Was ist eine Smart Factory?

Die Krönung der digitalen Schöpfung – die Smart Factory

Smart Factory kurz und knapp erklärt

Die Smart Factory oder auch „intelligente Fabrik“ startete im Rahmen von Industrie 4.0 und Digitalisierung als Technologieinitiative der TU Kaiserslautern und einer Reihe von Akteuren aus Industrie, Wissenschaft und Technik. Klar. Will man Aufmerksamkeit erregen, braucht man halt große Überschriften. Und die wird bei der Smart Factory immer größer. Heute versteht man unter dem Begriff ein buntes, nicht immer klar definiertes Sammelsurium aus Visionen und Leitbildern für die digitale Fabrik der Zukunft. Ungeachtet der zahllosen nebulösen White-Paper, Marketing-Slogans oder politischen Podiumsdiskussionen tauchen einige Elemente immer wieder im Zusammenhang mit der Smart Factory auf:

  • Die Smart Factory bildet mit dem sogenannten Smart Produkt die Hauptkomponente der Smart Production
  • Kernstück dieser neuen digitalen Fabrik der Zukunft soll ein durch zahllose Daten aus Sensoren, Aktoren und Softwarekomponenten gefütterter Zwilling sein – natürlich in Echtzeit
  • Von der jüngeren Software-Schwester der klassischen Fabrik, dem digitalen Zwilling, erhofft man sich einiges – mehr Effizienz, mehr Nachhaltigkeit und mehr Flexibilität. Wenn es da mal keinen Streit um die Aufmerksamkeit der Eltern gibt.
  • Software – wie diese auch immer im Detail aussehen möge – wird der maßgebliche Treiber der Produktionsstätten von Morgen sein, um Menschen, Maschinen und natürlich IT-Technologien miteinander zu vernetzen – intelligent und smart versteht sich. Einige Digitalisierungs-Droiden sprechen gar schon von „software-defined manufacturing“ – na, wenn man da nicht schon die nächste Sau durchs Industrie-Dorf jagt.
  • Die drei Hauptsysteme der Smarten Fabrik sind das ERP-System, das MES und die Betriebsdatenerfassung – drei alte Bekannte aus der Produktions-IT.
  • Diese sollen dafür sorgen, dass unser digitales Ensemble zu einem selbstorganisierten und sich selbstoptimierenden Regelkreis der Produktion verschmilzt, der aus Planen, Ausführen, Analysieren und vorrauschauenden Optimierungsmaßnahmen besteht – wenn das nicht mal nach dem guten Plan-Do-Check-Act klingt.

Eine Smart Factory kann man nicht im Laden kaufen

Ein Vier-Stufen-Modell soll den Weg zur Smart Factory begleiten

Das Konzept der Smart Factory klingt erstmal verlockend. Dennoch ist die reine Auflistung hypothetischer Vorteile, Forderungen und Wünsche an eine moderne Produktions-IT etwa genau so viel wert, wie die prosaisch ausgeschmückte Beschreibung eines digitalen Schlaraffenlandes oder die Wunschliste an den I4.0-Weihnachtsmann. Es ist und bleibt eine Vision. Oder wie böse Zungen behaupten würden – eine nette Spinnerei, wie beispielsweise das in den 90er-Jahren aufkommende CAM (Computer Aided Manufacturing). Um wirklich einen Mehrwert am Hallenboden, an den Produktionsleitständen oder – das wichtigste – im Geldbeutel zu spüren, braucht es ein realistisches Vorgehensmodell, das im Idealfall auch kurz- bzw. mittelfristig schon Erfolge mit sich bringt. Genau das soll mit dem Vier-Stufen-Modell in, wie der Name schon sagt, vier Schritten erfolgen:

  • Stufe 1: Transparenz schaffen
  • Stufe 2: Reaktionsfähigkeit sichern
  • Stufe 3: Automatisierte Regelkreise in der Produktion etablieren
  • Stufe 4: Digitale Systeme funktional vernetzen

Schauen wir uns das mal genauer an:

Stufe 1 der Smart Factory: Transparenz schaffen – Daten, Daten und nochmals Daten

Will man Entscheidungen treffen, braucht man die richtigen Informationen – und das möglichst zeitnah. Das wussten schon die alten Römer in ihren Feldzügen zu schätzen. Und auch in der Produktions-IT läuft nichts ohne Betriebs-, Maschinen-, Prozess- und Auftragsdatenerfassung, denn:

  • mit Daten werden Aufträge vom Wareneingang bis zum -ausgang samt Qualitätszertifikat dokumentiert
  • mit Daten werden Maschinen, Anlagen und Prozesse, z.B. in Form von Rezepturen, gefüttert, um Produkte ordnungsgemäß herzustellen und eine Warnung auszulösen, wenn ein Parameter außerhalb des avisierten Wertebereichs liegt
  • mit Daten können Kennzahlen, wie beispielsweise die OEE-Kennzahl, gebildet werden, um eine übersichtliche Leistungsanalyse der Fertigung zu ermöglichen
  • mit Daten lassen sich bisher unbekannte Zusammenhänge aufdecken, um daraus Optimierungsmaßnahmen abzuleiten

Klingt alles trivial. Der historisch gewachsene und oftmals heterogene Maschinenpark vieler Fertigungsunternehmen macht aber häufig jeden Traum einer vollvernetzten Smart Factory zunichte. Sie können halt von einer 20 Jahre alten Maschine nicht erwarten, dass diese plötzlich mit einer OPC-UA-Schnittstelle nur so auf ihre Integration in einen KEPServer wartet. Bei einer solch widerspenstigen Kollegin, kann Ihnen nur noch die Softwareentwicklung aus der Patsche helfen.
Allerdings lohnt sich der Aufwand. Hat man erstmal seine Produktion digital abgebildet und Zugriff auf einen umfassenden Datenbestand, ist der Grundstein für Optimierungen und die produktionsnahe Qualitätssicherung gelegt. Wenn Sie beispielsweise im Rahmen der OEE-Kennzahlen-Analyse an einer Maschine außergewöhnlich lange Rüst- und Einstellzeiten feststellen, lässt sich auf dieses Ärgernis, z.B. durch gezielte Schulungsmaßnahmen, reagieren, um die Verfügbarkeit Ihrer Maschine und damit auch die Produktivität Ihrer Anlagen zu steigern – stellen Sie sich mal vor, Sie müssten durch monatelanges spekulatives Rumprobieren darauf kommen.
Und wem dieser Vorteil zu schwammig ist, der wird vielleicht als Zulieferunternehmen von seinen Kunden in Form von stetig strenger werdenden, teilweise gesetzlich vorgeschriebenen Nachweispflichten motiviert, seine Produktion nahtlos zu dokumentieren. Dazu gehören beispielsweise Prüfmerkmale des verwendeten Materials, Maschineneinstellungen, Personalqualifikationen und Auffälligkeiten an zugelieferten Komponenten zusammengefasst als Qualitätszeugnis – schließlich ist Vertrauen bekanntlich gut, aber Kontrolle eben besser.

Stufe 2 der Smart Factory: Reaktionsfähigkeit sichern – Kein Plan überlebt den ersten Feindkontakt

Wenn man in der Produktion eines einplanen kann, dann dass nichts nach Plan läuft. Zu spät geliefertes Rohmaterial und Halbfertigerzeugnisse, zur Neige gehende Betriebsmittel, technische Störungen an einer Maschine und zu allem Überfluss fehlt auch noch Klaus, unser Maschinen-Instandhaltungsgenie, aufgrund einer akuten Corona-Infektion. Da ist das Chaos vorprogrammiert und die Planungsdaten, die auf der grünen Wiese entstanden sind, können Gras fressen.
Um solche Situationen nicht eskalieren zu lassen, muss der Meister oder Produktionsleiter schnell reagieren. Und dazu braucht es – Sie ahnen es schon – Daten. In Stufe 2 aber in Echtzeit. Nicht unbedingt harte Echtzeit, wie an einer SPS, aber zumindest müssen Verfügbarkeit von Maschinen, Material, Mitarbeiter und aktueller Status von Fertigungsaufträgen in Korrelation mit den eher groben Planungsdaten aus dem ERP-System zeitnah bereitstehen.
Eine derartige datengetriebene Feinplanung hat durch die gewonnene Reaktionsfähigkeit einige Vorteile:

  • Auf kurzfristige Kundenwünsche kann die Produktionssteuerung ohne aufwendige Kommunikation zwischen Produktion und Unternehmensleitebene reagieren – kein nerviger E-Mail-Verkehr und überflüssige Telefonate.
  • Aufträge lassen sich bei drohenden Material-, Verfügbarkeits- oder Personalengpässen priorisieren – wenn schon Ärger bekommen, dann auf keinen Fall mit dem nervös quengelnden Premiumkunden.
  • Es ist möglich, einzelne Arbeitsgänge, Rüst- oder Wartungsarbeiten, z.B. bei technischen Störungen, umzudisponieren.

Und wie sieht die Umsetzung in der Produktions- und Fertigungs-IT aus? Im Grunde genommen geht es um die Digitalisierung bzw. Erweiterung von altbekannten Planungswerkzeugen wie beispielsweise:

  • SAP-Planungsmodule, z.B. die Absatz- und Produktionsgrobplanung – kurz SOP (Sales & Operations Planning)
  • kreativ zusammengestrickte Excel-Tabellen
  • oder gar manuelle Stecktafeln

Ziel ist in dieser Ausbaustufe der Smart Factory immer die Schaffung einer mit der Fertigungsrealität gekoppelten Feinplanung. Heißt ganz praktisch, man paart die Produktionsgrobplanung, z.B. aus einem ERP-System, mit der Betriebsdatenerfassung. Voila! Fertig ist die digitale Planungstafel. Und für die Umsetzung in Ihrer Produktions-IT müssen Sie noch nicht mal nach den Sternen greifen:

  • Sie können ein bestehendes SAP-Modul, z.B. SOP, customizen oder sich ein entsprechendes SAP-Add-On für die Fertigungsfeinplanung zulegen.
  • Sie kaufen sich ein ausgewachsenes MES, z.B. HYDRA, und bedienen sich großzügig an den entsprechenden Funktionen für die Fertigungsfeinplanung, z.B. der Plantafel des HYDRA-Leitstandes – etwas übertrieben, aber möglich.
  • Falls Sie sehr spezielle Anforderungen haben, können Sie dank individueller Softwareentwicklung aber auch Ihre eigene Anwendung passgenau entwickeln lassen. Immerhin geht es bei der Feinplanung um Termintreue, Optimierung von Rüstkosten, Vermeidung allzu hoher Umlaufbestände und vieles mehr – oder, wie der Berater zu sagen pflegt, um „Operational Excellence“ und damit auch um einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil.
  • Dank individueller Softwareentwicklung oder Standard-Schnittstellen der Maschinen, z.B. OPC-UA, ist auch für ein schnelles Feedback vom Hallenboden gesorgt.

Damit wären wir auch schon auf der dritten Stufe der Smart Factory angelangt.

Stufe 3 der Smart Factory: Automatisierte Regelkreise in der Produktion etablieren

Damit unsere Fabrik auch richtig „smart“ wird, brauchen wir noch eine ordentliche Prise Automatisierung. Im Fall der Smart Factory geht es vor allem darum, auf Basis der erfassten Daten aus Stufe 1 und Stufe 2 ohne manuelles Zutun zu reagieren.
Die einfachste Stufe stellen z.B. ein halbautomatisiertes Alarm- und Eskalationsmanagement dar. Dabei geben z.B. Signalampeln und Panel-PCs den Produktionsleitern, Maschinenbedienern, Anlagenfahrern oder Instandhaltern rechtzeitig Bescheid, falls ein vordefinierter Sollwert einen kritischen Schwellwert überschreitet. Anstatt nur den lieben langen Arbeitstag nervös Werte zu beobachten, können die Mitarbeiter in der Produktion nun zielgerichtet Maßnahmen einleiten. Dieses Szenario wird teilweise auch als Condition Monitoring bezeichnet. Und wie der Zufall es so will, haben wir für alle Neugierigen auch gleich das passende Beispiel aus der Praxis.
Eine zweite sehr beliebte Möglichkeit ist das sogenannte eKanban. Mit Hilfe einer betriebsdatengestützten Material- und Produktionslogistik, erfolgt ein zeitnahes Monitoring von Materialpuffern. Sollte nun ein Rohstofflager oder -zwischenlager zu Neige gehen, kann schnell durch automatisierte Materialbestellungen Nachschub besorgt werden.
Voraussetzung für eine solche Art der Selbstregulierung, wie es die Smart Factory vorsieht, sind natürlich gut formalisierte Prozesse, die nicht allzu vielen kreativen Freiheitsgraden ausgesetzt sind und sich entsprechend auch in der Produktions-IT abbilden lassen. Ein Computer ist eben kein Mensch, sondern nur ein Rechen-Idiot.

Stufe 4 der Smart Factory: Digitale Systeme funktional vernetzen

Die vierte Stufe der Smart Factory ist im Vergleich zu ihren Vorgängern noch recht vage. Im Grunde geht es darum, die digitalen Systeme noch weiter zu vernetzen. Das können beispielsweise Module innerhalb eines MES-Systems sein, das können aber auch unternehmensübergreifende ERP- oder MES-Lösungen sein, die miteinander interagieren.
In Sachen Software-Technik könnte man beispielsweise bescheiden damit anfangen, vorausschauend Materialbestände zu monitoren und Bestellungen nicht nur retrogerade nach einer entsprechenden Materialbuchung, sondern bereits während der Produktion auszulösen.
Noch verrückter wird es, wenn eine zwischenbetriebliche Informations-Vernetzung von Produktionsbetrieben, beispielsweise in Form eines zwischenbetrieblichen Stoffstrommanagements, sattfindet. Klingt erstmal nach Utopie. Es gibt aber bereits einige praktische Beispiele:

  • Betriebsexternes Recycling – In jedem Industriebetrieb fallen Rest- und Abfallstoffe, z.B. in Form von Altpapier, Altglas oder Altmetallen, an. Gibt der Rückstandsproduzent seinen Müll an einen professionellen Dienstleister ab, ist er alle Sorgen los und sein Dienstleister kann noch einen Reibach machen. Und nur so nebenbei: Aluminiumgewinn aus Schrott braucht nur 5% der Energie im Vergleich zur Gewinnung aus Erzen – das ist doch mal „smart“.
  • Die Industriesymbiose bzw. Verwertungsnetze – Ähnlich wie beim Flohmarkt nur viel größer. Was der eine nicht braucht, kann der andere noch wiederverwenden. Ein schönes und simples Beispiel sind Farbrestpulver aus der Trockenlackiererei. Aufgrund wechselnder Kundenwünsche und technischen Gegebenheiten bleibt immer etwas Farbe übrig. Solche Rückstände bilden durchaus kreative Mischungen. Da wir aber in der Industrie und nicht auf einer Vernissage sind, ist das als Endlackierung eher ungeeignet. Für Zwischen und Grundlackierungen oder bei ästhetisch eher anspruchslosen Anwendungen reicht das allemal. Immer noch besser als die Restfarbe im Lager zu halten und unnötige Kosten zu provozieren.

Die Smart Factory mit ihrer lückenlosen Datenaufzeichnung ist für solche Anwendungsfälle natürlich die ideale Datendrehscheibe. Denn so können Unternehmen ihre Stoffbilanzen vergleichen und Informationen zu möglichen Substitutionsstoffen aus Rückständen im Informationsnetzwerk beschaffen. Wozu eine Smart Factory nicht alles gut sein könnte – vorausgesetzt man begibt sich Schritt für Schritt auf den Lösungsweg.

Ohne Softwareentwicklung keine Smart Factory

Die technologischen Elemente der modernen Produktions-IT

Man kann es nicht oft genug betonen. Die digitale Wirtschaft basiert in großem Maße auf Software – was uns als IT-Dienstleister für SAP-Leistungen und Softwareentwicklung übrigens nicht ganz ungelegen kommt. Die Smart Factory ist da keine Ausnahme. Die Säulen der modernen Produktions-IT bilden dabei unsere altbekannten Großsysteme:

  • Das ERP-System, beispielsweise in Form von S4/HANA, wird uns wohl auf der Unternehmensleitebene weiter begleiten. Bei den zahlreichen Modulen, Add-Ons und Funktionsbausteinen gibt’s einfach kein Vorbeikommen. Früher oder später wird auch Ihr Unternehmen der Versuchung nicht widerstehen können, alle Standardprozesse auch mit entsprechender professioneller Software abzubilden – wofür ein ERP-System wie von SAP sich hervorragend eignet.
  • Der zweite im Bunde ist das MES (Manufacturing Execution System). Zwischen Hallenboden (Shop Floor) und ERP bietet es alles was es für eine moderne Produktions-IT braucht. Da man sich in der Produktion aber auch gleichzeitig in der primären Wertschöpfungskette befindet, gibt es auch einen entsprechenden Druck, sich von der Konkurrenz abzuheben. Hier können Sie es mit invasiver Standardsoftware versuchen oder Sie machen es wie die meisten Industrieunternehmen und entwickeln Ihre eigene MES-Lösung als schlanke Individualsoftware, die zwischen Shop Floor und ERP-System vermittelt.

Neben den Klassikern der Produktions-IT gesellen sich aber auch eine ganze Reihe neuer Software-Systeme in der Smart Factory dazu:

  • Cloud Systeme – Software-Infrastruktur kommt aus der Ethernet-Dose. Dafür sorgen Cloud-Lösungen – entweder als einfache private Cloud, z.B. mit Hilfe von Microsoft Hyper-V, oder als Public Cloud, z.B. mit Microsoft Azure.
  • Machine Learning und Künstliche Intelligenz – Woha! Wenn man schon Terrabytes an Daten sammelt, dann will man diese auch nutzen. Und dafür bietet Machine Learning und KI auch jede Menge Möglichkeiten: Regressionsanalysen und Klassifizierung, Anomalie-Detektion, Korrelationsanalysen oder maschinelles Sehen – um nur einige zu nennen.
  • Industrial Internet of Things – Wenn alles mit allem vernetzt wird, spricht man vom Internet of Things. Vernetzt heißt, dass Geräte, insbesondere Maschinen, permanent Daten über ihre Aktivitäten und Zustände übermitteln und auf der anderen Seite auch Daten empfangen, um diese zu steuern. Voraussetzung dafür sind moderne Schnittstellen, wie OPC-UA, MTConnect oder REST-Schnittstellen. Und falls nicht, ist das auch nicht weiter schlimm. Denn für Altanlagen, gibt’s sogenannte IoT-Gateways als Brückentechnologie.
  • Big Data – Daten, Daten, Daten und nochmals Daten. Und das zahlreich, hochfrequent und in vielen Variationen.
  • Moderne Datenbanken – In der Smart Factory wird Daten- und Informationsmanagement zur Königsdisziplin. Da kommt die liebevoll zusammengestrickte MySQL-Datenbank schnell an ihre Grenzen. Folgerichtig werden in der Produktions-IT andere Geschütze aufgefahren: SAP HANA, Microsoft SQL Server oder Oracle Datenbanken bilden das Gedächtnis der Smart Factory. Aber auch Spezialdatenbanken, wie MongoDB oder InfluxDB, für Zeitreihen erfreuen sich immer größerer Beliebtheit, z.B. in der Betriebsdatenerfassung.

Man braucht also nicht auf die digitale Erleuchtung warten, sondern kann schon jetzt mit der Umsetzung der Smart Factory als – wenn auch etwas blumiges – Leitbild loslegen. Denn dafür stehen, wie Sie eben gelesen haben, eine ganze Reihe an Werkzeugen in der modernen Produktions-IT zur Verfügung. Und falls Sie das eher umhaut, statt weiterhilft, gibt es ja auch noch den guten alten Telefonhörer, mit dem Sie die PI Informatik anrufen können.

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