Péter Horváth/Uwe Michel (Hrsg.) Controller Agenda 2017 · Controller Agenda 2017 Trends und Best...

Controller Agenda 2017

Trends und Best Practices

Péter Horváth/ Uwe Michel (Hrsg.)

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Péter Horváth/Uwe Michel (Hrsg.)

Contr oller Agenda 2017

Trend s und Best Practices

2014Schäffer-Poeschel Verlag Stuttgart

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© 2014 Schäffer-Poeschel Verlag für Wirtschaft • Steuern • Recht GmbH [email protected]

Einbandgestaltung: Willy Löffelhardt/Melanie FraschSatz: DTP + TEXT Eva Burri, Stuttgart • www.dtp-text.de

September 2014

Schäffer-Poeschel Verlag Stuttgart Ein Tochterunternehmen der Haufe Gruppe

Herausgeber:Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Péter Horváth, Aufsichtsratsvorsitzender der Horváth AG, Stutt-gart, Geschäftsführer des IPRI, International Performance Research Institute gGmbH, StuttgartDr. Uwe Michel, Mitglied des Vorstands der Horváth AG, Stuttgart.

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E-Book ISBN 978-3-7992-6945-2

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Vorwort

Der Tagungsband zum 28. Stuttgarter Controller-Forum widmet sich übergreifenden Trends und Entwicklungen, die Geschäftsmodelle und Wertschöpfung von Unterneh-men und öffentlichen Organisationen in den nächsten Jahren stark verändern werden, sowie aktuellen Themen und Trends, die sich schon heute akut auf die Steuerung von Unternehmen und Organisationen auswirken. Beides wird die Arbeit von Controlle-rinnen und Controllern sowie deren Instrumente in den nächsten Jahren signifi kant beeinfl ussen und neue Anforderungen an deren Kompetenzen stellen. Unter dem Titel »Controller Agenda 2017 − Trends und Best Practices« werden diese Entwicklungen sowie entsprechende Best-Practice-Lösungen aus zahlreichen Unternehmen und öffent-lichen Organisationen in mehr als zwanzig Beiträgen, die in sechs Kapitel gegliedert sind, behandelt.

Das erste Kapitel beschreibt die übergreifenden Entwicklungen Industrie 4.0 und Big Data sowie deren Implikationen für Unternehmenssteuerung und Controlling. Drei Beiträge aus international tätigen deutschen Hightech-U nternehmen beschreiben, wie unter dem Begriff Industrie 4.0 die Möglichkeiten sensorgestützter Vernetzung der Produktionstechnik sowie der Kommunikation zwischen Maschinen bzw. zwischen Produktionsgütern und Maschinen zur vierten industriellen Revolution vorangetrie-ben werden. Das wird die Wertschöpfung massiv verändern. Völlig neue Daten in immensem Umfang werden erzeugt und stehen jederzeit zur Verfügung. Die Unter-nehmenssteuerung entwickelt sich zu einer echtzeitorientierten Steuerung weiter. Unter dem Schlagwort Big Data werden Möglichkeiten und Nutzen aus der Analyse großer, unstrukturierter und kontinuierlich fl ießender Datenmengen aus einer Vielfalt unterschiedlicher Datenquellen vorangetrieben. Die Potenziale daraus, aber auch die damit verbundenen Risiken werden in zwei Beiträgen beschrieben.

Das zweite Kapitel umfasst fünf Beiträge mit unterschiedlichen Aspekten moder-ner Steuerungskonzepte. Es wird aufgezeigt, wie die Steuerung eines internationalen Konzerns gleichzeitig auf Rentabilität und Wachstumspotenziale ausgerichtet wird und wie die Transferpreisgestaltung im Spannungsfeld betriebswirtschaftlicher und steuerlicher Anforderungen gestaltet werden kann. Gleich zwei Beiträge widmen sich dem Thema Controlling der Funktionskosten. Viele große mehrgliedrige, weltweit tätige Unternehmen beschäftigt aktuell die Frage, wie sie Kosten von konzernweiten Funktionsbereichen wie z. B. IT, HR, Accounting etc. im Griff behalten und gleichzeitig eine hohe Effektivität dieser Funktionen gewährleisten können. Ein aktueller Beitrag zum Thema Planung rundet das zweite Kapitel ab.

Im dritten Kapitel wird das aktuelle Thema »Integrated Reporting« aufgegriffen. Ein Beitrag aus der Wissenschaft beschreibt die Zusammenhänge zwischen Corporate Governance und Integrated Reporting. An einem Beispiel eines weltweit tätigen Au-tomobilzulieferers wird die praktische Umsetzung eines integrierten Steuerungs- und Reportingansatzes aufgezeigt.

Die Integration von ökologischer, sozialer und wirtschaftlicher Nachhaltigkeit wird für Unternehmen und Organisationen immer wichtiger. Zwei Beiträge aus der Praxis beschreiben, wie ökologische Ziele erfolgreich in die Unternehmenssteuerung integriert

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VI Vorwort

werden können und wie dies konkret in der Produktion eines Automobilunternehmens umgesetzt wird.

Das fünfte Kapitel widmet sich speziell aktuellen Steuerungsthemen in öffentlichen und gemeinnützigen Organisationen. Einleitend beschreibt ein Beitrag zum Thema Smart City, wie mit neuen Technologien und Steuerungsansätzen die Stadt der Zukunft gestaltet und damit die Nachhaltigkeit gefördert wird. Big Data und Business Intelligence sind auch für öffentliche Organisationen relevante Themen, die mit ihren Implikationen für die Steuerung in zwei Beiträgen dargestellt werden. Abgerundet wird dieses Kapitel durch zwei Beiträge zum Controlling bzw. Reporting in öffentlichen Organisationen.

Das sechste und letzte Kapitel greift die hochaktuellen und intensiv diskutierten Fragen nach der Rolle des Controllers und den künftigen Kompetenzanforderungen auf. Gerade angesichts der in diesem Tagungsband beschriebenen Entwicklungen mit ihren Implikationen für die Unternehmenssteuerung sind Antworten auf diese Fragen erforderlich, damit die Controller nicht durch mögliche neue Konkurrenten − Stichwort »Data Scientist« − überfl üssig gemacht werden.

Wir bedanken uns bei allen Autoren, dass sie ihre Fachkenntnisse und Erfahrungen sowie die Best-Practice-Beispiele aus ihren Unternehmen und Organisationen in diesem Buch zur Verfügung stellen. Sie alle haben viel Zeit und Mühe investiert, damit dieser Tagungsband termingerecht fertig gestellt werden konnte. Ebenfalls bedanken wir uns bei unserer Kollegin Britt Schuster, die mit großer Tatkraft die Redaktion dieses Buches koordiniert hat.

Frau Ass. Jur. Marita Rollnik-Mollenhauer und Frau Claudia Knapp-Domonkos vom Schäffer-Poeschel Verlag haben uns dieses Jahr in professioneller Weise bei Redaktion, Lektorat und Erstellung des Tagungsbandes unterstützt. Auch ihnen sei gedankt.

Stuttgart im Juli 2014 Dr. Uwe Michel und Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Péter Horváth

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VII

Inhaltsverzeichnis

Vorwort ......................................................................................................... V

I. Industrie 4.0 und Big Data – Implikationen für die Unternehmenssteuerung

Nicolas Maier-ScheubeckUnternehmenssteuerung in der Hochleistungsfertigung .................................... 3

Peter PostIntelligente Automatisierungskomponenten für die Produktion der Zukunft ...... 11

Erik Roßmeißl/Ronald GleichIndustrie 4.0 – Herausforderung für das Produktionsmanagement und -controlling ............................................................................................. 23

Thomas H. DavenportWarum Big Data wichtig für Sie und Ihr Unternehmen ist ................................ 37

Alexander VocelkaIntegriertes Risikomanagement im Zeitalter von Big Data ................................. 59

II. Moderne Steuerungskonzepte

Joachim MüllerRentabilität und Wachstumspotenziale vor dem Hintergrund von Bilfi nger Excellence ................................................................................. 79

Thomas Spitzenpfeil/Isabelle Adelt/Ralf EberenzTransferpreisgestaltung im Spannungsfeld betriebswirtschaftlicher und steuerlicher Anforderungen ..................................................................... 91

Oliver ScheefControlling der Unterstützungsfunktionen in globalen Unternehmen ............... 105

Markus Kirchmann/Sabrina GrafTransparenz als Voraussetzung für funktionale Exzellenz ................................. 117

Stefan NiemandDie Portfolio- und Produktplanung und deren Vernetzung mit der Unternehmensplanung ....................................................................... 143

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VIII Inhaltsverzeichnis

III. Integrated Reporting

Carl-Christian Freidank/Anne-Kathrin HinzeCorporate Governance Reporting versus Integrated Reporting ........................... 159

Ludger BrakeDRIVER – Der integrierte Steuerungs- und Reportingansatz der Dräxlmaier Group .................................................................................... 177

IV. Nachhaltigkeitscontrolling

Sebastian Berlin/Uwe FieselmannStrategisches Green Controlling ...................................................................... 193

Benjamin Boehnke/Christoph Nieschwietz/Holger MüllerUmweltcontrolling der »Think Blue.Factory.«-Strategie bei Volkswagen ................ 207

V. Steuerungskonzepte in öffentlichen und gemeinnützigen Organisationen

Wolfgang SchusterSmart City – Die intelligente Stadt der Zukunft ist die nachhaltige Stadt ............ 221

Mike WeberWissen sie denn nicht, was sie tun? Politische Steuerungsinformationen aus Big Data .................................................................................................. 227

Sebastian PolagBusiness Intelligence bei der AGAPLESION gAG .............................................. 239

Martin J. BlachZisterzienserabtei Eberbach ........................................................................... 249

Roland MatuschkeProfessionelles Reporting – Grundlage einer effektiven Steuerung in öffentlichen Organisationen ........................................................................ 265

VI. Kompetenzen und Rolle des Controllers

Kai SchollManagement follows Finance – der Controller als Manager! ............................. 277

Kai Grönke/Jana HeimelZukunftsgerichtete Kompetenzen für Controller .............................................. 289

Autorenverzeichnis ........................................................................................ 299

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1

I. Industrie 4.0 und Big Data – Implikationen für die Unternehmenssteuerung

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Unternehmenssteuerung in der Hochleistungs-fertigungDr. Nicolas Maier-Scheubeck*

1 Einleitung

2 Industrie 4.0

3 Komplexitätsbewältigung

4 Erfolg durch ValueFacturing®

* Dr. Nicolas Maier-Scheubeck, Sprecher der Geschäftsführung der Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Regensburg (www.reinhausen.com).


4 Nicolas Maier-Scheubeck

1 Einleitung

Europa befi ndet sich in einer tiefgreifenden wirtschaftlichen Krise. Insbesondere in den Mittelmeeranrainerstaaten offenbart sich ein umfassender Handlungsnotstand. Dort, wo jahrzehntelang die Abwertung der eigenen Währung das bevorzugte Mittel zum Ausgleich von Wettbewerbsnachteilen war, wird das rigide Regime der Gemeinschafts-währung Euro beklagt. Wie groß dabei jeweils der innenpolitische Handlungsdruck ist, kann an den jüngsten, auf die deutschen Exporterfolge zielenden Vorwürfen abgelesen werden. Dabei hatte selbst das offenbar beneidenswerte Deutschland im Jahr 2013 lediglich ein reales volkswirtschaftliches Wachstum von 0,4 % aufzuweisen.

Die wirtschaftliche Überlegenheit Deutschlands stimuliert vielfältige Analysen zu den möglichen Ursachen. Weil nicht nur hierzulande der Erfolgsbeitrag der Agenda 2010 gerne verdrängt wird – vor gerade einmal zehn Jahren bezeichnete der britische Economist Deutschland noch als »kranken Mann Europas« – wendet sich der Blick dabei vor allem auf offensichtliche strukturelle Unterschiede. Während ausländische Interessenten dabei kurzfristig imitierbare Erfolgsfaktoren identifi zieren wollen, bemüht sich die deutsche Politik, nationale Stärken gezielt auszubauen.

Zu den Wettbewerbsvorteilen Deutschlands zählt die industrielle Produktion. Im Jahre 2012 entfi elen auf das produzierende Gewerbe 26 % der Bruttowertschöpfung, während dies im Durchschnitt der EU (einschließlich Deutschland) lediglich 19 % waren. Folgerichtig ist das Thema »Industrie 4.0« auch eines von zehn Zielen im Rah-men der von der Bundesregierung formulierten Hightech-Strategie. Es war nicht nur Leitthema der Hannover-Messe 2014, sondern bestimmt – im Dreiklang von »Elektrifi -zierung, Automatisierung und Digitalisierung« – erkennbar auch die »Vision 2020« des größten deutschen Technologiekonzerns. Vor diesem Hintergrund sollen nachfolgend wesentliche Implikationen von Industrie 4.0 für die Unternehmenssteuerung einer Hochleistungsfertigung in Deutschland aufgezeigt werden.

2 Industrie 4.0

Im Nachhinein ist man immer schlauer. Insofern erfolgt die Verbindung der drei ersten industriellen Revolutionen mit den Begriffen Mechanisierung (Webstühle, Dampfma-schine), Elektrifi zierung (Fließband, Taylorismus) und Automatisierung (NC-Technik, Computer) im Konsens. Mutig erscheint dagegen die Zusammenfassung absehbarer Entwicklungen in der Produktion als »Vierte Industrielle Revolution«:• Revolutionen ereignen sich in vergleichsweise kurzer Zeit und bewirken nachhaltig

wirksame, umfassende Strukturveränderungen. Weil Industrie 4.0 in der Gegenwart ansetzt, sind Zeitraum und Wirkmächtigkeit ex ante noch gar nicht bestimmbar. Industrie 4.0 mutiert insofern zunächst zu einem Schlagwort, mit dem sich Politik und Geschäft machen lässt.

• Die ex post vergleichsweise sehr kurz erscheinende Phase von Industrie 3.0 (Auto-matisierung) sowie die enge technologische Verbindung zwischen Elektronischer


Unternehmenssteuerung in der Hochleistungsfertigung 5

Datenverarbeitung (EDV) und Cyber-Physischen Systemen (CPS) weckt unmittel-bar die Assoziation einer Evolution. Auch dürfte die breite Akzeptanz der neu zu schaffenden Technologien in der Industrie (Datensicherheit, Führungsleitbild) wohl sicherlich noch ein Jahrzehnt beanspruchen.

Quelle: Siemens AG basierend auf DFKI (2011), mit eigenen Ergänzungen

Abb. 1: Stufen der industriellen Revolution (Quelle: Siemens AG/DFKI mit eigenen Ergänzungen)

Für die global tätige Maschinenfabrik Reinhausen GmbH (MR) ist eine hohe Ferti-gungstiefe am Standort Deutschland Teil der Differenzierungsstrategie. Seit über zwan-zig Jahren beschäftigen sich Mitarbeiter unserer immer stärker integrierten Fertigung damit, die alltägliche Komplexität in der Koordination horizontaler (Fertigung) und vertikaler (ERP-System) Prozesse bei steigender Qualität, Produktivität, Flexibilität und Mitarbeiterzufriedenheit sowie sinkenden Herstellkosten systematisch u. a. mittels Da-tenmodellierung und -anreicherung zu bewältigen. Diese lange Phase der praktischen Ausreifung einer vordergründig an der Optimierung des Werkzeugumlaufs ansetzenden Steuerungsphilosophie ermöglichte einerseits die Hervorbringung eines marktfähigen Produkts (das Manufacturing Execution System MR-CM© sowie begleitende Dienst-leistungen werden unter der Marke ValueFacturing® vertrieben), andererseits den Gewinn des im Jahre 2013 erstmals von der Fachzeitschrift Produktion ausgelobten »Industrie 4.0 Award«.

Vor diesem Hintergrund defi nieren wir Industrie 4.0 als Web-basierte Integration beliebiger Fertigungsobjekte zu Subsystemen (Modulen), die jeweils durch intelligente Koordination in Quasi-Echtzeit zur Selbstorganisation befähigt und somit weitgehend vom ERP-System entkoppelbar werden. Die Verbindung von physischer (Fertigungs-einrichtungen, Produkte) und virtueller Welt (Internet der Dinge, Aufträge) ermöglicht



dabei eine verbesserte Form der horizontal-vertikalen Ablaufkoordination. Auf diese Weise wird eine wirtschaftliche Produktion realisiert, in der die besonderen Fähigkei-ten des Menschen als Sensor, Entscheider und Akteur besser zur Geltung kommen.

So gesehen wird sich Industrie 4.0 zwangsläufi g evolutionär ausbreiten, und sollte bezüglich der Wettbewerbsfähigkeit einer Hochleistungsfertigung dabei auch revolutio-näre Wirkungen entfalten können. Vor dem Hintergrund wachsender demographischer Probleme gilt es insbesondere am Standort Deutschland die Attraktivität und Produkti-vität industrieller Arbeitsplätze weiter zu steigern. Neben einer Aufrechterhaltung des hohen Anteils der Industrieproduktion an der nationalen Wirtschaftsleistung könnte hierdurch auch der Export weiter profi tieren.

3 Komplexitätsbewältigung

Komplexität beschreibt die Undurchdringlichkeit der Wechselwirkungen eines Systems aus analytisch-planerischer Sicht. Selbst nach bestmöglicher Schaffung von Transpa-renz, weitgehender Standardisierung sowie konsequenter Aufl ösung von Zielkonfl ikten verbleibt in einem solchen System ein hinreichend großer, bezüglich seiner Beeinfl uss-barkeit nicht aufklärbarer und damit einem Entscheidungsmodell unzugänglicher Rest an Zusammenhängen. Dabei nimmt diese Defi nition, in Anerkennung des Moore’schen Gesetzes (Verdoppelung der Transistoren je Flächeneinheit eines Prozessors spätestens alle zwei Jahre), auf die zur Bewältigung der Komplexität notwendige Rechenleistung bewusst keinen Bezug.

Bereits die Euphorie zum Computer Integrated Manufacturing (CIM) der 1980er-Jahre wurde durch die Erkenntnis gebremst, dass eine exponentiell steigende Rechnerleistung und sinkende Speicherkosten allein die Komplexität in der Fertigung nicht entscheidend zu bewältigen vermögen. Aus der Theorie ist bekannt, dass die Komplexität eines Systems mit der Anzahl der Elemente, der Vielfältigkeit ihrer Verknüpfung sowie de-ren nicht-linearem Verhalten ansteigt. Für ein System mit lediglich fünf wechselseitig interagierenden Elementen errechnen sich bereits zwanzig Schnittstellen. Eine erste »Beruhigung« ist durch eine koordinierende Instanz erzielbar – bei in der Fertigung leicht erreichbaren 100 Systemelementen lässt sich die Zahl der Schnittstellen so von 9.900 auf 200 reduzieren.



Dezentral unkoordinierte Kommunikation

Schnittstellen: S (n)=2n=2x5= 10 Schnittstellen: S (n)=n(n-1)=n²-n=5²-5= 20

Im Subsystem koordinierte Kommunikation

Abb. 2: Komplexitätsreduktion durch eine koordinierende Instanz

4 Erfolg durch ValueFacturing®

Ein richtig konzipiertes Manufacturing Execution System (MES) nimmt nicht nur die Rolle einer die Kommunikation der Systemelemente koordinierenden Instanz ein. Zugleich befähigt es durch zielorientierte Datenanreicherung die Fertigungssteuerung zu einer holistischen Optimierung sowie einer aufwandsarmen und wertschöpfenden Rückkopplung mit dem übergeordneten ERP-System. Werden diese Aufgaben quasi in Echtzeit bewältigt, ohne zusätzliche Eingaben (Fehleranfälligkeit, Kosten) und unter Nutzung bereits vorhandener Steuerungen (Industrie 3.0), wird das hierdurch erschließ-bare Optimierungspotential greifbar. Der bekannte Widerspruch zwischen Effektivität von Simultan- und Effi zienz von Sukzessivplanung vermindert sich erheblich.

Das bei MR praktizierte ValueFacturing® erfüllt die genannten Anforderungen im Sinne von Industrie 4.0 und bietet darüber hinaus vielfältige Leistungsmerkmale für die Unternehmenssteuerung in der Hochleistungsfertigung. Hiervon profi tiert nicht zuletzt auch das Controlling. Allerdings setzt die Implementierung eines solcherart umfassend wirksamen MES das Schaffen organisatorischer Voraussetzungen voraus (gepfl egte Werkzeugdatenbank, Entscheidungskompetenz Fertigungsmitarbeiter). Besonders gute Ergebnisse lassen sich dabei in Kombination mit einer Fertigungssegmentierung sowie den Methoden des Lean Managements erzielen.



Das ist die Wirklichkeit

in der deutschen produzierenden

Industrie!

Das ist die Wirklichkeit dort,

wo ValueFacturing® bereits wirkt

– und das papierlos!

Abb. 3: Industrie 4.0 am Beispiel von ValueFacturing®



Literatur

Obermaier, R./Hofmann, J./Kellner, F. (2010), Webbasierte Fertigungssteuerung in der Praxis, HMD 272 Materialwirtschaft & Produktion, S. 49–59

Spath, D. (Hrsg.) (2013), Produktionsarbeit in der Zukunft – Industrie 4.0, 2013


11

Intelligente Automatisierungskomponenten für die Produktion der ZukunftProf. Dr. Peter Post*

1 Zukunftsleitbild Industrie 4.0

2 Initiativen und Forschungsaktivitäten

3 Konkrete Lösungsansätze aus Industrie 4.0 für die Produktion der Zukunft

4 Industrie 4.0 und der Faktor Mensch

5 Zusammenfassung

Literatur

* Prof. Dr. Peter Post, Head of Corporate Research and Technology, Festo AG & Co. KG, Esslingen.


12 Peter Post

1 Zukunftsleitbild Industrie 4.0

Die Herausforderungen für die Zukunft der Produktion und der damit verbundenen Automatisierungstechnologien münden in Lösungen, die »Industrie 4.0« bereitstellen kann. Darin sind sich viele Fachleute einig. Beobachter der Szene sehen allerdings auch eine Vielfalt des Grundverständnisses und unterschiedliche Ausprägungen möglicher Realisierungen.

Wofür steht der Begriff »Industrie 4.0«?Die Fachwelt diskutiert unter dem Stichwort »Industrie 4.0« den grundlegenden

Wandel, der derzeit in der Welt der Produktion im Gang ist. Reale und virtuelle Welt wachsen weiter zusammen; moderne Informations- und Kommunikationstechnologien sollen mit klassischen industriellen Prozessen verschmelzen und verändern damit die verschiedenen Produktionsbereiche.

Als bisherige industrielle Revolutionen werden defi niert (s. Abbildung 1):

Abb. 1: Die vier Stufen der industriellen Revolution (Quelle: DFKI, 2011)

1. die Einführung mechanischer wasser- oder dampfbetriebener Produktionsanlagen (1784 erster mechanischer Webstuhl)

2. die Einführung elektrischer Hilfsmittel in der Massenproduktion (1870 erstes Fließ-band)

3. die Automatisierung durch Elektronik und IT (1969 erste Speicherprogrammierbare Steuerung)

4. Industrie 4.0 bezeichnet nun eine weitere grundlegende Veränderung der Produk-tionswelt. Moderne Informations- und Kommunikationstechnologien vereinen sich mit klassischen industriellen Prozessen zu sogenannten cyber-physische Systemen.


Intelligente Automatisierungskomponenten für die Produktion der Zukunft 13

Durch das Internet getrieben, wachsen reale und virtuelle Welt immer weiter zusammen. Dabei muss der unter diesem Stichwort diskutierte Wandel in der Produktionswelt ganzheitlich aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet wer-den. Neben der Technologie sind auch weitere Gesichtspunkte wie die Interaktion zwischen Mensch und Technik und das Thema Ausbildung und Qualifi zierung zu berücksichtigen. Gemeinsam mit Partnern aus unterschiedlichen Schwerpunkten der Wirtschaft und Wissenschaft wird derzeit an neuen Lösungen und Technologien für die Produktion der Zukunft geforscht (s. Abbildung 2) (Kagermann/Wahlster/Helbig 2013).

Abb. 2: Die drei Säulen der Industrie 4.0-Strategie (Quelle: Festo AG & Co. KG)

Für die Anwender in der Industrie ist Industrie 4.0 ein hochinterdisziplinäres Zu-kunftsprojekt, welches sich kontinuierlich weiterentwickelt und damit die bekannte Automatisierungspyramide (s. Abbildung 3) evolutionär verändern wird. Funktionen aus den höheren Ebenen der Automatisierungspyramide werden sich nach unten verla-gern und Komponenten werden somit die Fähigkeit erhalten, Aufträge der überlagerten Steuerungsebene auszuführen. Durch diese digitale Veredelung werden zunehmend intelligente Produkte entstehen, die den Produktionsprozess dank erhöhter Funktio-


14 Peter Post

nalität – von der autarken Energieversorgung bis hin zu Condition Monitoring – aktiv unterstützen können.

Anlagen/Maschine

Applikation

Baugruppen

Komponenten

Aktorik/Sensorik

Produktionsleitebene/ MES-Systeme

Anlagenebene/ HMI

Steuerebene/

Schnittstellen

Planungsebene

ERP und PPS Systeme

Feld-

ebene

Fabrik

Produktions-/

Fertigungslinie

Abb. 3: Automatisierungspyramide (Quelle: Festo AG & Co. KG)

2 Initiativen und Forschungsaktivitäten

Unter der Koordination von Acatech entwickelte das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 den Rahmen für das gleichnamige Zukunftsprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung als Bestandteil der Hightech-Strategie. Wesentliches Ergebnis waren die Handlungsempfehlungen an die Bundesregierung, die auf der Hannover Messe 2013 an Bundeskanzlerin Angela Merkel übergeben wurden.

Die Ergebnisse des Arbeitskreises Industrie 4.0 führten in der Folge zur Gründung der Initiative »Plattform Industrie 4.0«. Die dort vertretenen Unternehmen arbeiten gemeinsam mit Partnern aus Verbänden und Wissenschaft aktiv an der Entwicklung von Technologien, Standards, Geschäfts- und Organisationsmodellen zu Industrie 4.0 und deren praktischen Umsetzung. Insbesondere ist das Engagement für die Erstellung einer Referenzarchitektur für Industrie 4.0 sowie für die Entwicklung von verbindlichen Standards und Normen hervorzuheben (Plattform Industrie 4.0).

So sind vor allem auch die Steuerungssysteme konzeptionell von zentralen zu dezen-tralen Architekturen auf der Basis von mechatronischen Agenten weiter zu entwickeln. Die hier existierenden Lösungen befi nden sich noch im frühen Entwicklungsstadium und werden derzeit auf Forschungsplattformen einer Evaluation unterzogen.

Zum Beispiel ist hier die Initiative SmartFactory des DFKI in Kaiserslautern zu nen-nen. Die herstellerunabhängige Lernfabrik dient als Demonstrator für Funktionsprin-zipien und als Transferfunktion in das Umfeld der Fabrikautomation (Smart Factory).



Die industrielle Relevanz der im Kontext von Industrie 4.0 diskutierten Lösungen kann anhand einiger Projekte aufgezeigt werden, an denen u. a. das Automatisierungs-unternehmen Festo aus Esslingen beteiligt ist. D. h. konkrete Anwendungen zeigen: Schon heute sind erste Lösungsansätze in der Praxis angekommen. Dennoch besteht noch viel Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

IDEASIm bereits abgeschlossenen europäischen Verbundprojekt IDEAS wurden Steuerungs-konzepte für Produktionsanlagen der Zukunft entwickelt. Mit Hilfe neuer technologi-scher Ansätze können die Kosten für Inbetriebnahme und Konfi guration stark reduziert werden. Außerdem wird die Flexibilität und Adaptivität erhöht. Produktionsanlagen sollen sich schnell und möglichst selbstständig auf neue oder veränderte Produkte einstellen können (Hanisch/Hoos 2012).

AutoPnPDas Projekt AutoPnP hat sich das Ziel gesetzt, Konzepte zur Plug&Play-Fähigkeit im industriellen Kontext zu entwickeln. Um künftigen Anforderungen an die Produktion gerecht zu werden, ist es erforderlich, Wandlungsfähigkeit in der Produktion und im speziellen im Steuerungskonzept umzusetzen. Ausgangsbasis dafür bilden die Strukturen der Steuerungsprogramme. Zur Unterstützung von Wandlungsfähigkeit ist es notwendig, die Steuerungsprogramme zuerst zu modularisieren, indem man die Algorithmen für die Ansteuerung der Sensoren und Aktoren in wiederverwendbare Module mit höherer Funktionalität kapselt, wie z. B. Modul Zylinder mit fahreAuf-Position, Modul Sensor mit messeWert; aufbauend auf diesen Modulen wurde eine Rezeptfahrweise umgesetzt, die es ermöglicht, Steuerungsprogramme während der Laufzeit zu tauschen. Da nicht die gesamten Steuerungs programme während der Laufzeit getauscht, sondern lediglich übergeordnete Rezepte eingespielt werden, wird sichergestellt, dass es zu keinen Schäden an der Anlage kommen kann. Zusätzlich zu diesem Themenbereich gibt der Beitrag einen Einblick in weitere Ergebnisse des Forschungsprojekts »AutoPnP – Plug & Play für Automatisierungssysteme«, das für die Ableitung der Anforderungen an die neue Steuerungsarchitektur herangezogen wurde (AutoPnP).

OPAKDie acht Forschungspartner entwickeln im Projekt OPAK eine offene Engineering-Plattform für autonome, mechatronische Automatisierungskomponenten in funktions-orientierter Architektur. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Zuge des AUTONOMIK für Industrie 4.0 Programmes gefördert (OPAK). Mit den Forschungsergebnissen von OPAK sollen komplexe Systeme einfacher, schneller und kosteneffi zienter entwickelt und angepasst werden können. Gleichzeitig soll die Einbindung und Konfi guration neuer Komponenten in bestehende Systeme mit geringem Aufwand möglich werden. Ziel ist es, den Automatisierer zu entlasten, so dass er möglichst wenig mit abstrakten Größen zu tun hat, sondern vielmehr mit den Funktionalitäten des Automatisierungssystems und dessen Komponenten interagieren kann.


16 Peter Post

Unter anderem werden in OPAK kompakte CoDeSys-Steuerungen (so genannte Effektuatoren) entwickelt, durch die Komponenten völlig autonom arbeiten können – ohne Anbindung an eine übergeordnete Steuerungsebene. Diese werden bereits in der Demonstrationsanlage der SmartFactory eingesetzt (Hoos/Terzi/Gaissert 2014).

ESIMAIm Projekt ESIMA (Energieautarke Sensorik und Interaktion mit mobilen Anwendern), das innerhalb des Rahmenprogramms Mikrosysteme des BMBF angesiedelt ist, ent-wickeln die Projektpartner einen Ansatz zur Optimierung der Ressourceneffi zienz in der Produktion, bei dem energieautarke Sensoren eine zentrale Rolle spielen. Ziel von ESIMA ist es, den Energieverbrauch von Maschinen mit Hilfe von drahtlosen Senso-ren einfacher zu erfassen und die ermittelten Werte auf einem mobilen Endgerät im Produktionsumfeld darzustellen. Die Mensch-Technik-Kommunikation soll über ein dezentrales Informationssystem erfolgen. Zur Visualisierung der Energiekennwerte und Verbrauchstrends werden mobile Geräte wie Tablet PCs verwendet (ESIMA).

Im Vorgängerprojekt MIKOA wurden energieautarke Sensoren entwickelt, die bereits in der Transfer-Factory der Festo Didactic Verwendung fi nden.

MetamoFABIm ebenfalls vom BMBF geförderten Verbundprojekt MetamoFAB werden Lösungen entwickelt, um in bestehenden Betrieben die Metamorphose zu intelligenten und vernetzten Fabriken zu ermöglichen. Es wird wissenschaftlich untersucht, wie viel Industrie 4.0 sinnvoll ist. Alle beteiligten Akteure wie Menschen, Maschinen, Werk-stücke und Informationstechnik müssen dabei einbezogen werden. Gemäß der Vision von cyber-physischen Systemen (CPS) können dadurch signifi kante Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerungen erreicht werden (MetamoFAB).

3 Konkrete Lösungsansätze aus Industrie 4.0 für die Produktion der Zukunft

Auch künftig wird es die Massenproduktion von Produkten mit sehr hohen Stückzah-len geben, daneben aber zunehmend individualisierte Produkte mit der Konsequenz, niedrige Losgrößen mit den (kosten)effi zienten Methoden der Massenproduktion herstellen zu können. Dafür werden Technologien benötigt, die sich nicht nur konti-nuierlich an veränderte Bedingungen anpassen, sondern sich auch darauf einstellen, dass der Mensch jederzeit eingreifen möchte, um bestimmte Parameter zu ändern. Es wird also in Zukunft nicht nur vollautomatisierte Produktionsprozesse geben, sondern zunehmend adaptive Konzepte bis hin zu selbstregulierenden und sogar selbstplanen-den Produktionssystemen. Voraussetzung dafür sind intelligente Komponenten mit hoher Funktionenintegration – also Komponenten, die zum Beispiel die Funktionen übernehmen, die ursprünglich in der übergeordneten Steuerungsebene angesiedelt waren. Neben der Informationstechnologie spielen hierbei die Feinwerktechnik und die Mikrosystemtechnik eine wichtige Rolle (Hoos/Helbig 2014).



Durch Komponenten, die sich selbstständig vernetzen, sich selbst konfi gurieren und somit Plug & Produce fähig sind, können die Anlagen den ständig wechselnden An-forderungen sofort gerecht werden. Wesentliche Fähigkeiten hinsichtlich Vernetzung, Flexibilität und Adaptivität in der Automatisierung werden zukünftig somit durch autonome, selbstlernende und wissensbasierte Systeme erfüllt.

Für solche Systeme, Subsysteme und Komponenten wurde der Begriff der Cyber Physical Systems (CPS) geprägt. CPS sind hochintegrierte, meist mechatronische Mo-dule, die zusätzlich über leistungsfähige Kommunikationsmodule in der Lage sind, miteinander und mit den Maschinensteuerungen zu kommunizieren.

Für das Verständnis der CPS-Funktionsweise und deren Optimierung im ganzheit-lichen Kontext sind mathematisch-physikalische Modellbildungsmechanismen der Mechatronik unerlässlich. Ebenso ist für die Planung und Inbetriebnahme von Anla-gen umfangreiche Ingenieurexpertise erforderlich. Diese Methoden müssen dringend hinsichtlich Handhabung und Aufwand vereinfacht werden. Hier besteht erheblicher Forschungsbedarf (Kainz/Keddis/Pensky/Buckl/Zoitl/Pittschellis/Kärcher 2013).

Sensorintegration, Kognition und Weiterentwicklung der Kommunikationstech-nologien für autonome Systeme sind Impulsgeber für zukünftige Entwicklungen mit folgenden Schwerpunkten:• Funktionsintegration für intelligente mechatronische Automatisierungskomponenten• Modellbasierte, effi ziente Funktionsentwicklung für kognitive mechatronische Pro-

dukte/Systeme• Angepasste Steuerungsarchitekturen für zentrale/dezentrale Automatisierung und

schnelle Regelungstechnik• Mensch-Maschine-Interaktion für Benutzerfreundlichkeit und sicheres Verhalten von

Systemen in Inbetriebnahme und Anwendung• Einfachheit in der Konstruktion, Herstellung und Anwendung durch gekapselte

Komplexität

Industrie 4.0 zeigt also prinzipiell die Vision einer voll vernetzten, adaptiven Produktion. Heute verfügbare Komponenten bringen bereits teilweise die notwendigen hard- und softwareseitigen Voraussetzungen mit, auch wenn es sich derzeit um Insellösungen handelt, die noch nicht im größeren Maßstab vernetzt sind.


18 Peter Post

Ein Beispiel dafür ist die Wartungseinheit E²M (s. Abbildung 4). Sie kann Durch-fl usswerte aus dem Druckluftnetz nicht nur messen, sondern die Informationen vor Ort auswerten und entsprechende Maßnahmen einleiten. Dadurch kann Energie eingespart werden. Ein nächster Schritt, der derzeit erforscht wird, ist die Integration von Methoden der Künstlichen Intelligenz direkt auf der Komponente. Dadurch werden – alleine auf Basis des erfassten Durchfl ussprofi ls – umfangreiche Diagnosemöglichkeiten komplexer Automatisierungsabläufe ermöglicht.

Abb. 4: Wartungseinheit E²M (Quelle: Festo AG & Co. KG)



Die Automatisierungsplattform CPX (s. Abbildung 5) greift ebenfalls bereits entspre-chende Ansätze auf. Das elektrische Terminal für Ventilinseln bietet nicht nur einen Anschluss an die Feld- und Leitebene, sondern ist auch diagnosefähig und kann Con-dition-Monitoring-Aufgaben übernehmen. Durch eine Safety-Funktion können Fehler schnell lokalisiert und Module gegebenenfalls ausgetauscht werden.

Abb. 5: CPX-Terminal (Quelle: Festo AG & Co. KG)


20 Peter Post

Wie zu Beginn bereits erläutert ist die entsprechende Ausbildung und Qualifi zierung von Mitarbeitern wesentliche Erfolgsvoraussetzung für den Transfer von Industrie 4.0 in die Praxis. Die Lernfabrik MPS® Transfer Factory von Festo Didactic dient dem zukunftsorientierten Unterricht zum Thema »Integrated Industry«, wo die Vernetzung in der Industrie im Mittelpunkt steht. So können neue Trends wie RFID-Technik, in-telligentes Vernetzen, Energieeffi zienz und Condition-Monitoring mit der Lernfabrik von Festo Didactic (s. Abbildung 6) anschaulich vermitteln.

Abb. 6: Lernfabrik der Festo Didactic (Quelle: Festo Didactic GmbH & Co. KG)

4 Industrie 4.0 und der Faktor Mensch

Die Technik wird intelligenter und adaptiver und ist zunehmend in der Lage, sich auf veränderliche Randbedingungen und auch auf Eingriffe des Menschen jederzeit einzustellen. Wir werden nicht überall vollautomatisierte Prozesse haben, stattdessen veränderliche Abläufe, und hier ist die Möglichkeit des Menschen gefragt, direkt mit der Technik zu kommunizieren. Das heißt: Die Technik muss den Menschen verste-hen und der Mensch muss die Technik verstehen – und das auf eine intuitive Art und Weise (Kagermann/Wahlster/Helbig 2013).

Roboter werden in Zukunft Mitarbeiter aktiv bei ihren manuellen Tätigkeiten im Sinne eines industriellen Assistenzsystems unterstützen und Industrieanlagen werden intuitives Bedienen und Vorgehen gestatten.

Mit der Industrie 4.0 wandern Mensch und Technik noch enger zusammen. Die Robotik der Zukunft interagiert mit dem Menschen und weicht ihm durch intelligente Sensorik aus. Durch wachsende Intelligenz stellen diese Maschinen eine immer gerin-



gere Gefahr im Umgang mit dem Menschen dar und unterstützen ihn darüber hinaus durch große Entlastungen bei seiner täglichen Arbeit, zum Beispiel in der Montage.

Durch mobile Endgeräte können Mitarbeiter individualisierte Informationen abrufen und werden so für wichtige Kerngrößen der Anlagen sensibilisiert. So können sie bei-spielsweise den Energieverbrauch kontinuierlich überwachen, bei Unregelmäßigkeiten sofort eingreifen und den Verbrauch somit optimieren (Hoos/Helbig 2014).

Auch zukünftig ist der Mensch ein integraler und unverzichtbarer Bestandteil der Produktionswelt. Wichtig sind dabei Konzepte, in denen der Mensch unmittelbar mit der Technik interagieren kann. So wie heute zwei Menschen zusammenarbeiten, muss es zukünftig möglich sein, dass Menschen mit Maschinen zusammenarbeiten.

Maschinen müssen in der Lage sein, sensorische Rückmeldungen eines Menschen zu verarbeiten. Das können zum Beispiel manuelle Eingriffe direkt ins Produktions-geschehen sein, aber auch eine Steuerung durch Gesten und Bewegungen oder sogar durch Gedanken.

Außerdem müssen die Maschinen die Fähigkeit besitzen, ihren internen Zustand bedienerfreundlich zu visualisieren.

Intelligente Maschinen und das intelligente Umfeld werden helfen, die aufkommende Komplexität zu beherrschen. Auf diese Weise wird der Mitarbeiter die gleiche Aufgabe in kürzerer Zeit oder eine komplexere Aufgabe in der gleichen Zeit erledigen können. In Zukunft wird der Mitarbeiter durch eine fortschreitende Automatisierung also pro-duktiver und effi zienter. Wichtig dabei ist, dass wir nach wie vor zu berücksichtigen haben, dass der Mensch unverzichtbar ist, da er der fl exibelste und intelligenteste Teil der heutigen und auch der künftigen Fabrik ist.

Zukünftig braucht der Mitarbeiter in der Produktion also nicht unbedingt komplexeres Wissen und umfangreicheres Know-how, allerdings möglicherweise andere Fähigkei-ten, aber auf ähnlichem Anspruchsniveau wie heute, d. h., auch hier ist Anpassung und Flexibilität gefragt.

Zudem wird das fundierte Ingenieur-Know-how erforderlich sein, um fl exible Pro-duktionsanlagen zu realisieren. Übergreifende, interdisziplinäre Lösungen sind jedoch noch viel wichtiger als heute. So sind neben den rein technischen Aspekten auch nicht-technische Ansätze aus dem sozialwissenschaftlichen Bereich von großer Relevanz.

Industrie 4.0 ist ein interdisziplinäres und komplexes Projekt, das ganzheitlich aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet werden muss. Mit den steigenden Ansprüchen in der Informationstechnik muss auch das Know-how der Mitarbeiter entsprechend wachsen. Eine Anpassung des Weiterbildungsangebotes ist die logische Konsequenz daraus. Technische Entwicklungsziele der Industrie 4.0 müssen mit der neuen Arbeitsorganisation und den neuen Qualifi zierungsbedürfnissen abgestimmt sein. Exzellente Ressourcen für Forschung und Entwicklung sowie die Verfügbarkeit von Facharbeitern sind für die Zukunftsfähigkeit des Unternehmens notwendiger denn je (Kagermann/Wahlster/Helbig 2013).


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