Die Zukunftsvision in der Produktion – Smart Factories

Der Begriff Smart Factories kommt aus der Industrie und ist eine interne Vernetzung mit Kontakt zu mehreren Smarten Fabriken, auch intelligente Fabrik oder Smart Factory Industrie 4.0 genannt. Ziel ist es einen automatischen DatenaustauschInnerhalb einer Fabrik und auch zwischen den einzelnen Fabriken sicherzustellen. Die Digitalisierung kann das ermöglichen.

Doch wofür brauchen wir das neumodische Zeug überhaupt?

Betrachten wir ein Unternehmen, das in Just in Sequence (Lieferung in der richtigen Reihenfolge) seine Produktion organisiert hat und damit eine Optimierung seiner Produktion einschließlich der Lieferketten sicherstellen möchte. Ein gutes Smart Factory Beispiel ist hier zum Beispiel Airbus, die unterschiedliche Flugzeugteile in verschiedenen Produktionsstätten in Europa fertigen. Ist der Ablauf wie heute häufig üblich aufgebaut, so kocht jedes beteiligte Unternehmen oder Unternehmensteil sein eigenes Süppchen. Jeder weiß zwar, was er wann zu liefern hat, aber wehe es tritt bei einem Teil der Lieferketten Probleme auf. Dann ist der ganze Ablauf in Gefahr.

Alles durch einen manuellen Eingriff zu steuern, ist sehr sehr aufwendig, bis nahezu unmöglich und eine effektive Kontrolle so zu behalten richtig teuer. Deshalb wird meistens ein Sicherheitsbestand vorgehalten, damit solche Probleme ausgeglichen werden können. Das kostet ebefalls viel Geld und etwaige Änderungen an Produktionsteilen kommen nicht mehr zum Tragen.

Doch sind die Fabriken vernetzt, so ist zu jeder Zeit von allen die Information über bestehende Probleme verfügbar. Dann kann eine Software, die mit einer  künstlichen Intelligenz arbeitet (KI) den Ablauf komplett umplanen. Und so Produktionsausfälle vermeiden. Es wird nicht mehr lange dauern und in vielen Fabriken werden smarte Technologien einziehen. Wo dann KI-Lösungen einer effizienten Nutzung der Fertigungstechnik und große Unterstützung bei der Kontrolle der Produktionsmaschinen bietet.

Viele sehen mit dem Begriff Smart Factory einfach eine Fabrik die mithilfe von Automatisierung eine effizientere Produktion betrieben werden kann. Aber es ist noch viel viel mehr.

Smartfactory ist eine intelligente Fabrik, bei der neuste Technologien dafür sorgen, dass in Bezug auf Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit eine neue Ebene erreicht wird. Dort kommen neuste und fortschrittlichste Technologien wie IoT (Internet of Things oder Deutsch: Internet der Dinge), KI also künstliche Intelligenz, sowie Big Data Analytics zum Einsatz.

Um die Big Data Analytics ausführen zu können, werden Daten aus der Vergangenheit benötigt und das, von der letzten Sekunde bis zu letzten Jahren. Diese werden in einer Datenbank abgespeichert. Dazu gehören Sensordaten der Maschinen und Geräte, erledigte Arbeitsschritte, verbrauchte Materialien. Aus diesen Daten kann die KI erkennen, wie weit ein Produkt bereits produziert ist und der Zustand der Produktionsanlagen ist. Aus den Stammdaten vom  ERP System ist es der KI auch bekannt, was noch fehlt, bis das Produkt fertig produziert ist. 

Bei der Smart Factory werden die unterschiedlichsten Prozesse und Systeme aus der Produktentwicklung, Fertigung, Lagerung, Logistik, also den kompletten Lieferketten integriert, um so eine unterbrechungslose und effiziente Produktion sicherzustellen. Das kann eventuell sogar bis zurück zum Rohstoff, und dem Einsatz beim Kunden gehen.

Was macht die Fabrik der Zukunft so besonders?

Die Effizienz dieser Fabriken ist um Längen besser, als unsere bisherigen Produktionsstätten, die meistens manuell gesteuert werden. Nicht nur die Arbeitsstation, Maschinen und Handarbeitsplätze, in der unmittelbaren Umgebung sind im Fokus, sondern weit darüber hinaus. Die Vernetzung aller Bereiche der Produktion wird erfolgen müssen, um ein ganzheitliches Bild der Produktionsumgebung zu bekommen. So wird der ganze Prozess vom Rohmaterial bis zum Einsatz beim Kunden transparent und damit steuerbar. Woraus eine große Flexibilität erreicht wird. Damit das reibungslos funktionieren kann, benötigt man Daten, Daten und nochmals Daten. Doch wie bekommt man diese Daten? 

Es werden Maschinen durch eine intelligente Vernetzung in ein Netzwerk eingebunden. Und alle Sensordaten in eine Datenbank geschrieben. Smart Factories nutzen für diese fast immer eine Cloud, damit von vielen Stellen darauf zugegriffen werden kann. Und das weltweit. Um die Datenbank mit Daten füttern zu können, müssen die Sensordaten oder Zustandsmeldungen der Maschinen übersetzt werden. Diese Aufbereitung kann bei neueren Maschinen bereits in der eingebauten Steuerung erfolgen oder es wird ein Gateway dazu genutzt. Mithilfe der vorhanden Daten können nun KI Algorithmen wertvolle Dienste leisten. Diese arbeiten in Softwareprogrammen, die zum Beispiel für eine vorausschauende Instandhaltung eingesetzt werden oder in einem MES (Manufacturing Execution System) um eine Optimierung der Produktion zu ermöglichen. Eine weitere Anwendung ist die AR (Augmented Reality). Dabei wird das natürliche Arbeitsumfeld durch digitale Einblendungen erweitert, und so einer virtuellen Realität geschaffen. Typische Einsatzmöglichkeit ist die Unterstützung eines Mitarbeiters der Instandhaltung durch einen Techniker des Herstellers der Produktionsmaschine.

Passen Menschen und Smarte Fabrik zusammen? Werden die Menschen entbehrlich sein?

Oh nein ganz im Gegenteil. Die Mitarbeiter werden von Routinearbeiten entlastet und können so ihre ganze Kreativität und Fähigkeit zur Verbesserung der betrieblichen Produktionsabläufe voll einbringen. Es entsteht der Aufbau eines großen Erfahrungsschatzes, der nicht nur einem Mitarbeiter zur Verfügung steht, sondern allen, die diesen für ihre tagtäglichen Aufgaben benötigen Es gibt also keinen Grund für übertriebene Sorgen um Arbeitsplätze in der Industrie. Klar werden Arbeitsplätze verloren gehen, aber dies wird weniger an der intelligenten Fabrik liegen, sondern eher daran, dass vieles mehr automatisiert wird.

Es wird in der intelligenten Fabrik, der Smartfactory, Softwareprogramme einbezogen, die mit KI Algorithmen arbeiten.

Es werden die Daten von Abläufen analysiert und Muster zu Informationen aufbereitet, die eine große Transparenz ermöglichen. Dadurch erhalten nicht nur die Mitarbeiter in der Produktionsumgebung umfangreiche Informationen, sondern das ganze Unternehmen. Smart factory Definition bedeutet also einen ganzheitlichen Überblick über alle Fabriken, Produktionsabläufe und eingebundenen Systeme.

Damit diese Softwarelösungen arbeiten können ist eine intelligente Vernetzung von Maschinen und Arbeitsplätzen zwingend erforderlich. Eine eiterer, wirklich wichtiger Punkt ist die Software ist für die Instandhaltung. Das Predictive Maintenance Konzept macht dabei aus der vorbeugenden Instandhaltung, eine smarte  vorausschauende Instandhaltung. Dazu werden die Sensordaten aktuell in einer Datenbank mitgeschrieben. Die Software benötigt Referenzabläufe: Also wenn mit einer einwandfreien Qualität produziert wird, dann ist erkennt die Software automatisch Muster, wie die Daten sein müssen, um eine optimale Qualität zu fertigen. Dann muss nicht abgewartet werden, bis eine Maschine ausfällt oder schlechte Qualität produziert, sondern anhand der schleichenden Veränderung wird bereits im Vorfeld erkanntvon der KI erkannt, dass es einen Handlungsbedarf gibt.

Auch eine  MES (Manufacturing Execution System) gehört als wichtiges Werkzeug dazu. Aus dem ERP kennt es bereits benötigte Aufträge, Material und Arbeitsstationen um ein Produkt zu fertigen. Ständig macht es eine fortlaufende Fertigungsplanung, die eine optimale Kapazitätsausnutzung und eine schnelle Anpassung an den tatsächlichen Bedarf sicherstellt. Wenn man möchte kann es auch dem System überlassen werden, diese automatisch umzusetzen. Wie ein guter Schachspieler, der ganz viele Züge im Voraus durchspielt, um dann den besten Zug oder in unserem Fall, richtigen Ablauf zu gewährleisten.

Der digitale Fertigungsassistent ist eine weitere Softwarelösung in der Smarte Fabrik. Die Kundenwünsche werden immer individueller. So wollen sie keine Massenware, die mithilfe von Automatisierung in großen Mengen gefertigt werden, sondern ein auf sie abgestimmtes Produkt. Ohne dafür einen hohen Aufpreis entrichten zu müssen. Eine Mammutaufgabe. Doch der digitale Fertigungsassistent kann hier große Hilfe leisten. Er leitet an, welche Teile eingebaut werden müssen, und überwacht das auch und unterstützt die Einarbeitung von neuen Mitarbeitern.

Digitaler Zwilling in der Produktion? Wofür soll denn das gut sein?

Der digitale Zwilling hilft, mithilfe von Simulationen den eigentlichen Produktionsprozess zu optimieren, ohne dass dafür die Produktion beeinträchtigt wird. So können Einstellungen durchgespielt werden, die ein optimales Ergebnis garantieren und erst wenn alles funktioniert, werden diese Einstellungen in die aktuelle Produktion überführt und man beobachtet, ob das Ergebnis wirklich der Simulation entspricht. Bekanntestes Beispiel sind Crashuntersuchungen der Automobilhersteller. Dabei wird das Fahrzeug als digitales Modell an einem Hindernis gecrasht und die auftretenden Kräfte werden als Verformung aam Computer sichtbar gemacht. So kann man Stück für Stück die Karosserie optimieren und wenn alles so passt, dann kann werden Crash Tests an echten Modellen durchgeführt und die Richtigkeit der digitalen Prüfmethoden überprüft. Das spart jede Menge Zeit und vor allem viel Geld, denn früher hat man viele echte und teure Modelle bauen müssen um die Sichereit zu gewährleisten. Auch wird transparent, wo sich zu welchem Zeitpunkt eine Verformung aufbaut und wie stark sie ist. Es wird also eine virtuelle Realität geschaffen. Heute kann man durch den Einsatz eines digitalen Zwillings auch eine komplette Produktion einrichten und so vor dem Start der Produktion alle Abläufe proben und optimieren. Auch nach dem Start der echten Produktion ist der digitale Zwilling die sogenannte Testumgebung für Anpassungen der Produktionsabläufe.

Bereits heute ist in der Industrie ein ERP, wie zum Beispiel SAP, Oracle, Infor oder Vario Software ein schon lange genutztes Werkzeug. Dort sind die wichtigsten Daten gespeichert um die Produktion von Produkten zu ermöglichen. Diese werden auch zukünftig eingesetzt werden. Wobei SAP meist bei großen Unternehmen im Einsatz ist, während zum Beispiel Vario für Einsteiger sehr gut geeignet ist. Denn dort sind die Stammdaten der Kunden hinterlegt Einschließlich der aktuellen Aufträge sowie Rechnungen egal, ob offen oder beglichen. Die Stammdaten der Produkte wie die Bezeichnung und Artikelnummer. Der dafür benötigte Materialbedarf und die erforderlichen Bearbeitungsschritte in den Arbeitsplänen und Prüfplänen. Das ERP hat aber einen Nachteil, es ist statisch, dies bedeutet, dass bestehende Fertigungsaufträge nur manuell umgeplant werden können. In der intelligenten Fabrik wird dieses zukünftig von einem MES System übernommen.

Eine Smart Factory wird die Nachhaltigkeit deutlich verbessern, denn die Produktionsumgebung wird viel effizienter genutzt werden. Auch wird bei der zukünftigen Entwicklung von Produkten im größeren Maßstab die Erfahrungen vom Markt besser einbezogen werden und damit die Wünsche der Kunden viel stärker mit berücksichtigt. Energie wird so genutzt, dass Verluste höchstmöglich vermieden werden. Zum Beispiel dadurch, dass Wärmequellen wie Öfen nur dann auf volle Betriebstemperatur gebracht werden, wenn sie auch wirklich benötigt wird. Dazu ist eine BI (Business Intelligent) erforderlich. Sie kennt die ganzen Abläufe und steuert die Produktionsanlagen so, dass alle Prozessschritte ineinander greifen.

Gerade für Maschinen Hersteller wird der Smart Service ein wichtiger Geschäftsbereich. Bisher musste erst ein Techniker eingeplant werden, wenn bei einem Kunden eine Maschine ausgefallen ist. Dann musste auch noch angereist werden, um festzustellen, dass das benötigte Ersatzteil nicht mit dabei war. Die Folgen?

Die Maschine stand mehrere Tage und die Reparatur verursachte hohe Kosten, durch den Verlust ihrer Kapazität. Und in der Zukunft?

Ein Mitarbeiter der Instandhaltung meldet sich beim Service des Herstellers. Dieser baut eine digitale Verbindung mit der Maschine auf und einer halbdurchsichtigen Datenbrille auf um eine VU-Virtual Reality Untersuchung zu ermöglichen. Er leitet dann den Mitarbeiter vor Ort an, welche Schritte er unternehmen soll. Kurze Zeit später wird die Ursache gefunden und das erforderliche Ersatzteil per Kurier auf den Weg gebracht. Wenig später schon kann über eine erneute Fernwartung der Techniker und der Mitarbeiter vor Ort das Maschinenteil wechseln eventuell erforderlichen Einstellungen gemacht werden. Schon wenige Stunden später steht die Maschine wieder zur Verfügung und verdient bereits wieder Geld für das Unternehmen. Das ist ein sehr gutes Smart Factory Beispiel, wo unter Mithilfe der virtuellen Realität schnell ein Problem gelöst werden kann. Auch werden die Probleme mit dem Fachkräftemangel reduziert, da unnötiger Zeitverlust vermieden wird.

In großen Unternehmen, wie zum Beispiel Bosch, Continental, Siemens oder VW und andere Automobilherstellerist die vernetzte Fabrik, also die intelligente Fabrik (Smart Factory) schon sehr weit fortgeschritten.

Kleine und mittlere Unternehmen in Deutschland zögern noch etwas, denn mit üblichen Berechnungen lässt sich ein objektiver ROI (Return of Investment) nicht bestimmen. Viele von Ihnen sehen in der Industrie 4.0 nur eine Automatisierung, die für ihr Unternehmen nicht von großer Bedeutung ist. Denn bereits Heute ist für sie die Produktion von Produkten Alltag.