Automatisierung der Produktion in der Industrie 4.0

In der Industrie 4.0 spielt die Automatisierung der Produktion eine zentrale Rolle. Die Industrie 4.0 umfasst die Vernetzung von Maschinen und Anlagen, um eine intelligente Produktionsstätte zu schaffen, in der Prozesse autonom und in Echtzeit gesteuert werden. In dieser Umgebung ermöglicht die Automatisierung die Integration moderner Technologien, die Produktionsprozesse nicht nur effizienter und flexibler gestalten, sondern auch besser an individuelle Anforderungen anpassen. In der Industrieproduktion können somit viele Prozesse, von der Fertigung bis zur Logistik, automatisiert werden. Die Automatisierungspyramide bietet eine Struktur, die diese Prozesse systematisch ordnet, während die Automatisierungstechnik ihre Umsetzung ermöglicht. Damit trägt die Produktionsautomatisierung entscheidend dazu bei, Verschwendung zu reduzieren und die Effizienz, insbesondere im Rahmen von Lean Production, zu maximieren.

GREIF-VELOX setzt zur Automatisierung der Produktion in der Industrie 4.0 spezialisierte Maschinen wie vollautomatische Abfüll- und Verpackungsanlagen ein. Diese Maschinen umfassen hochpräzise Dosier- und Wiegetechnologien sowie autonome Systeme für das Abfüllen, Verpacken und den Materialtransport. Zu den eingesetzten Technologien gehören auch fortschrittliche Steuerungssysteme und Sensorik, die eine Echtzeitüberwachung und -steuerung der Produktionsprozesse ermöglichen.

Der folgende Text untersucht die Rolle der Automatisierung in der Industrie 4.0 und analysiert ihre Bedeutung für die moderne Industrieproduktion.

Die automatisierte Industrieproduktion umfasst die Integration von Technologien zur Verbesserung der Effizienz und Präzision in der Produktionstechnik. Während die Produktionsautomatisierung spezifisch auf die Fertigungsprozesse abzielt, deckt die Industrieautomatisierung ein breiteres Spektrum ab, das auch andere industrielle Bereiche wie Energie- und Verfahrenstechnik umfasst. Diese Unterscheidung spiegelt sich in den unterschiedlichen technischen Disziplinen wider, die in der Industrie eine zentrale Rolle spielen.

In der Verfahrenstechnik liegt der Fokus auf der Entwicklung und Optimierung von Prozessen, bei denen Rohstoffe durch physikalische, chemische oder biologische Verfahren in Produkte umgewandelt werden, wie etwa in der Produktion von Chemikalien, Lebensmitteln oder Medikamenten. Durch den Einsatz modernster Technologien in der Verfahrenstechnik ist GREIF-VELOX in der Lage, hochpräzise Abfüllprozesse zu entwickeln, bei denen jede Charge exakt auf das gewünschte Volumen und Gewicht eingestellt wird. Das gewährleistet nicht nur eine gleichbleibend hohe Produktqualität, sondern minimiert auch Abweichungen und Verluste, was besonders in der Chemie- und Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung ist.

Die Fertigungstechnik konzentriert sich auf die Herstellung von Einzelteilen und Baugruppen durch mechanische Bearbeitungsverfahren wie Fräsen, Drehen, Bohren oder Gießen. GREIF-VELOX nutzt fortschrittliche Automatisierungslösungen, um den gesamten Verpackungsprozess effizient und flexibel zu gestalten. Roboter und automatisierte Systeme übernehmen Aufgaben wie das Handling von Materialien, das Verschließen von Verpackungen und die Endkontrolle der Produkte. Dies ist ein klarer Vorteil für Unternehmen, die auf hohe Durchsätze und kurze Produktionszyklen angewiesen sind.

In der Energietechnik, die sich mit der Erzeugung, Umwandlung und Verteilung von Energie beschäftigt, ist Automatisierung entscheidend für die Steuerung von Kraftwerken, die Optimierung von Netzwerken und die Sicherstellung einer stabilen Energieversorgung. GREIF-VELOX integriert Automatisierung, um den Energieverbrauch ihrer Anlagen zu optimieren. Intelligente Steuerungssysteme überwachen den Energieeinsatz in Echtzeit und passen ihn an die aktuellen Produktionsanforderungen an. Das reduziert den Energieverbrauch und senkt die Betriebskosten.

In der Industrieproduktion lassen sich eine Vielzahl von Prozessen automatisieren, um Effizienz, Präzision und Konsistenz zu steigern.

Hier sind einige der wichtigsten Prozesse, die typischerweise automatisiert werden:

• Materialtransport und -handhabung
  Automatisierte Fördersysteme, Automatisierte Lager- und Kommissioniersysteme
• Fertigung und Bearbeitung
  CNC-Maschinen, Industrieroboter, 3D-Druck/Additive Fertigung
• Montage
  Roboterbasierte Montage, automatische Schraub- und Befestigungssysteme
• Qualitätskontrolle
  Visuelle Inspektionssysteme, automatisierte Mess- und Prüfsysteme
• Verpackung und Etikettierung
  Automatische Verpackungsmaschinen, Etikettiermaschinen
• Logistik und Versand
  Automatisierte Transportsysteme, automatisierte Sortieranlagen
• Prozessüberwachung und -steuerung
  SCADA-Systeme, Prozessautomatisierung
• Energie- und Ressourcenmanagement
  Automatisierte Energiemanagementsysteme, Ressourcenmanagementsysteme
• Wartung und Instandhaltung
  Predictive Maintenance
• Datenmanagement und Analyse
  Big Data und KI-Systeme

Wie können diese unterschiedlichen Prozesse strukturiert und in der Industrieproduktion integriert werden, um eine durchgängige Automatisierung zu erreichen? Die Antwort liefert die Automatisierungspyramide. Sie stellt eine klare Hierarchie der Automatisierungsebenen dar und dient als Leitfaden für die Implementierung und Optimierung von Automatisierungslösungen. Die Automatisierungspyramide zeigt, wie verschiedene Prozesse in der Industrieproduktion verknüpft sind und wie Informationen von einer Ebene zur nächsten fließen.

Nachdem die Automatisierungspyramide eine systematische Struktur für die Prozesse bietet, setzt die Automatisierungstechnik diese mit Technologien wie programmierbaren Logiksteuerungen (PLCs), Industrierobotern und computergestützten Maschinen (CNC) um. Die Automatisierungstechnik standardisiert und konsolidiert wiederholbare Prozesse, was zu höherer Produktionseffizienz und konstanter Produktqualität führt. Zudem ermöglicht die Automatisierungstechnik die Echtzeitüberwachung und -steuerung von Produktionsprozessen und unterstützt durch die Integration von Datenmanagement- und Analysesystemen die kontinuierliche Prozessoptimierung.

Was besagt die Automatisierungspyramide in den industriellen Prozessen?

Der Aufbau der Automatisierungspyramide verdeutlicht, wie Daten und Informationen zwischen den Ebenen fließen, um die Automatisierung in der industriellen Produktion ganzheitlich zu gestalten.

Die Ebenen der Automatisierungspyramide in der Industrieproduktion sind:

Die Feldebene ist die unterste Ebene, auf der Sensoren, Aktoren und andere Feldgeräte angesiedelt sind. Diese Geräte erfassen Daten und führen physikalische Aktionen aus. Ein automatisierbarer Prozess in der Industrieproduktion ist die Echtzeitüberwachung und -steuerung von Maschinen und Produktionsprozessen.

Auf der Steuerungsebene (Control Level) befinden sich programmierbare Logiksteuerungen (PLCs) und andere Steuerungssysteme, die die Daten von der Feldebene verarbeiten und entsprechende Steuerungsbefehle an die Maschinen und Anlagen senden. Automatisierbare Prozesse in der Industrieproduktion sind die automatisierte Steuerung von Produktionsabläufen, Maschinensteuerung und Regelungstechniken.

Die Leitebene (Supervisory Level) umfasst SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) und Manufacturing Execution Systems (MES), die die Prozesse überwachen, Daten sammeln und analysieren, und eine Schnittstelle für die Bediener bieten. In der Industrieproduktion können die Überwachung und Optimierung von Produktionsprozessen, die Prozessvisualisierung und die Qualitätskontrolle durch Automatisierungstechnologien effizient unterstützt und verbessert werden.
Auf der Betriebsebene (Production Planning Level) werden Systeme wie Enterprise Resource Planning (ERP) eingesetzt, die Produktionsprozesse mit anderen Geschäftsprozessen verknüpfen, etwa der Materialwirtschaft, dem Personalmanagement und der Logistik. In der Industrieproduktion sind die Produktionsplanung, Materialwirtschaft, Ressourcenmanagement und die Optimierung der Lieferkette automatisierbare Prozesse.

Die oberste Ebene ist die Managementebene (Enterprise Level). Sie umfasst strategische Entscheidungen und die gesamte Unternehmensplanung. Hier werden Daten aus den unteren Ebenen aggregiert, um langfristige Entscheidungen zu treffen und die Unternehmensstrategie zu steuern. Prozesse wie Geschäftsprozessmanagement, strategische Planung, Kostenoptimierung und Unternehmensanalyse können durch Automatisierungstools unterstützt und effizienter gestaltet werden, wobei diese Tools vor allem der Datenanalyse und der Automatisierung repetitiver Aufgaben dienen.

Die Automatisierungstechnik befasst sich mit der Entwicklung, Anwendung und Integration von Technologien zur Steuerung, Regelung und Überwachung industrieller Prozesse, um Effizienz, Genauigkeit und Flexibilität in der Produktion zu maximieren, beispielsweise durch eine Verbesserung der Overall Equipment Effectiveness (OEE). Dazu werden programmierbare Logiksteuerungen (PLCs), Industrieroboter, computergestützte Maschinen (CNC) und Sensorik genutzt, um Abläufe zu optimieren und den Bedarf an menschlichen Eingriffen zu reduzieren. Der Einsatz dieser Technologien erhöht die Betriebssicherheit und gewährleistet eine konstante Produktionsqualität.

Laut Mikell P. Groovers Werk "Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing“ (2015) sind Automatisierungstechnologien entscheidend für die Schaffung moderner, vernetzter Fertigungsumgebungen. Groover betont, dass diese Systeme nicht nur die Grundlagen für heutige industrielle Anwendungen bilden, sondern auch zentrale Bausteine der Industrie 4.0 darstellen, indem sie die Vernetzung und Echtzeitsteuerung in der Fertigung vorantreiben.

Produktionsautomatisierung spielt eine entscheidende Rolle im Kontext der Lean Production. Die Studie "Industry 4.0 Impacts on Lean Production Systems" von Tobias Wagner, Christoph Herrmann und Sebastian Thiede (2017) belegt, dass die Automatisierung von Prozessen im Rahmen von Industrie 4.0 die Umsetzung von Lean-Prinzipien erheblich unterstützen und deren Effektivität steigern kann.

Hier sind die sieben wichtigsten Ziele der Lean Production, die durch Produktionsautomatisierung unterstützt werden können:

1. Verschwendungsreduktion (Muda)
   Durch präzise Steuerung und Optimierung von Prozessen können Überproduktion, Ausschuss, unnötige Bewegungen und Wartezeiten minimiert werden.
2. Kontinuierliche Verbesserung (Kaizen)
   Automatisierte Systeme können kontinuierlich überwacht und analysiert werden und so Prozessdaten in Echtzeit sammeln. Diese Daten dienen als Grundlage für kontinuierliche Verbesserungsmaßnahmen, die sofort umgesetzt werden können.
3. Qualitätsverbesserung
   Automatisierte Qualitätskontrollsysteme, wie visuelle Inspektion oder automatisierte Messsysteme, tragen dazu bei, Produktfehler frühzeitig zu erkennen und zu korrigieren. Dies führt zu einer gleichbleibend hohen Produktqualität und reduziert Nacharbeit und Ausschuss.
4. Flexibilität und Reaktionsfähigkeit
   Durch die Automatisierung von Produktionsprozessen können Unternehmen schneller auf Änderungen in der Nachfrage reagieren, Produktionspläne anpassen und verschiedene Produktvarianten effizient herstellen.
5. Effiziente Ressourcennutzung
   Automatisierung ermöglicht eine effizientere Nutzung von Ressourcen durch eine präzisere Steuerung des Material- und Energieeinsatzes.
6. Just-in-Time-Produktion
   Automatisierte Logistik- und Produktionssysteme ermöglichen eine genau abgestimmte Produktion, bei der Materialien genau dann zur Verfügung stehen, wenn sie benötigt werden. Lagerbestände werden reduziert und Ressourcenverschwendung vermieden.
7. Mitarbeiterentlastung und -engagement
   Mitarbeiter werden entlastet, indem die Automatisierung repetitive und körperlich anstrengende Aufgaben übernimmt.