Die zunehmende Verbreitung von Informations- und Kommunikationstechnik (IKT), vernetzten Produktionseinheiten sowie neuer Internettechnologien ermöglicht es vielen Industriebetrieben, Cyber-Physische Produktionssysteme (CPPS) erfolgreich einzuführen und zu betreiben. Die Bedeutung dieser CPPS für die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie ist unter Informatikern, Ingenieurwissenschaftlern sowie Verbänden und politischen Akteuren unumstritten. Zusammengefasst werden diese Elemente unter dem Begriff „Industrie 4.0“. Das generelle Ziel dieses Ansatzes besteht darin, wachsende Flexibilitätsanforderungen, zunehmende Produktindividualisierung, kürzer werdende Produktlebenszyklen, steigende Komplexität der Prozessabläufe, Produkte und Anforderungen sowie Herausforderungen des demografischen Wandels automatisierungstechnisch, informatorisch und dezentral selbstregelnd zu bewältigen.

Industrie 4.0-basierte Produktionssysteme werden durch den Einsatz von IKT, wie vernetzten, eingebetteten Systemen, sowie der Einführung von Überwachungs- und Entscheidungsprozessen selbststeuernd ausgelegt. Durch ihre schrittweise Implementierung auf dem Weg zu CPPS können weitere funktionale sowie wirtschaftliche Potentiale bestehender Produktionssysteme genutzt werden. Unbestritten ist zugleich, dass damit einhergehend größere Veränderungen hinsichtlich der Gestaltung von Arbeit, Technik und Organisation in der Produktion zu erwarten sind, die insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) vor große Herausforderungen stellen. Begrenzte Managementkapazitäten sowie fehlendes Personal und Ressourcen für Forschung und Entwicklung sind für KMU nicht zu unterschätzende Engpässe bei der Einführung und Umsetzung von Prozessinnovationen im Allgemeinen und von CPPS-Lösungen im Besonderen. Vor diesem Hintergrund ist es entscheidend, diesen Unternehmen den Zugang zu CPPS-Lösungen zu ermöglichen und sie zu befähigen, die neuen Technologien wirtschaftlich und beschäftigtenorientiert einzusetzen. Von besonderer Relevanz ist hierbei, die sozio-technischen Herausforderungen bei der Einführung von Industrie 4.0 zu bewältigen und CPPS-Lösungen den betrieblichen Anforderungen entsprechend zu gestalten, einzuführen und zu betreiben.

Das Verbundprojekt STEPS hat in diesem Kontext das übergreifende Ziel, ein spezifisches CPPS-Lösungsmuster für nicht F&E-intensive KMU zu entwickeln sowie die für die Einführung und Umsetzung notwendigen Strategien für ein beschäftigtenorientiertes, wirtschaftliches Produktionssystem zu entwickeln.

Dazu ist die Erarbeitung einer sozio-technischen Gestaltungs- und Einführungssystematik für CPPS erforderlich, die auf die besonderen Anforderungen nicht F&E-intensiver Unternehmen abzielt. Die Gestaltungs- und Einführungssystematik soll den KMU geeignete CPPS-Lösungen aufzeigen, die zur Erreichung der operativen Ziele, unter Berücksichtigung der Anforderungen und Fähigkeiten sozio-technischer Systeme, implementiert werden können. Geeignete organisatorische Strukturen können eine dauerhafte Prozessorganisations- und Technologieadaptionsfähigkeit der Betriebe fördern und zu einer Produktivitätssteigerung sowie zu einer Verkürzung der Reaktionszeit auf variierende Kundenanforderungen führen. Die dabei auftretenden technischen, arbeitsorganisatorischen und personellen Herausforderungen und ihre Interdependenzen werden mithilfe der systemischen Vorgehensweise frühzeitig aufgegriffen. Mit diesem Konzept wird vermieden, dass allein nach der Funktionsweise einzelner Mensch-Technik-Organisation-Komponenten (M-T-O) gefragt wird. Vielmehr werden die Wechselwirkung und die Kombination der drei Elemente fokussiert.

Parallel zur Entwicklung der Gestaltungs- und Einführungssystematik wird die exemplarische Weiterentwicklung der sozio-technischen Produktionssysteme der Anwendungspartner mittels CPPS-Lösungen vorangetrieben. Dazu werden in Feldexperimenten Teams aus einem Anwendungspartner und Entwicklungspartnern mit entsprechender Expertise parallel zur Entwicklung der Gesamtsystematik konkrete CPPS-Lösungen für die Erreichung spezifizierter operativer Ziele entwickelt und anschließend als Demonstratoren bei den Anwendungspartnern umgesetzt. Dabei wird die zu entwickelnde Gesamtsystematik validiert und durch die erzielten Erfahrungen angereichert. Mit der Expertise im Konsortium können bedarfsorientierte Lösungen in Form von Demonstratoren in den zentralen Handlungsfeldern der Industrie 4.0-Initiative Big Data, Smart Components und Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) im Sinne einer individuellen und flexiblen Artteilung zwischen Mensch und Roboter entwickelt und umgesetzt werden.

Das Verbundprojekt ist auf eine Laufzeit von drei Jahren ausgelegt. Dabei werden die angestrebten Forschungsergebnisse in Form von sechs Arbeitspaketen erarbeitet. Zunächst wird der Stand der Technik und Wissenschaft aufbereitet. Dazu werden CPPS-Lösungen katalogisiert sowie die Auswirkungen auf operative Kennzahlen und Unternehmensziele untersucht und basierend darauf eine KMU-orientierte Auswahlhilfe für CPPS-Lösungen entwickelt. Daraufhin werden Erfolgsfaktoren und Hemmnisse bei der CPPS-Implementierung auf Basis der Einführungsvoraussetzungen seitens KMU analysiert und in eine Taxonomie gemäß des MTO-Ansatzes überführt. Auf diesen Vorarbeiten basierend wird eine Gestaltungs- und Einführungssystematik für CPPS-Lösungen entwickelt. Parallel dazu erfolgt die Umsetzung von Demonstratoren in den vier Anwendungsszenarien bei den Anwendungspartnern mit Unterstützung durch die Systementwickler. Dabei werden die gewonnenen Erfahrungen gezielt in die Weiterentwicklung der Gesamtsystematik einfließen. Zudem erfolgt neben einer projektbegleitenden Validierung der Gesamtsystematik sowie der Demonstratoren hinsichtlich der Eignung für die aufwandsarme Adaption für andere Unternehmen ein projektbegleitender Ergebnistransfer.

Zur erfolgreichen Durchführung des Verbundprojektes erfolgt die Arbeitsteilung zwischen den Partnern entsprechend der jeweiligen Kernkompetenzen. Aufgrund der Expertise der Entwicklungspartner stammen die zu entwickelnden Demonstratoren aus den Bereichen Big Data, Smart Components und Mensch-Roboter-Kollaboration und werden entsprechend der Anforderungen und Zielsetzungen der Anwendungspartner zielgerichtet ausgewählt, vor Ort umgesetzt und die Adaptierbarkeit auf andere Unternehmen sichergestellt. Die Forschungspartner entwickeln und validieren die Gesamtsystematik und begleiten die Industriepartner bei der Umsetzung und Validierung der Prototypen.

• TOPSTAR GmbH (Konsortialführer)
• RIF e.V. – Institut für Forschung und Transfer, Abteilung Industrial Engineering (Koordinator)
• Technische Universität Dortmund, Forschungsgebiet Industrie- und Arbeitsforschung
• InSystems Automation GmbH
• LP-Montagetechnik GmbH
• RapidMiner GmbH
• intrObest GmbH & Co. KG
• MSP Material Synchronisation and Packaging GmbH
• Steiner-Optik GmbH

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept "Industrie 4.0 – Forschung auf den betrieblichen Hallenboden" gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Projektträger Karlsruhe (PTKA)

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