Smart Factory

Bereits im April 2013 war im Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0, herausgegeben von Acatech (Deutsche Akademie der Technikwissenschaften) und der Forschungsunion, zu lesen:

„Deutschland ist einer der konkurrenzfähigsten Industriestandorte und gleichzeitig führender Fabrikausrüster weltweit. Das liegt nicht zuletzt an der Spezialisierung auf die Erforschung, Entwicklung und Fertigung innovativer Produktionstechnologien und der Fähigkeit, komplexe industrielle Prozesse zu steuern.

Mit seinem starken Maschinen- und Anlagenbau, seiner in ihrer Konzentration weltweit beachtlichen IT-Kompetenz und dem Know-how bei eingebetteten Systemen und in der Automatisierungstechnik verfügt Deutschland über beste Voraussetzungen, um seine Führungsposition in der Produktionstechnik auszubauen.

Wie kein anderes Land ist Deutschland befähigt, die Potenziale einer neuen Form der Industrialisierung zu erschließen: Industrie 4.0.“

Dem ist nichts hinzuzufügen. Es hat sich an der optimistischen Sichtweise kaum etwas verändert – sehr wohl aber die Technologie.

Von CIM zu Smart Factory

Die Industrie-4.0-Kompetenz ist nicht über Nacht gewachsen, seit mehr als 25 Jahren beschäftigen sich Industrie- und IT-Lieferanten mit dem Thema Computer Inte­grated Manufacturing.

Naturgemäß waren die Anfänge von Siemens, Bosch und SAP sehr visionär und scheiterten nur allzu oft an der verfügbaren Technik. Namen, Bezeichnungen und Technik haben sich geändert und weiterentwickelt.

Heute spricht man von Manufacturing Execution System (MES), Industrie 4.0, Smart Factory und IoT (Internet der Dinge).

„Auch in der Vergangenheit bestand schon immer die Anforderung, Prozesse zu automatisieren und technische Objekte zu integrieren“

erklärt Thomas Gard, Vorstandssprecher bei Orbis und zuständig für die Ressorts Vertrieb und Marketing, Investor Relations sowie das Produktgeschäft.

„Jedoch war die Kommunikationstechnik noch nicht so weit. Einen großen Schub gab es durch die Adaption der Internettechnologie. Heute können Anlagen, Maschinen, Devices etc. mit einer IP-Adresse ausgestattet und in die interne und externe Kommunikation integriert werden. Auch Sensor- und RFID-Technologie haben sich weiterentwickelt und sind bezahlbar. “

In den vergangenen Jahren hat sich die Kommunikationsfähigkeit von Maschinen, Software und Systemen deutlich verbessert.

„Somit ist es nun möglich, einen ganzheitlichen Ansatz zu verfolgen“

betont Vorstand Thomas Gard und er weiß, dass in den produzierenden Unternehmen der Anspruch wächst, Daten in „Echtzeit“ auszuwerten, zu verarbeiten und in Prozesse einzubinden, um bisher ungenutzte Potenziale auszuschöpfen.

Die Anforderungen reichen heute weit über die technische Anbindung der Produktion hinaus. Auch die Integration der angrenzenden Bereiche wie Logistik, Qualität, Personal, Instandhaltung und Fertigungshilfsmittel steht im Fokus.

„Der zielgerichteten Visualisierung und Auswertung der Informationen, beispielsweise über rollenbasierte Dashboards, kommt dabei eine entscheidende Bedeutung zu. Informationen werden proaktiv gepusht“

kann Thomas Gard aus seiner beruflichen Praxis berichten.

Produktions- und Prozessdaten aus der Fertigung werden in „Echtzeit“ auf webbasierten, intuitiven Oberflächen übersichtlich visualisiert. Sie können vom Endanwender gemäß seiner Rolle und Berechtigung jederzeit und überall auf gängigen Endgeräten abgerufen werden.

„Die wichtigen Informationen werden zur richtigen Zeit an die richtigen Personen geliefert“

nennt Gard einen wichtigen Aspekt.

„Management und Mitarbeiter sind jederzeit über die Ist-Situation informiert und können umgehend auf Ereignisse wie z. B. Maschinenstillstände oder Materialengpässe, reagieren. Die Fabrik mit allen Prozessen wird transparent.“

Visionen, Ziele, Realität

„Das Ziel der Smart Factory ist eine durchgehende Vernetzung und Automatisierung von Produktionsprozessen und den daran beteiligten Akteuren wie Menschen, Maschinen, Sensoren, Aktoren, Systemen etc. Dies erstreckt sich über alle Ebenen der Automatisierungspyramide vom ERP-System bis hin zur Steuerungsebene – in ‚Echtzeit‘ und bidirektional“

definiert Thomas Gard, und das Ergebnis ist eine autonom arbeitende hochverfügbare digitale Fabrik, in der im Regelfall ein Eingreifen nur noch im Ausnahmefall oder im Störfall erforderlich ist – und das wirtschaftlich von der Serienproduktion bis hin zu einer kundenindividuellen Produktion in Losgröße 1.

„Das ist heute keine Vision mehr, sondern Realität mit SAP ERP und der Orbis-Digitalisierungssuite“

erklärt Gard.

Diese beinhaltet die Basistechnologie Orbis Multi-Process Suite (MPS), Orbis Manufacturing Execution System (MES) sowie Orbis Intralogistik. Dies zeigt das aktuelle Projekt des führenden Schaltschrank- und Systemanbieters Rittal, siehe Seite 47.

Bei Rittal entsteht bis 2018 am Standort Haiger das weltweit modernste Produktionswerk für Kompaktgehäuse mit einer hochautomatisierten digitalisierten Fertigung, das den Prinzipien der Industrie 4.0 entspricht.

Rittal setzt dabei im Wesentlichen auf die Lösungen von Orbis und SAP und das in einem 24/7-Betrieb.

„Grundsätzlich richtet sich unser Angebot an Kunden, die SAP einsetzen oder künftig nutzen möchten. Dies betrifft sowohl die SAP-Business-Suite als auch S/4“

ergänzt MES-Teamleiter Frank Wilhelm von Orbis.

„Wir bieten mit unseren Lösungen die Möglichkeit, Smart-Factory-Projekte schrittweise oder komplett umzusetzen. Dabei beschränken wir uns nicht auf bestimmte Branchen oder Fertigungsmethoden.“

Der Großteil der Unternehmen hat heute bereits technologische Komponenten im Einsatz, die als Basis für eine Smart Factory genutzt werden können. Zum Beispiel sind Maschinen oft mit der notwendigen Sensorik und Kommunikationstechnologie ausgestattet.

„Oftmals fehlt aber die logische und technische Integration dieser Komponenten in die Geschäftsprozesse“

weiß Wilhelm aus zahlreichen Kundenprojekten.

Orbis schließt diese Lücke mit der Multi-Process Suite (MPS) und ermöglicht so durchgängige, transparente Prozesse. Erreicht wird dies, indem Prozessbrüche oder „händische“ Erfassungen durch einen schnellen, automatisierten Informationsaustausch ersetzt werden.

Maschinen und Geräte werden bidirektional in die SAP-Prozesse eingebunden. Damit werden aus den bisherigen transaktionellen, schrittweisen Prozessbearbeitungen durchgängige, integrierte Prozessketten.

Orbis MPS bildet somit die Grundlage für Mensch-Maschinen-Prozesse und Maschine-Maschinen-Prozesse und ist die Basistechnologie von Orbis Manufacturing Execution System und Orbis Intralogistik.

Diese Lösungen sind zu 100 Prozent in die SAP-ERP-Prozesse integriert und nutzen die vorhandenen Stamm- und Bewegungsdaten des ERP-Systems.

„Digitalisierungsprojekte lassen sich so schnell und einfach in einer bestehenden SAP-Umgebung umsetzen“

ist Frank Wilhelm auf das Erreichte stolz.

Die SAP-Integration von Orbis MES ist mit dem Gütesiegel „Powered by the SAP- NetWeaver-Technologie-Plattform“ zertifiziert. Die Lösung ist die Basis für eine nahtlose Verknüpfung und Synchronisierung von Daten und Kennzahlen aus dem Shop-Floor mit den SAP-Prozessen und einer digital vernetzten Wertschöpfungskette.

Orbis MES ist komplett mit SAP-Technologie realisiert (NetWeaver sowie Abap) und kann flexibel auf kundenspezifische Prozesse eingestellt werden (Customizing). Das notwendige Know-how zur Administration und Weiterentwicklung ist meist im Unternehmen vorhanden.

Oft ist es somit nicht notwendig, weiteres Know-how und weitere Personalkapazitäten für Weiterentwicklungen, Administration von Schnittstellen oder Systembetreuung für den Betrieb aufzubauen, erklärt Wilhelm im E-3 Gespräch.

Smart-Factory-Zukunft

Viele Unternehmen zögern mit dem Aufbruch in die Industrie 4.0, weil ihnen ein handfester Leitfaden fehlt. Acatech, Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, stellte deshalb am 25. April dieses Jahres auf der Hannover Messe den „Indus­trie-4.0-Maturity-Index“ vor.

Entlang eines sechsstufigen Reifegradmodells bildet er eine Richtschnur für Unternehmen, die ihre individuelle Roadmap entwickeln möchten. Ein neu gegründetes Industrie-4.0-Maturity-Center unterstützt Unternehmen bei der Anwendung des Indexes.

Anhand dieses Modells können Unternehmen ihren Status quo analysieren und ihre Industrie-4.0-Strategie ableiten. Der „Industrie-4.0-Maturity-Index“ entstand in einem interdisziplinären Konsortium aus Forschungseinrichtungen und Unternehmen unter dem Dach von Acatech.

„Es herrscht Aufbruchstimmung. Das Zielbild der Industrie 4.0 wird von vielen geteilt und international sehr nachgefragt.

Unternehmen suchen nun ihre individuelle Umsetzungsstrategie. Unser Industrie-4.0-Maturity-Index gibt ihnen dafür neutrale, frei verfügbare Analyseinstrumente an die Hand. Mit dem Industrie-4.0-Maturity-Center entsteht eine Anlaufstelle für alle, die diesen Leitfaden nutzen wollen“

sagte Acatech-Präsident und Ex-SAP-CEO Henning Kagermann in Hannover.

Der Industrie-4.0-Maturity-Index betrachtet Unternehmen aus technologischer, organisatorischer und kultureller Perspektive. Sechs Entwicklungsstufen zeigen, wie Daten im Unternehmen gewonnen, analysiert und nutzbar gemacht werden können.

Das Vorgehen berücksichtigt die Mehrdimensionalität der Industrie 4.0 im Zusammenspiel von Informationssystemen, Ressourcen, Unternehmensorganisation und Unternehmenskultur.

Die Acatech-Studie ist sowohl in Deutsch als auch in Englisch kostenfrei erhältlich.

„Die Fabrik der Zukunft arbeitet autark“

weiß Orbis-Vorstand Thomas Gard.

Die Prozesse der Wertschöpfungskette sind über abgestimmte Regelwerke voll integriert. Mithilfe von Regelschleifen erfolgt eine weitestgehend autonome eventgesteuerte Produktion. Das heißt, Eingriffe von außen werden nur noch in Ausnahme- und bei Störfällen notwendig.

Die Intelligenz liegt dabei in der Definition und Erkennung dieser Ausnahmefälle und der Ableitung automatisierter Folgeaktivitäten. Alleine eine Vernetzung bzw. Integration der Akteure ist noch keine Smart Factory.

Deshalb betont Thomas Gard:

„Erst die Definition der Prozesse und autarker Automatismen ermöglicht den Prozessablauf in selbststeuernden Regelkreisen.“

Smart Factory ist differenziert vom Thema IoT und Sensordaten zu betrachten. Thomas Gard erklärt, dass der Kern einer Smart Factory die durchgängige Automatisierung und Vernetzung aller Prozesse und der daran beteiligten Akteure in „Echtzeit“ ist.  Dies erfolgt mit definierten prozessrelevanten Daten.

„Unsere Erfahrung zeigt, dass es möglich ist, ein Smart-Factory-Projekt aufzusetzen, ohne zuvor eine ganzheitliche IoT-Strategie zu definieren“

beschreibt Vorstand Gard die Optionen.

„IoT kann ein Weg sein, um Grenzen zwischen den Partnern der Wertschöpfungskette aufzulösen. So können neue Geschäftsmodelle entstehen, die bisher nicht möglich waren.

Lieferketten können optimiert und die Lieferanten zeitnah und transparenter in die Bedarfsplanung eingebunden werden. Ein weiteres Beispiel ist die Entwicklung neuer Serviceszenarien.

Eine reine Massendatengenerierung im Gigabyte-Bereich ist im ersten Schritt nicht Kern einer Smart Factory, vielmehr sind zwei Aspekte zu unterscheiden.

Zum einen werden in der Smart Factory nur die Informationen in ,Echtzeit‘ verarbeitet, die zur unmittelbaren Steuerung der Prozesse relevant sind.

Zum anderen kann eine Analyse aller anfallenden Daten, z. B. im Sinne von Predictive Analysis und Maschine Learning, erfolgen. So können etwa Algorithmen gefunden werden, die in einem frühen Stadium auf künftige Störungen aufmerksam machen.

Risiken können kontinuierlich minimiert und neue Prozesse implementiert werden.“

Digitale Transformation

„Eine große Schwäche sind häufig die vorhandenen gewachsenen Insellösungen und die damit verbundene schrittweise Bearbeitung von Einzelprozessen“

weiß Orbis-Manager Frank Wilhelm aus vielen Kundenanfragen.

Prozessschritte werden entweder manuell bedient, über Schnittstellen angebunden oder prozessrelevante Daten manuell erfasst. Folgen dieser Prozessbrüche sind Fehleingaben und unnötige Prozessverzögerungen, die sich unter anderem negativ auf Durchlaufzeiten oder die aktuelle Bestandssituation auswirken.

„Mit Orbis MES erfolgt ein schneller automatisierter Datenaustausch zwischen den Akteuren im Shop-Floor und SAP“

erklärt Wilhelm.

„Dadurch werden Schnittstellen auf ein Minimum reduziert. Die Fabrik wird 1:1 in ,Echtzeit‘ in SAP gespiegelt. Dabei stoßen MES-Prozesse die Vorgänge auf Maschinen oder Anlagen an.

Umgekehrt steuern Maschinen und Anlagen aber auch Prozessketten in MES und SAP. Nur so ist eine Automatisierung von Prozessen möglich.“

Frank Wilhelm von Orbis weiß, dass viele Maschinen bereits heute mit moderner Sensorik bzw. Kommunikationstechnologie ausgestattet sind.

„Wir treffen in unseren Projekten aber auch auf ältere Anlagen, die nicht kommunikationsfähig sind“

erklärt er im E-3 Gespräch.

„Hier können durch Nachrüstung z. B. mit Web-IOs und durch elektrische Verkabelung elementare Signale abgegriffen und verarbeitet werden. Moderne Maschinen bieten hier deutlich weitergehende Möglichkeiten.“

Die Grundvoraussetzung ist die Herstellung der Netzwerkkonnektivität der Endgeräte (z. B. SPS, Sensoren, RFID-Reader…). Herstellerspezifische Restriktionen sind hierbei zwingend zu beachten. Dies ist ein Grund mehr zur Festlegung kundenspezifischer Standards.

„Orbis unterstützt out of the box die gängigen Industrieprotokolle. Individualanbindungen sind ebenfalls umsetzbar. Darüber hinaus unterstützt Orbis bei der Einbindung externer Rechnersysteme den strukturierten Objektaustausch über OData“

beschreibt Wilhelm die Ist-Situation.

Im nächsten Schritt erfolgt die fachliche Definition der zu automatisierenden Prozesse sowie die Definition des zugehörigen Datenaustauschs. Hieraus entsteht ein kundenspezifisches Kommunikationsmodell der Smart Factory.

„Das ist der erfolgskritischste Teil des Projektes zur Umsetzung einer Smart Factory“

betont der MES-Teamleiter.

Thomas Gard ergänzt:

„Mit unseren Lösungen entsteht ein virtuelles Abbild des realen Geschehens der Fabrik in SAP ERP in ,Echtzeit‘. Um dies zu erreichen, werden alle an den Prozessen beteiligten Personen und Objekte – Maschinen, Anlagen, Devices, Systeme, Sensoren, RFID, etc. – durchgängig integriert und vernetzt.

Alle Orbis-Lösungen für Industrie 4.0 sind vollständig in SAP integriert.“

Um die Prozessintegration zwischen Shop-Floor und SAP zu ermöglichen, hat Orbis die Multi-Process Suite entwickelt. Sie ist der Enabler für Industrie-4.0-Prozesse mit SAP.

Auf dieser Plattform werden Prozesse vernetzt, Dialoge erstellt und Daten visualisiert. Auch ein modularer Einsatz ist möglich. So kann die gesamte Prozesskette einer Fabrik automatisiert werden oder es werden zunächst nur einzelne Linien oder Arbeitsplätze angebunden.

„Aktuell zeigt sich, dass wir bereits in einer frühen Phase der Planung einer Smart Factory in der Lage sind, das Verhalten von Prozessen zu designen und zu verifizieren“

weiß Vorstand Gard aus zahlreichen erfolgreichen Kundenprojekten.

„Bereits in einem frühen Stadium können so Prozessabläufe und Kommunikationswege simuliert und getestet werden, ohne dass Maschinen und Anlagen bereits physisch installiert sind. Voraussetzung ist eine firmenspezifische Standardisierung der Datenkommunikation.“

Abschließende Frage: Inwieweit verändern Digitalisierungsprojekte die Prozesse und Geschäftsmodelle eines produzierenden Unternehmens?

Thomas Gard:

„Bei Digitalisierungsprojekten in der Fabrik steht die Prozessautomatisierung besonders im Fokus. ERP-Prozesse, Fertigungsprozesse und Intralogistikprozesse werden voll integriert.

Durch aktuelle Informationen über Bestände, den Produktionsfortschritt, aufgetretene Störungen usw. wird die Anlagennutzung verbessert. Kürzere Durchlaufzeiten bewirken eine Bestandsreduzierung.

Durch die Digitalisierung verbessert sich das Verhältnis der Lohnstückkosten. Damit wird die Wettbewerbsfähigkeit erhöht und die Zukunftsfähigkeit abgesichert.“