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Projekt ‚Industrie 4.0 Profitabel‘

Was kostet ein Cyber-physisches System?

Im Zentrum der Industrie 4.0 steht die Smart Factory, die sich durch ihre Vernetzung von Maschinen mittels Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) von aktuellen Fertigungsumgebungen abhebt. Grundlage bilden Cyber-physische Systeme (CPS). Um kleinen und mittleren Unternehmen bei der Auswahl geeigneter CPS-Technologien für den Einsatz in der Intralogistik zu unterstützen, wurde Forschungsprojekt Industrie 4.0 Profitabel, eine Methode zur Kostenermittlung entwickelt, die bei der Investitionsentscheidung helfen soll.

Kostenkalkulation - Was kostet ein Cyber-physisches System (CPS)?

Bild: IPRI GmbH

Bei Cyber-physischen Systemen (CPS) handelt es sich um Objekte, die durch intelligente Systeme miteinander kommunizieren, autark Informationen austauschen, neue Aktionen anstoßen und durch ihr Zusammenspiel elementare Steuerungsfunktionen im Rahmen der Wertschöpfungskette wahrnehmen. Dabei bieten CPS, bedingt durch den technologischen Fortschritt in der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT), große Potenziale. Beispiele dafür sind etwa Smart-Health-Systeme, mit denen Ärzte Ferndiagnosen über körpernahe Sensorik stellen können. Auch in der Industrie verspricht die Verbindung zwischen der physikalischen und der virtuellen Welt vor allem in den Bereichen der Produktion, Logistik und dem Transport neue Möglichkeiten. Diese reichen von verbesserten Kapazitätsauslastungen über geringere Produktionskosten bis hin zu einer schnelleren Umsetzung von individuellen Kundenwünschen.

Technik richtig zuordnen

Bevor dieses Potenzial ausgeschöpft werden kann, müssen produzierende Unternehmen allerdings einige Herausforderungen innerhalb der Wertschöpfungskette bewältigen. Bislang werden der Intralogistik die zentralen operativen Funktionen Lagern, Transportieren, Umschlagen, Kommissionieren und Verpacken zugeordnet. Im Rahmen des vom BMWi geförderten Forschungsprojektes Industrie 4.0 Profitabel (Förderkennzeichen 19183N) wurde diese Annahme zwischen den beteiligten Unternehmen und Forschungseinrichtungen – dem International Performance Research Institute (IPRI) und dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) – im Kontext der CPS-Technologien weiterentwickelt. Als Ergebnis entstand ein verfeinertes Referenzmodell der Intralogistik, das sechs Prozessschritte beinhaltet. Auf dieser Grundlage kann eine klare Zuordnung von geeigneten CPS-Technologien erfolgen: Beispielsweise trägt die Radiofrequenzidentifikation (RFID) zur Steuerung und Kontrolle von Abläufen entlang der Wertschöpfungskette bei. Handschuhe oder Armbänder, die mit dieser Technologie ausgestattet sind, ermöglichen im Rahmen der Kommissionierung, die Dokumentation von Umschlagprozessen oder lassen eine ‚freihändige‘ Güteridentifikation zu. Near Field Communication (NFC) Technologien lassen sich zudem für die Verarbeitung von Daten sowie zur automatischen Identifikation nutzen. Ist die Wahl auf eine Technologie gefallen, müssen in einem weiteren Schritt die Kosten dieser ermittelt werden, wobei eine Lebenszykluskostenrechnung helfen kann.

Langfristige Projekte analysieren

Mit der Lebenszykluskostenrechnung können langfristige Projekte dynamisch analysiert werden. Dafür werden die Kosten über die gesamte Lebenszeit kumuliert und als Bemessungsgrundlage herangezogen. Durch die zeitliche Betrachtung der Kostenentstehung wird eine Untergliederung in funktionelle Phasen möglich. Dies ermöglicht eine umfassende Analyse aller Investitionskosten sowie die genaue Zuordnung von vor- und nachgelagerten Kosten. So können CPS-Technologien ganzheitlich bewertet werden.

Drei Phasen

Um Wechselwirkungen zwischen Zahlungen bzw. Erfolgsgrößen sowie Alternativen zu bewerten, wird der Investitionszeitraum für die jeweilige Technologie in mehrere Phasen unterteilt. Diese orientiert sich entweder an der physischen Lebensdauer der Hardwarekomponenten sowie der Nutzbarkeit der Technologie oder an der wirtschaftlichen Lebensdauer. Die physische Lebensdauer ist limitiert, während die wirtschaftliche Lebensdauer die Zeitspanne misst, in der der Einsatz der Technologie noch einen Mehrwert generiert. Bei der Definition des Lebenszyklus von CPS-Technologien wird die wirtschaftliche Lebensdauer präferiert. Die Lebensdauer der physischen Komponenten wird als wiederkehrendes Kostenelement betrachtet. Die Unterteilung des Lebenszyklus in drei Phasen ermöglicht eine Einordnung der Kostenelemente. Bei den drei Phasen handelt es sich um die Konzept- und Designphase, die Beschaffungs- und Implementierungsphase sowie die Betriebsphase. Die Deinstallationsphase ist Bestandteil der Betriebsphase.

Lebenszyklus im Blick

Die Konzept- und Designphase umfasst die vorbereitenden Tätigkeiten der Entscheidung über die Einführung einer neuen Technologie. Entscheidungsrelevante Informationen sowie die Planung der Umsetzung fallen hier an. Dazu werden Beratungsdienstleistungen in Anspruch genommen und die interne Gestaltung konzeptioniert. Anschließend folgt die Beschaffungs- und Implementierungsphase, die von der Installation und Inbetriebnahme der Technologie geprägt ist. Zuletzt folgt die Betriebsphase. Darunter fallen etwa Instandhaltung, Inspektion oder Software- und Hardwareupdates sowie später die Entsorgung.

Beispiel RFID-Handschuhe

Sollen beispielsweise, RFID-Handschuhe angeschafft werden umfasst die erste Phase – Konzept und Design – sämtliche Tätigkeiten, die zu dieser Entscheidung geführt haben. Darunter fallen Kosten für Mitarbeiter, Beratungs- und Planungsdienstleistungen sowie Verwaltung für die Integration externer Wertschöpfungsketten. In der Beschaffungs- und Implementierungsphase werden alle Kosten neachtet, die bei Inbetriebnahme der Handschuhe angefallen sind. Damit die Handschuhe mit anderen Technologien kommunizieren können, werden zuzüglich Rechner, Server, deren Infrastruktur, Akku-Ladevorrichtungen und gegebenenfalls auch Sensoren an den Arbeitsplätzen sowie Soft- und Middleware für die Prozessintegration benötigt. Weitere Kosten können durch Testläufe, Systemintegration, Schulungen, Betriebsausfälle oder Kapitalkosten entstehen. Mit Start der Betriebsphase sind neben den Kosten für Energie, Reinigung, Pflege oder Ersatzteile (bzw. auf Lager liegende RFID-Handschuhe) auch Personalkosten für die Systembetreuung, Lizenzgebühren und Versicherungskosten zu kalkulieren.

Grundlage der Entscheidung

Mit der Lebenszykluskostenrechnung kann die Entscheidungsfindung bei der Einführung von CPS-Technologien erleichtert werden. Dafür werden drei Phasen betrachtet: die Konzept- und Designphase, die Beschaffungs- und Implementierungsphase sowie die Betriebsphase. Grundsätzlich gilt es bei der Kostenermittlung jedoch zu berücksichtigen, dass jede Investition in eine CPS-Technologie sowie deren Bewertung mit der Lebenszykluskostenrechnung unternehmens-, branchen- und projektindividuell erfolgen muss. Die Kostenermittlung von CPS-Technologien ist als wesentlicher Bestandteil der Einführung oder Ablehnung neuer Technologien entscheidend und hat damit einen wesentlichen Einfluss auf den digitalen Wandel.

Kostenkalkulation - Was kostet ein Cyber-physisches System (CPS)?

Bild: IPRI GmbH

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