
Device« verwendet. Da zur umfassenden Abdeckung von
Industrie 4.0 auch die Betrachtung innerhalb einer Ma-
schine oder Anlage entscheidend ist, wurden die Ebene
»Field Device« sowie das »Product« selbst ergänzt. Zudem
bildet die Ebene »Connected World« Funktionalitäten des
Internets der Dinge und Dienste ab [VDI15].
RAMI 4.0 soll verschiedene Nutzerperspektiven vereinen
und ein gemeinsames Verständnis für Techno logien bilden.
Als eine Art 3-D-Landkarte für Industrie 4.0-Lösungen soll
RAMI 4.0 die nötige Orientierung geben, um Industrie 4.0
zu definieren und weiterzuentwickeln. Das Architektur-
modell bietet die Basis für die weiteren Schritte: Bildung
einheitlicher Normen und Standards zur Identifikation von
vernetzten Dingen in der Produktion; Festlegung einer
einheitlichen Semantik für die Kommuni kation zwischen
Maschinen und Werkstücken; Definition von Diensten der
Industrie 4.0-Komponenten (z. B. Zeit synchronisation und
Echtzeitfähigkeit); Festlegung einheitlicher Kommunika-
tionsverbindungen und Protokolle [ZVE15].
Die befragten Unternehmen attestieren diesem Referenz-
architekturmodell den weitesten Fortschritt. Das RAMI 4.0
sei bereits sehr umfassend und bilde die übergeordneten
Merkmale von Industrie 4.0 sehr gut ab. Dennoch müsse
das Modell weiter konkretisiert werden. Beispielsweise
ist zu definieren, welche Protokolle für die Kommunika tion
zwischen Maschinen verwendet werden sollen. Neben der
Konkretisierung ist den Unternehmen die Überprüfung der
Praxistauglichkeit wichtig. Use Cases müssen zeigen, dass
das RAMI 4.0 die Anforderungen verschiedener Branchen
erfüllt. Zudem merken die befragten Unternehmen an, dass
das Referenz architekturmodell Industrie 4.0 zwar einen
Zielzustand beschreibe, den Weg dorthin jedoch nicht
beschreiben würde. Zur erfolgreichen Umsetzung einer
Referenzarchitektur muss den Unternehmen der Pfad dort-
hin aufgezeigt werden. Derzeit wird das RAMI 4.0 in die
DIN SPEC 91345 überführt und soll Anfang 2016 sowohl
in deutscher als auch in englischer Sprache veröffentlicht
und in die internationale Normung eingebracht werden
[DD15].
6 | INDUSTRIAL INTERNET REFERENCE ARCHITECTURE – IIRA (IIC, 2015)
Das amerikanische Industrial Internet Consortium (IIC) ver-
öffentlichte im Juli 2015 die Industrial Internet Reference
Architecture (IIRA). Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung
dieser Architektur waren die Unternehmensbefragungen
im Rahmen dieser Broschüre bereits abgeschlossen. Der
folgen den Analyse liegen daher keine Unternehmens-
meinungen zugrunde. Dennoch ist die Architektur ein wich-
tiger Bestandteil derzeitiger Aktivitäten im Bereich »Refe-
renzarchitektur Industrie 4.0«.
IIRA ist eine standardbasierte offene Architektur für sog.
»Industrial Internet Systems«. Ziele der IIRA sind eine
breite Anwendbarkeit, die Stärkung von Kompatibilität,
BILD 13 Referenzarchitektur »Industrial Internet Reference Architecture« des IIC [Ciu15]
Stakeholders ISO/IEC/IEEE 42010:2011
Biz Decision MakersSystem EngineersProduct Managers
Why
Biz View
Usage View
Functional View
Implementation View
Verb
Noun
What
How
System EngineersProduct ManagersSystem Architects
ArchitectsEngineersDevelopersIntegratorsDeployment Operations
Biz Values, Objectives & CapabilitiesBusiness Viewpoint
Usage ActivitiesUsage Viewpoint
Funct. Decomposition & StructureInterfaces & Interactions
Functional Viewpoint
Activity & Functional to Technologies Mapping
Implementation Viewpoint
REFERENZARCHITEKTUREN FÜR INDUSTRIE 4.0 | 23
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
das Zusammenbringen bestehender Technologien sowie
die Rahmenbildung für die Entwicklung neuer Technolo-
gien und Standards. IIRA fasst gemeinsame Merkmale,
Funktionen und Muster von heute bekannten Anwendungs-
fällen zusammen, soll aber auch die Anfor derungen zu-
künftiger Technologien erfüllen. Die Referenz architektur
definiert ein sog. Industrial Internet Architecture Frame-
work (IIAF), um die verschiedenen Stakeholder von kom-
plexen Systemen entlang des Produktlebens zyklus zu be-
rücksichtigen (Bild 13). Es legt Konventionen, Prinzipien
und Praktiken zur Beschreibung von Architek turen in be-
stimmten Anwendungsgebieten und Gemeinschaften von
Stakeholdern fest. Das Architecture Framework basiert auf
der ISO/IEC/IEEE 42010:2011, einem Standard aus dem
Systems und Software Engineering. Der Standard kodifi-
ziert Konven tionen und Praktiken der Architekturentwick-
lung und stellt eine Kern-Ontologie zur Beschreibung von
Architekturen bereit. Das IIAF nutzt die generellen Aspekte
und Konstrukte dieser Spezifika tion wie »Stakeholder« und
»Viewpoint«, die die Basis des Frameworks bilden. Das IIC
definiert mit seiner Referenzarchitektur die Eigenschaften
von Industrial Internet Systems. Neben Eigen schaften wie
Datenschutz, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit, Benutzer-
freundlichkeit, Wartbarkeit, Übertragbarkeit und Zusam-
mensetzbarkeit rückt das IIC vor allem die Eigenschaften
Gefahrlosigkeit (Safety), Sicherheit (Security) und Wider-
standsfähigkeit (Resilienz) in den Fokus [IIC15a].
IIRA ist stark geprägt von der Softwareentwicklung, z. B.
in Fragen der IT-Sicherheit oder der Datenverarbeitung.
Dadurch ist die Architektur konsequent auf hohe Daten-
und Prozesssicherheit ausgerichtet und jeder »Viewpoint«
stimmt mit anderen Software-Referenzmodellen überein.
Vernachlässigt werden der Lebenszyklus von Systemen
sowie die vertikale Verknüpfung von Produkten, Unter-
nehmen und ihren Netzwerken [Knu15].
FAZIT
Die erläuterten Referenzarchitekturen adressieren ver-
schiedene Sichten und Zielgruppen. Jedes der vorgestell-
ten Modelle weist wichtige Aspekte auf und deckt einen
Teil der Anforderungen ab. Dies bestätigen auch die be-
fragten Unternehmen, die sich je nach Branche besser
oder schlechter mit den einzelnen Modellen identifizieren
können. Bild 14 zeigt eine Übersicht über die Erfüllungs-
grade der Modelle hinsichtlich der Anforderungen an eine
Referenzarchitektur für Industrie 4.0. Welches Architektur-
modell sich durchsetzen kann, ist eine Frage der prakti-
schen Umsetzbarkeit. Erst wenn die Praxistauglichkeit der
oft sehr wissenschaftlichen Modelle nachgewiesen ist,
werden sich Unternehmen mit dem Thema »Referenz-
architektur für Industrie 4.0« stärker befassen. Zudem muss
Unternehmen aufgezeigt werden, wie die Transformation
vom Status quo hin zur Umsetzung gelingen kann.
BILD 14 Bewertung der untersuchten Referenzarchitekturen
teilw
eise
erf
üllt
nich
t erf
üllt
voll
erfü
llt
Erfüllungsgrade der Modelle
Anforderungen
Digitale Durchgängigkeit
IT-Sicherheit
Allgemeingültigkeit
Flexibilität
Smart Service Fähigkeit
Transformationsfähigkeit
CPS mit verteilten Diensten
MES als zentrale Plattform
Zentrale Verbindung zwischen
Office und Shop Floor
Offenes Grundkonzept der
IoT-Plattform
RAMI 4.0
IIRA
24 | HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
Aus der Untersuchung der Architekturmodelle und den
Unternehmensbefragungen lassen sich Handlungsempfeh-
lungen für die Entwicklung einer Referenzarchitektur, aber
auch für die generelle Umsetzung von Industrie 4.0 ab-
leiten. Sie lassen sich in die Bereiche Architektur, Systems
Engineering und Geschäftsmodelle einteilen.
ARCHITEKTUR
Die befragten Unternehmen erkennen den Nutzen einer
Referenzarchitektur, die einen Ordnungsrahmen für die
Strukturierung, Entwicklung, Integration und den Betrieb
der im Rahmen von Industrie 4.0 relevanten technischen
Systeme bildet [KWH13]. Aktuelle Architekturen vertreten
unterschiedliche Sichtweisen und adressieren verschie-
dene Zielgruppen. Aufgrund vielfältiger Anforderungen der
Unternehmen erscheint eine einheitliche detaillierte
Referenzarchitektur schwer realisierbar. Der Wunsch der
Unternehmen ist daher eine Art Klassenmodell der Refe-
renzarchitektur, das dem jeweiligen Bedarf entsprechend
immer weiter ausgeprägt und verfeinert werden kann. Die
übergeordnete Klasse der Architektur ist wenig detailliert,
steckt aber den groben Rahmen zur Gestaltung der IT-Land-
schaft in einem Wertschöpfungsnetzwerk ab. Anwen-
dungsspezifisch und bedarfsgerecht ausgeprägt wird die
Architektur detaillierter und bietet alle relevanten Infor-
mationen für die praktische Umsetzung, z. B. Informatio-
nen über Kommunikationsstandards und herstellerunab-
hängigen Datenaustausch.
Die derzeit sehr generischen Modelle müssen durch Use
Cases praxisbezogen erklärt werden. Wenn Unter nehmen
die Praxistauglichkeit ersichtlich wird, ziehen sie diese bei
einer Neuordnung ihrer IT-Landschaft in Erwägung. Dazu
bedarf es jedoch geeigneter Gestaltungsrichtlinien für die
Transformation vom Status quo bis hin zur Referenzarchi-
tektur für Industrie 4.0. Die Gestaltungsrichtlinien müssen
bestehende IT-Systeme berücksichtigen, da nur wenige
Unternehmen ihre IT-Systeme neu auf der »grünen Wiese«
planen werden.
SYSTEMS ENGINEERING
Industrie 4.0 führt zu hochgradig vernetzten Systemstruk-
tu ren mit einer Vielzahl von beteiligten Personen, IT-Sys-
temen, Automatisierungskomponenten und Maschinen.
Die zuneh mende Vernetzung führt zu einer steigenden
Komplexität und verstärkten Interdisziplinarität. Diese
Herausforderungen zeichnen sich seit geraumer Zeit deut-
lich ab. Die befragten Unternehmen fordern vor diesem
Hintergrund mehr Kompetenzen im Bereich Systems
Engineering. Neben dem Spezialwissen in einer Fachdiszi-
plin (»Wissen in der Tiefe«) müssen die Mitarbeiter ein
Verständnis für das Gesamtsystem haben (»Wissen in der
Breite«). Um die steigende Komplexität von Industrie 4.0
zu beherrschen, muss das Denken in Gesamtsystemen und
HANDLUNGSEMPFEHLUNGENVON DER THEORIE IN DIE PRAXIS
HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN
Bildung eines Klassenmodells der Referenzarchitektur zur
Berücksichtigung der bedarfsgerechten Ausprägung verschie-
denster Unternehmen und Branchen
Nachweis der Praxistauglichkeit von Architekturmodellen
durch geeignete Use Cases
Erstellung von Gestaltungsrichtlinien für die Transformation
vom unternehmensspezifischen Status quo bis hin zur
Referenz architektur für Industrie 4.0
HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN | 25
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
über Fachdisziplinen hinweg stärker gefördert werden.
Mehr denn je werden »Spezialisten für den Zusammen-
hang« benötigt. Dies lässt sich am Beispiel der IT-Land-
schaft im Gesamtsystem »Wertschöpfungsnetzwerk«
verdeutlichen: Für die horizontale Integration in einem
Wert schöpfungsnetzwerk müssen die IT-Systeme der Un-
ternehmen (Subsysteme des Wertschöpfungsnetzwerks)
miteinander verknüpft werden. Zur ver tikalen Integration
in einem Unternehmen bedarf es der Verknüpfung des
Enterprise Networks (Office Floor) mit dem Real-Time
Network (Shop Floor). Somit müssen auch die Subsysteme
eines Unternehmens entsprechend auf einander abge-
stimmt werden. Die Gestaltung des Öko systems Indus trie 4.0
bedarf einer ausgeprägten Kompetenz im Bereich Systems
Engineering. Die Forderung der Unternehmen nach Mit-
arbeitern mit entsprechendem Fachwissen muss sich in den
Lehrplänen von Ausbildung, Studium und berufsbegleiten-
der Weiterbildung wider spiegeln. Bislang sind die angebo-
tenen Studiengänge meist fachspezifisch ausgerichtet.
Dem Zusammenwirken der Fachdisziplinen zu einem kom-
plexen intelligenten technischen System wird zu wenig
Aufmerksamkeit geschenkt. Hier müssen Politik und Hoch-
schulen nachjustieren und das Thema Systems Enginee -
ring stärker forcieren.
GESCHÄFTSMODELLE
Industrie 4.0 wird nur erfolgreich sein, wenn es zu quali-
ta tivem Wachstum, unternehmerischem Erfolg und Be-
schäftigung führt. Das Potential dafür ist vorhanden, es zu
erschließen ist primär eine Frage der Geschäftsmodelle.
Refe renzarchitekturen und Geschäftsmodelle sind vor
diesem Hintergrund eng verbunden. Neue Geschäfts-
modelle sind durch geeignete Referenzarchitekturen zu
unterstützen. Dieser Meinung sind die befragten Unter-
nehmen, die derzeit prüfen, wie sich ihr aktuelles Ge-
schäftsmodell optimieren und verfeinern lässt bzw. inwie-
weit neue Geschäftsmodelle kurz-, mittel- und langfristig
tragfähig sind. Derzeit stehen bei vielen Unternehmen noch
die Steigerung des Automatisierungsgrades und die zu-
nehmende Vernetzung der Systeme auf dem Shop Floor
im Mittelpunkt ihrer Industrie 4.0-Aktivitäten. Die großen
Potentiale liegen jedoch vielmehr in neuen Geschäfts-
modellen auf Basis von Industrie 4.0-Technologien zur
Generierung von Umsätzen durch Dienste. Unternehmen
benötigen dazu eine Innovationskultur und die Fähigkeit
zur Entwicklung disruptiver Geschäftsmodelle. In der jünge-
ren Vergangenheit wurden disruptive Geschäftsmodelle in
der Regel von internationalen Internetunternehmen wie
Google oder Amazon im Business-to-Consumer-Bereich
(B2C) geprägt. Die Geschäftspraktiken solcher Unterneh-
men sehen die befragten Unternehmen als Chance für die
heimische Industrie. Sie können aber auch zur Gefahr
werden, erst recht wenn sie nicht beachtet werden und
die hiesigen Unterneh men untätig bleiben. Ob sich aus
Industrie 4.0 ein attrak ti ver Business Case für Unterneh-
men ergibt, der zudem attrak tiver ist als andere Investi-
tionen, muss jedes Unternehmen für sich bewerten. Indus-
trie 4.0 wird sich nur durchsetzen, wenn der Nutzen klar
erkennbar und der wirtschaftliche Erfolg absehbar ist.
Um eine Referenzarchitektur aus der Theorie in die Praxis
zu übersetzen, bedarf es starker Partner. Die Unternehmen
wurden daher gefragt, welche Partner zur Umsetzung einer
Referenzarchitektur nötig sind.
HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN
Weiterentwicklung von Methoden und Werkzeugen des
Systems Engineering für einen breiten branchenunabhängigen
Einsatz, insbesondere bei KMUs
Stärkung des Model-Based Systems Engineering für den
fachdisziplinübergreifenden Entwurf mithilfe von Modellen
Praxisgerechte Aus- und Weiterbildungsangebote zur besseren
Ausbildung von »Spezialisten für den Zusammenhang«
HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN
Geschäftsmodell-Innovationen vorantreiben, anstatt allein Pro-
zesse und Produktgeschäft zu innovieren; wobei Produkte, Pro-
zesse und Geschäftsmodelle im Wechselspiel zu betrachten sind
Geschäftsmodelle auf Basis bestehender und neuer Geschäfts-
modell-Muster effizient entwickeln
Potentiale hybrider Geschäftsmodelle (digital veredelte Pro-
dukte und Smart Services) auf Basis von Industrie 4.0-Techno-
logien erschließen und mithilfe von Referenzarchitekturen
aufbauen
Pilotprojekte für die Umsetzung neuer Geschäftsmodelle initi-
ieren, z. B. mithilfe autonomer Innovationsteams unter früh-
zeitiger Einbindung von Referenzkunden
Global vernetzt in Wertschöpfungsnetzwerken agieren und
weltweit verfügbare Kompetenzen durch Partnerschaften oder
Allianzen einbinden
26 | HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
Viele Aktivitäten im Hinblick auf eine Referenzarchitektur
gingen bisher von Verbänden aus. VDI, ZVEI, BITKOM oder
VDMA sind wichtige Akteure für die Umsetzung von
Industrie 4.0. Sie vertreten die Interessen verschiedener
Branchen und einer Vielzahl von Unternehmen. Insbeson-
dere der für Deutschland wichtige Mittelstand hat hier-
durch die Möglichkeit, die Entwicklung von Industrie 4.0
auf Augenhöhe mit Großunternehmen mitzugestalten.
Neben der Arbeit in Verbänden müssen sich vor allem
große Unternehmen noch stärker für die Umsetzung einer
Referenzarchitektur einsetzen. Insbesondere bei der Defi-
nition von Standards, z. B. im Hinblick auf Kommunikations-
verbindungen und Protokolle, müssen Unternehmen stärker
vorangehen und enger kooperieren. Industriestandards sei-
en bei der raschen Entwicklung von Industrie 4.0 eher an-
gebracht als Normen, deren Normungsverfahren oft sehr
langwierig sind. Ein Beispiel für die Kooperation von
Unternehmen ist das Industrial Internet Consortium (IIC)
in den USA. Das IIC wurde von den Unternehmen AT&T,
Cisco, General Electric, IBM und Intel gegründet, um die
digitale mit der realen Welt zu verzahnen und das Thema
»Internet der Dinge« weiterzuentwickeln. Ein wesentliches
Ziel des industriegeführten IIC ist es, weltweite Standards
für das Internet der Dinge und die Kommunikation zwi-
schen Maschinen zu gestalten, damit die vierte industri-
elle Revolution nicht gleich zu Beginn durch proprietäre
Schnittstellen ausgebremst wird [IIC15b]. Eine derart starke
Industriebeteiligung wünschen sich die befragten Unter-
nehmen auch bei der deutschen »Initiative Plattform Indus-
trie 4.0«, die bislang stark durch Verbände und Politik
geprägt ist.
Die Politik soll sich dennoch nicht aus dem Thema Indus-
trie 4.0 zurückziehen. Sie ist ein wichtiger Akteur bei der
Umsetzung von Industrie 4.0, insbesondere im interna-
tionalen Umfeld. Von der Politik muss u. a. ein geeigneter
recht licher Rahmen geschaffen werden, der z. B. den Um-
gang mit Daten regelt. Zudem bedarf es einer flächen-
deckenden Breitbandinfrastruktur, damit auch Unterneh-
men in ländlichen Regionen von Industrie 4.0 -Entwicklungen
profitieren können. Ferner ist es eine wichtige Aufgabe
der Politik, geeignete Aus- und Weiterbildungsmaßnah-
men zu fördern. Diese müssen in enger Abstimmung mit
den Industrie- und Handelskammern, Gewerkschaften,
Hochschulen und Unternehmen erarbeitet werden. Indus-
trie 4.0 wird die Arbeitswelt verändern. Darauf müssen
aktuelle und zukünftige Arbeitnehmer vorbereitet werden.
»Die Energie der deutschen Unternehmen zur Platt formerstellung sollte gebündelt werden.«ULRICH AHLE | Leiter Manufacturing Retail & Transportation Systems Integration Germany, Atos IT Solutions and Services
Die Digitalisierung der Industrie als Wett-bewerbsvorteil nutzen
RESÜMEE UND AUSBLICK | 27
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
Die zunehmende Digitalisierung eröffnet neue Perspek-
tiven in vielen Lebens- und Wirtschaftsbereichen. Indus-
trie 4.0 bringt die Anwendung von intelligenten techni-
schen Systemen und dem Internet der Dinge und Dienste
im Bereich der industriellen Produktion zum Ausdruck. Die
sog. vierte industrielle Revolution eröffnet faszinierende,
unüber schaubare Möglichkeiten zur Gestaltung von Wert-
schöpfungsnetzwerken und neuen Geschäftsmodellen. Bei
aller Euphorie für Industrie 4.0 darf jedoch nicht über sehen
werden, dass die Einführung und Nutzung von IT-Syste-
men am Ende einer gut überlegten Handlungskette stehen
und nicht am Anfang: »Das Pferd darf nicht von hinten auf-
gezäumt werden.«
Vier Jahre nach dem Bekanntwerden des Begriffs Indus-
trie 4.0 steht dieser in nahezu jeder industriepolitischen
Agenda und Unternehmensstrategie und ist auch inter-
national eines der Aushängeschilder des Produktions-
standorts Deutschland. Zwar wurde Industrie 4.0 in vielen
Unternehmen zur »Chefsache« erklärt, dennoch ist die kon-
krete Umsetzung eine Herausforderung. Gründe dafür sind
diverse Barrieren wie Unsicherheit bzgl. des eigenen
Geschäfts modells, unzureichende Standardisierung oder
Bedenken hinsichtlich der zunehmenden Vernetzung mit
Partnern in einem Wertschöpfungsnetzwerk. Es bedarf
einer Aufklärung der Unternehmen für die spezifischen
Chancen, aber auch der Risiken von Industrie 4.0. Denn
erst wenn Unternehmen für sich einen Nutzen erkennen,
ausreichend Vertrauen in neue Technologien gewinnen und
die sich eröffnenden Möglichkeiten begreifen, wird die
Umsetzung von Industrie 4.0 im Unternehmen zielführend
gelingen.
Zur erfolgreichen Umsetzung von Industrie 4.0 bedarf es
eines neuen Referenzmodells der industriellen Informa-
tionsarchitektur: einer Referenzarchitektur für Industrie 4.0.
Diese soll als allgemeingültiges Muster für die Produkte
und Dienstleistungen aller am Wertschöpfungsnetzwerk
beteiligten Unternehmen dienen. Den Nutzen einer Refe-
renzarchitektur zeigen Beispiele aus der Vergangenheit,
wie das ISO/OSI-Modell oder die Automatisierungs-
pyramide. Diese Referenzarchitekturen stammen zwar aus
verschiedenen Bereichen, beruhen aber auf denselben
Gestaltungsprinzipien. Sie definieren allgemeingültige,
individuell ausprägbare Komponenten, deren Hierarchi-
sierung und Kommunikation auf Basis einheitlicher Stan-
dards beschrieben ist. Zur Realisierung der Vision Indus-
trie 4.0 sind drei übergeordnete Aspekte zu beherrschen:
vertikale Integration, horizontale Integration und umfas-
sendes Systems Engineering. Darüber hinaus muss eine
Referenzarchitektur weiteren Herausforderungen wie der
digitalen Durchgängigkeit oder ausreichender IT-Sicher-
heit gerecht werden.
Verschiedene Verbände und Unternehmen haben bereits
Vorschläge für Referenzarchitekturen entwickelt. Im Rah-
men dieser Broschüre wurde eine Auswahl analysiert und
mit Unternehmen diskutiert. Jeder der untersuchten An-
sätze weist wichtige Aspekte auf, keiner deckt jedoch die
gestellten Anforderungen vollständig ab. Die befragten
Unternehmen können sich je nach Branche besser oder
schlechter mit den einzelnen Architekturmodellen identi-
fizieren. Welches sich letztendlich durchsetzen kann, ist
eine Frage der praktischen Umsetzbarkeit.
Die vorliegende Broschüre kommt zu drei wesentlichen
Handlungsempfehlungen für die Entwicklung einer Refe-
renzarchitektur:
RESÜMEE UND AUSBLICKSTANDARDS SCHAFFEN, BARRIEREN ABBAUEN
28 | RESÜMEE UND AUSBLICK
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
1 | Für die Architekturgestaltung ist ein Klassenmodell der
Referenzarchitektur sinnvoll, das je nach Branche und
Unternehmen bedarfsgerecht anpassbar ist. Ferner gilt
es, die Praxistauglichkeit von Architekturmodellen
durch geeignete Use Cases nachzuweisen und Unter-
nehmen Gestaltungsrichtlinien an die Hand zu geben.
2 | Der Notwendigkeit einer systemischen Herangehens-
weise muss Rechnung getragen und neue Methoden
für das Systems Engineering müssen entwickelt wer-
den. Praxisgerechte Aus- und Weiterbildungsangebo-
te zur besseren Ausbildung von »Spezialisten für den
Zusammenhang« werden benötigt.
3 | Bestehende Geschäftsmodelle müssen geprüft und in-
noviert werden. Potentiale liegen hier insbesondere
in hybriden Geschäftsmodellen (digital veredelte Produk-
te und Smart Services), die auf Basis von Industrie 4.0-
Technologien erschlossen und mithilfe von Referenz-
architekturen aufgebaut werden. Für Unternehmen ist
es wichtig, global vernetzt in Wertschöpfungsnetz-
werken zu agieren und weltweit verfügbare Kompeten-
zen durch Partnerschaften oder Allianzen einzubinden.
Um eine Referenzarchitektur aus der Theorie in die Praxis
zu übersetzen, bedarf es starker Partner. Wichtig dabei
sind Verbände, die Interessen verschiedener Branchen
und einer Vielzahl von Unternehmen vertreten. Insbeson-
dere der für Deutschland wichtige Mittelstand kann hier-
durch die Entwicklung von Industrie 4.0 aktiv mitgestalten.
Neben der Arbeit in Verbänden müssen sich vor allem
große Unternehmen noch stärker für die Umsetzung einer
Referenzarchitektur einsetzen. Insbesondere bei der Defi-
nition von Standards, z. B. im Hinblick auf Kommunikations-
verbindungen und Protokolle, müssen Unternehmen enger
kooperieren. Aber auch die Politik muss die Etablierung eines
geeigneten rechtlichen Rahmens und die Schaffung einer
flächendeckenden Breitbandinfrastruktur sicherstellen.
HINTERGRUND
Im Rahmen dieser Broschüre wurden Geschäftsführer und Projektverantwortliche von 13 Unternehmen,
Softwarehäusern und Beratungsunternehmen zur aktuellen Situation ihrer Betriebe und zur Einschätzung
von Industrie 4.0 befragt. Die in dieser Broschüre geschilderten Ergebnisse entsprechen daher nicht
unbedingt der Meinung Einzelner.
Atos IT Solutions and Services GmbH
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Bender GmbH & Co. KG
FASTEC GmbH
Gestamp Umformtechnik GmbH
Intel Deutschland GmbH
KraussMaffei Technologies GmbH
MODUS Consult AG
Adam Opel AG
PHOENIX CONTACT Electronics GmbH
SAP AG
Siemens AG
Smart Mechatronics GmbH
LITERATUR | 29
ERFOLGSFAKTOR REFERENZARCHITEKTUR
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Industrie 4.0: Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0)
LITERATUR
30 | CLUSTERPARTNER
AUF DEM WEG ZUR INDUSTRIE 4.0
CLUSTERPARTNER
Im it’s OWL e.V. bündeln Unternehmen, Hochschulen, Forschungsinstitute und weitere Partner ihre Interessen.
FÖRDERMITGLIEDER
Rund 100 Fördermitglieder – insbesondere kleine und mittlere Unternehmen – nutzen die Leistungsangebote des Spitzenclusters,
um sich zu vernetzen und ihre Betriebe fit für Industrie 4.0 zu machen.
Interessierte Unternehmen, wissenschaftliche Einrichtungen und wirtschaftsnahe Organisationen sind herzlich eingeladen, sich im
Spitzencluster zu engagieren und dem Verein beizutreten. Informationen zum Verein (Satzung, Beitragsordnung und Beitritts erklärung)
sowie weitere Partner finden Sie unter: www.its-owl.de/partner
UNTERNEHMEN
HOCHSCHULEN UND FORSCHUNGSEINRICHTUNGEN
TRANSFERPARTNER
CONSULTING & INNOVATION
motion control
GEMEINSAM ERFOLGREICH
DIE AUTOREN
IMPRESSUM
Dr.-Ing. Roman DumitrescuGeschäftsführer
it’s OWL Clustermanagement GmbH
Prof. Dr.-Ing. Jürgen GausemeierHeinz Nixdorf Institut (Universität Paderborn)
Vorsitzender it’s OWL Clusterboard
Arno KühnStrategie, FuE
it’s OWL Clustermanagement GmbH
Fraunhofer-Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik
Dr. Markus Luckey
Senior Berater
UNITY AG
Christoph Plass
Vorstand
UNITY AG
Marcel SchneiderStrategische Produktplanung und Systems Engineering
Heinz Nixdorf Institut (Universität Paderborn)
Thorsten Westermann
Produktentstehung
Fraunhofer-Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik
HERAUSGEBERit‘s OWL Clustermanagement GmbH
Verantwortlich: Dr.-Ing. Roman Dumitrescu,
Günter Korder, Herbert Weber
Umsetzung: Sabrina Donnerstag
Gestaltung: VISIO Kommunikation GmbH
Bildnachweis: DMG MORI (Titelbild), Fotolia (Mayboro,
3ddock, Oleksiy Mark, A_Bruno, Nmedia –
S. 6/7), Hettich (S. 10), PHOENIX CONTACT
(S. 16), HELLA (S. 26)
Dezember 2015
GEFÖRDERT VOM BETREUT VOM DAS CLUSTERMANAGEMENT WIRD GEFÖRDERT DURCH
it’s OWL Clustermanagement GmbH Zukunftsmeile 1 | 33102 Paderborn
Tel. 05251 5465275 | Fax 05251 5465102
[email protected] | www.its-owl.de