Sichere Arbeit
Industrie 4.0: Schweißstraße in der Automobilindustrie Abb. 1: Schweißstraße in der Automobilindustrie

Sicherheit in der „Industrie 4.0-Strategie“ – eine Einführung

Digitalisierung

Die Strategie Industrie 4.0, die im Wesentlichen auf einer umfassenden Kommunikation aller am Produktionsprozess beteiligten Komponenten und des Produktes selbst basiert, stellt sämtliche Maßnahmen der Prävention und Arbeitssicherheit auf den Prüfstand. Die Digitalisierung erfordert vielfach neue Konzepte für die Sicherheit der Beschäftigten.

Globalisierung und Automatisierung bringen für das gesellschaftliche Leben eine Menge positiver Aspekte, die die Entwicklung und Verbreitung der Produktionskapazitäten, ihre Durchsetzung in einem Konkurrenzmilieu durch Erhöhung der Produktivität und Qualität der hergestellten Produkte, neue Gelegenheiten sowie die Gewinnung neuer Kunden ermöglichen. Andererseits haben diese Handels- und Gesellschaftstrends als Ergebnis auch „negative“ Risiken der Einwirkung der externen Bedingungen (Kultur, politische Situation, unternehmerisches Milieu, Environment u. Ä.), aber auch der Einwirkung der internen Steuerungsaspekte der jeweiligen Organisation bei Änderung der Technologie, Werkstoffe (sog. neu entstehende Risiken) sowie den Einfluss der Kundenanforderungen zur Folge. Die Industrierevolution ist der Motor der gesellschaftlichen Entwicklung, bedingt durch neue Technologien sowie Änderung des Denkens. Allerdings tritt als Begleiterscheinung auch eine Menge negativen Abfalls auf, der die Risikobeurteilung und -steuerung im Kontext von Safety und Security erfordert. Methoden und Vorgänge zur Analyse und Beurteilung dieser Risiken müssen die Gebiete der traditionellen Produktion, der Logistik, der Instandhaltung und ihre Verbindung mit den Innovationsmethoden des Kenntnismanagements und der Informationssysteme decken.

Industrie 4.0 ist heutzutage eine Philosophie, morgen aber wird sie einen untrennbaren Bestandteil jedes Produktionskonzeptes bilden!

Was versteht man unter Industrie 4.0?

Unter dem Begriff „Industrie 4.0“ versteht man eine Technologiesteuerung, die schon in einigen Bereichen der Industrieproduktion existiert, in denen Maschinen und Produkte untereinander kommunizieren und einzelne Schritte im Rahmen des Produktionsprozesses autonom, das heißt selbst organisieren.
Kundinnen und Kunden informieren sich immer häufiger über Produkte bzw. Dienstleistungen, die sie sich besorgen bzw. die sie nutzen wollen, und sie erwarten von den Produzenten maximale Flexibilität. Sie wollen nicht Produkte mit Eigenschaften kaufen, die ihnen andere Produktionsorganisationen anbieten. Sie wollen die Eigenschaften des Produktes, für das sie zahlen, selbst definieren. Diese Art und Weise einer starken Individualisierung erfordert eine hohe Flexibilität der Serienfertigung, indem sich Kundinnen und Kunden als auch Handelspartnerinnen und -partner der Bildungskette des Finalwertes (der Eigenschaften) des Produktes anschließen, die aus den aus verschiedenen Industriebereichen gebildeten Partnerschaften hervorgeht [1].

Als Beispiel lässt sich die Zusammenarbeit eines Roboters mit dem Produkt selbst bei seiner Fertigung auf einer Straße anführen. Dabei identifiziert der Roboter das Produkt (seine Parameter) genau, stellt danach selbst die entsprechende Operation, die einmalig für den jeweiligen Produkttyp ist (z. B. Karosserie), ein und führt sie durch. Der Roboter identifiziert selbst eine Maschine mit freier Kapazität für die Fertigung oder Montage des Produktes (siehe Abb. 1). Die Strategie Industrie 4.0 resultiert aus der steigenden Digitalisierungsstufe in der Industrie, die es ermöglicht, neue Organisationsstrukturen der Firmen als Bestandteil der Kette der Werterhöhung des Produktes im Rahmen des Produktionsprozesses entsprechend den Kundenanforderungen zu bilden.

Ziel ist es, dass in Zukunft alle relevanten Objekte (Elemente), die sich an den Tätigkeiten im Rahmen der Lebensdauer eines Produktes beteiligen, untereinander kommunizieren. Diese Elemente werden erforderliche Informationen über verschiedene Schritte im Rahmen der Lebensdauer des Produktes austauschen, wodurch sie zu strategischen Elementen werden, die die Möglichkeit einer breiten Realisierung von konkreten Vorgängen gewähren. Eine so konzipierte Kommunikationsplattform ist Grundbestandteil der Strategie 4.0 [2]. Als ein anderes Beispiel kann das Rad einer Windkraftanlage angeführt werden, das selbst den Verschleiß des Getriebes überwacht und je nach Bedarf die Information darüber abschickt, dass man die Instandhaltung durchführen bzw. den erforderlichen Ersatzteil bestellen soll. Es ist offensichtlich, dass Maschinen, Elektrogeräte und Werkzeuge „intelligent“ werden, sie können also mittels des hochschnellen Internets Informationen austauschen und untereinander bzw. mit einem anderen Objekt kommunizieren. Technische Basis für diese Aktivitäten bietet das kybernetisch-physikalische System CPS (in einem breiteren Sinne des Wortes das mechatronische System, engl. Cyber Physical System), in dessen Rahmen die physikalische Realität (ein wirkliches Subjekt) mit der virtuellen Welt in Form des Internets der Gegenstände (engl. Internet of Things – IoT) verbunden wird. Man erreichte aber auch einen weiteren Schritt, auf dem die Informations- und Kommunikationstechnologien auf ein wesentlich höheres Niveau gelangen, wodurch sie das gegenwärtige Verständnis der Form des Arbeitsprozesses (des Produktionsprozesses) wesentlich ändern. Die Fachleute schätzen, dass bis zum Jahre 2020 bis zu 50 Milliarden Objekte auf diese Weise untereinander verbunden sein werden, was Applikationen des Bereiches von Big Data erfordern wird. Dieser Begriff bezeichnet Dateien, deren Größe außerhalb jenes Bereiches liegt, dessen Daten man mit gewöhnlich eingesetzten Softwaremitteln in einer rationellen Zeit nicht aufnehmen, verwalten und verarbeiten kann [5].  Zur Gewinnung und Verarbeitung einer großen Informationsmenge ist es wichtig, dass alle in Digitalform vorliegen. Die Digitalisierungsstufe der Produktions- und Montageprozesse sowie der Dienstleistungen charakterisiert die Möglichkeit ihrer effektiven Realisierung. Die Automobilindustrie in ihrer gesamten Struktur ist es, die in der Gegenwart auf die Implementierung der Strategie Industrie 4.0 am besten vorbereitet ist.

Diese Prozesse sind schon teilweise Realität. Im Rahmen der Montageprozesse als Bestandteil der Automobilproduktion wird das Programm zur Identifizierung und Auswertung des Menschengesichtes als Bestandteil des Kontrollprozesses genutzt. Bevor die Stoßstange montiert wird, überprüfen die Mitarbeiter ihre Qualität. Das zufriedene Gesicht des Mitarbeiters im Zusammenhang mit dem Zustand der Komponente definiert, dass die Stoßstange die an sie gestellten Anforderungen erfüllt. Wenn aber z. B. mit einem Finger auf die Stelle gezeigt wird, die Mängel aufweist, registriert eine Kamera diese Bewegung. Das System definiert die Interaktion zwischen dem Menschen und der Stoßstange (Mensch-Maschine-System).

In der Gegenwart wenden schon etwa 25 Prozent der Komponentenhersteller für die deutsche Automobilindustrie in ihrer Agenda das Prinzip der Strategie Industrie 4.0 an. Die Informationsflüsse dürfen nicht manipulierbar sein, damit man das Firmenpotenzial (Know-how) mit dem Ziel schützen kann, die Firmensicherheit zu gewähren und Sabotage auszuschließen. Eine weitere Entwicklung wird mit der prinzipiellen Arbeitsänderung verbunden sein. Die Industrieproduktion wird mehr Erkenntnis erfordern, und sie wird mit dem Angebot der Dienstleistungen, sogenannter Smart Services, verbunden sein. Für die Produktionsbetriebe wird man neue Geschäftsmodelle, Prozesse und Aufgaben als Bestandteile der Produktionskette des Erzeugnisses anwenden können.
Die technologische Entwicklung stellt neue Herausforderungen an die Risikoprävention. Im Rahmen der Prävention 4.0 ist eine Frage zu stellen: Werden die Menschen nach Forderungen der Maschinen gesteuert oder werden sie auch Zeit für kreative Arbeit haben? Es sieht so aus, dass der Mensch im Rahmen der Strategie Industrie 4.0 immer mehr die Aufgabe der Steuerung und Regulierung übernimmt. Er installiert, optimiert und repariert die Anlagen. Dadurch wird die Überwachungstätigkeit immer intensiver. Die auf die Probleme des Arbeitsmilieus gerichteten wissenschaftlichen Disziplinen gehen davon aus, dass sich die Arbeitsintensität erhöhen und die Schnittstelle „Mensch-Maschine“ immer komplexer werden wird. Zur Schaffung günstiger Arbeitsbedingungen für die Menschen in Übereinstimmung mit der Strategie Industrie 4.0 wird die Bildung solcher Module notwendig sein, die von der Kombination eines hohen Maßes an Selbstverantwortung und dezentralisierter Steuerungsformen ausgehen werden.

Sicherheit als Bestandteil der Strategie Industrie 4.0

Die Strategie Industrie 4.0 ruft bei ihrer Durchsetzung in der Industrie neue Anforderungen an die Sicherheit hervor. Für Maschinensysteme und für die mit ihrer Hilfe erzeugten Produkte sind zwei Aspekte der Sicherheit interessant: Einerseits dürfen solche Systeme keine Gefährdungen der Menschen und der Umgebung verursachen, d. h. „Betriebssicherheit“ – Safety. Auf der anderen Seite müssen solche Anlagen vor Missbrauch und unbefugtem Eingriff geschützt werden, vor allem im Bereich des Datenmissbrauchs und des in ihnen enthaltenen Know-hows (Schutz von Intellectual Property Rights), d. h. Schutz gegen unberechtigten Eingriff – Security. Strategische Möglichkeiten für die Applikation der Forschung im Rahmen der Strategie Industrie 4.0 gehen hervor aus der Modellierung des Mensch-Maschine-Systems mittels der digitalen Ergonomie in der Arbeitsumwelt durch Identifizierung der Gefährdung, Risikoabschätzung und -bewertung und seiner virtuellen Steuerung hinsichtlich der Aspekte Safety und Security. Das Modellieren von Safety und Security dient der gesamten Beschreibung des Arbeitssystems im Rahmen der Industrie 4.0. Dabei wird berücksichtigt, dass Safety die Bedingungen des Menschenschutzes vor dem Einfluss der Maschine definiert, und Security enthält den Schutz des Objektes (des Eigentums) vor dem Eingriff des Menschen von außen. In diesem Falle gilt: „Ohne Security kann Safety nicht gewährt werden“, z. B. wenn man die Sensorensysteme manipuliert, die die Betriebssicherheit einer Maschine gewährleisten. In einzelnen Projekten müssen gegenseitige Beziehungen zwischen den Maschinen und den Produkten so beschrieben werden, dass man die Risiken eindeutig identifizieren, nachfolgend Vorgänge für ihre Minimalisierung wählen und dadurch sichere Maschinensysteme aufbauen kann. Durch Aufsummieren dieser Maßnahmen wird die Basis für den Entwurf der Beurteilungsmethoden und nachfolgend der Risikominimierung geschaffen.
Bei konkreten Beispiele der Strategie Industrie 4.0 handelt es sich um die Problematik der gegenseitigen Beziehung von Mensch und Roboter (Kollision, Kollaboration) sowie um die Vernetzung (gegenseitige Verbindung der Kommunikation und der Steuerung) von Maschinensystemen. Im Zusammenhang mit den vernetzten Maschinensystemen geht es vor allem um den Entwurf der Steuer- und Kontrollsysteme im Produktionsprozess. Die rechte Spalte stellt also mentale Anforderungen in Zusammenhang mit der Analyse von psychologischen Faktoren dar. Dadurch ist es möglich, die Prinzipien des ergonomischen Entwurfs in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Strategie Industrie 4.0 zu entwickeln.

Das Prinzip der kybernetisch-physikalischen Systeme (CPS) als Bestandteil der Werkzeuge zur Erfüllung der Strategie Industrie 4.0 ist eine hochstufige Vernetzung von Systemstrukturen mit einer Menge von Menschen, IT-Systemen, Automatisierungselementen als auch Maschinen. Zwischen diesen Objekten wird ein intensiver Datenaustausch realisiert. Im Rahmen des Prozesses der Schaffung des Endwertes des Produktes sind daran viele Faktoren beteiligt. Trotzdem geht man davon aus, dass Sicherheit die Eigenschaft des ganzen Systems ist, also auch der außerbetrieblichen Sicherheit. Vor allem infolge einer hohen Vernetzungsstufe sowie der prinzipiellen Offenheit nach außen entstehen bei der Sicherheit von Eingriffen vollkommen neue Probleme. Daraus folgt, dass die Risikobeurteilung und die daraus hervorgehenden Entwürfe für ihre Minimierung im Rahmen des Systems Mensch–Maschine–Umwelt nur nach vorhandenen Normen durch den Einsatz von neuen Methoden realisiert werden müssen.
Strategie Industrie 4.0 ist nur realisierbar und wird akzeptiert, wenn:

  • Risikoanalysen schon in der Etappe des Projektes und der Konstruktion angewendet werden,
  • die IT-Sicherheitskonzepte, ihre Architekturen und die mit ihnen verbundenen Normen  parallellaufend entwickelt werden müssen.

Die Modelle der Interaktion zwischen dem Menschen und der IT-Technik gewinnen im wesentlichen Maße an Bedeutung. Neue Zugänge rufen im Zusammenhang mit der Zukunft der Arbeitsausübung verschiedene Fragen hervor, wie z. B.:

  • Wie verändern sich Technologien und Arbeitsmittel?
  • Wie verändern sich die Aufgaben und Tätigkeiten für die Mitarbeiter?
  • Welche Anforderungen gehen davon für die Arbeitssicherheit hervor?
  • Worin liegen Chancen und Risiken der Schaffung von Arbeitsplätzen unter Beachtung der Anforderungen des Menschen?

Trotzdem ist eine prinzipielle Philosophie zu akzeptieren, dass die Sicherheit im Rahmen der Strategie Industrie 4.0 als eine komplexe (integrierte) Sicherheit vor allem in Form der sogenannten dualen Strategie, also Safety + Security, analysiert werden muss!

Inhaltlich ist die Integration der Arbeitssicherheit – Safety (Betriebssicherheit) –, des Datenschutzes (Privacy) und der bürgerlichen Sicherheit (Security) im Rahmen von Komponenten und Systemen im Rahmen der Industrie 4.0 als gegenseitig beeinflussbar  zu verstehen. Die Anwendung der Steuerungssysteme im Rahmen von Safety und Security ändert sich vom statischen auf das dynamische Niveau, das sich den Produktionsprozessen, den Informationsflüssen mit einer großen Datenmenge und der Aufgabe des menschlichen Faktors im Rahmen der Produktionstechnologien anpasst.
Die Strategie Industrie 4.0 erfordert im Bereich der Sicherheit einen proaktiven Zugang, der intensiver ist als bisher, vor allem Safety und Security im Rahmen der Konstruktion und Planung der Maschinen und der komplexen Technologien.  Es ist zweckmäßig, den Nachweis über die Maschinensicherheit und Sicherheit ihrer Bestandteile mittels der Identifizierung und Quantifizierung von Risiken im Rahmen des Entwurfsprozesses zu gewährleisten. Dabei ist es wichtig, die Risiken zu identifizieren und zu kompensieren und nachfolgend während des Maschinenbetriebs mittels Informationen von den Benutzern das Endrisiko des komplexen CPS-Systems zu bestimmen.
Die nachfolgende Implementierung von Präventionsmaßnahmen ist wesentlich aufwendiger, und oftmals löst sie nicht die Nachhaltigkeit der Applikation von Sicherheitsmaßnahmen. Sicherheit lässt sich nicht nur auf Funktionselemente (Komponenten) begrenzen, sie soll als ein kontinuierlicher Prozess verstanden werden. Wichtig ist, dass zur Sicherung einer schnellen Reaktion auf entstandene Probleme das System eines wirksamen Monitorings gebildet wird und dass ein intensiver Informationsaustausch über verschiedene Ebenen im Rahmen des Produktionsprozesses gesichert wird [4].

In Zusammenhang mit den Risiken im Rahmen der Strategie Industrie 4.0 spielt die Interaktion zwischen dem Menschen und der Produktionszelle eine wichtige Rolle. Bis jetzt wurden zwischen der robotisierten Arbeitsstelle und den Menschen Schutzzäune in Form von physischen Barrieren eingesetzt.

Bei immer mehr entwickelten Sensoren werden Lösungen vorgeschlagen, wonach die Prozesse ohne zeitliche Begrenzung direkt neben dem Roboter ohne das teilende Schutzobjekt durchgeführt werden, auf dem Prinzip der gegenseitigen Kommunikation von Objekten.
In diesem Zusammenhang ergibt sich die Frage, ob man das kleinere Risiko mittels einer trennenden Barriere oder mittels der sensorischen Systeme gewährleisten kann. Die Sensorik in Zusammenhang mit der Industrie 4.0 stellt die Tatsache dar, dass die einzelnen Systemteile selbstständig reagieren. Ziel ist es, eine solche Arbeitskleidung zu entwickeln, die auf die Impulse des Prozesses direkt reagiert und dem Menschen eine aktuelle Information über eine mögliche Bedrohung gibt.

Schlussfolgerung

Die Strategie Industrie 4.0 bringt neue Herausforderungen auf vielen Gebieten mit sich. Im Bereich des Risikomanagements wird das Objekt (seine Funktion) zum internen Milieu der Analyse, dazu kommt aber noch das Gebiet der Kommunikation mit der Umwelt (mit anderen Objekten). In diesem analytischen Raum ist es notwendig, neue Methoden und Vorgänge im Prozess der Risikoidentifizierung und -steuerung zu suchen, die die Kommunikationsflüsse und ihre Eigenschaften als auch eine Menge der verarbeiteten und ausgewerteten Daten sowie ihre Steuerungsweise berücksichtigen. „Der externe Gegenstand (Milieu) der Analyse“ zeigt Eingänge von der Umgebung (Elemente und Anforderungen, die in die Arbeitsumwelt eingehen), ihre Wirkung auf das Objekt und ihren Einfluss auf die Ergebnisse der Tätigkeit des beurteilten Objekts. Neben diesen Analysemilieus ist eine Methodik für die Analyse ihrer Verschneidungen (innerer und äußerer Gegenstand / Milieu) zur gesamten Beurteilung „der Gefahrenlage“ ihres Einflusses auf erwartete Ziele der Organisation zu bilden.

Der Beitrag wurde auf Basis der Forschung ausgearbeitet, die im Rahmen des Projektes VEGA 1/0150/15 die Entwicklung der Implementierungsmethoden und der Verifikation der Applikationen von integrierten Systemen der Sicherheit von Maschinen, Maschinensystemen sowie von Industrietechnologien realisiert. Die vollständige Fassung ist im Buch „Der digitale Mensch: Nutzen und Gefahren personenbezogener Kenngrößen“ (Köln: VdS-Verlag) nachzulesen.

Literatur:

[1] Krüger, A.: Zukunft der Arbeit, Arbeit und Gesundheit, DGUV, 5/2014.
[2] Whitepaper FuE Version 2015 (str. 39). Platform Industrie 4.0, BWE.
[3] Geilen, J., Krüger, J., Grawel, B., Adolph, L.: Neue Anforderungen an den Arbeitsschutz aus Sicht der BAuA. BPUVZ 05.15, Erich Schmidt Verlag, Mai 2015, S. 214–2017.
[4] Umsetzungempfehlungen für die Zukunftstrategie Industrie 4.0. Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0, April 2013. ACATECH, Forschungsunion, BMBF.
[5] Levársky S.: 7 dôvodov, prečo Big Data uľahčia firmám život. Dostupné na internete, 15/3/2015, www.zive.sk/clanok/66175/7-dovodov-preco-big-data-ulahcia-firmam-zivot.
[6] Pačaiová, H., Sinay, J., Glatz, J.: Bezpečnosť a riziká technických systémov. Edícia SjF TUKEKošice, Vienala Košice 2009.
[7] Buhr, D.: Soziale Innovationspolitik für die Industrie 4.0. WISO diskurs. Expertisen und Dokumentationen zur Wirtschafts- und Sozialpolitik IV/2015. Friedrich Ebert Stiftung.
[8] Hirsch-Kreinsen, H.: Welche Auswirkungen hat „Industrie 4.0“ auf die Arbeitswelt? WISO direkt. Analysen und Konzepte zur Wirtschafts- und Sozialpolitik XII/2014. Friedrich Ebert Stiftung.

Prof. Ing. Juraj Sinay, DrSc.
Prof. Ing. Hana Pačaiová, Ph.D.
Technische Universität in Košice, Fakultät für Maschinenbau,
Lehrstuhl für Sicherheit und Produktionsqualität
juraj.sinay@tuke.sk

Zusammenfassung

Der Artikel setzt sich mit den neuen Herausforderungen auseinander, die die Strategie Industrie 4.0 an Präventionsmaßnahmen und an die Arbeitssicherheit stellt.

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