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Die vier Stufen zur Smart Factory

01  Vier-Stufen-Modell: Schritt für Schritt zur „Smart Factory“. Anforderungen an das Unternehmen (die Fabrik) werden in Stufen gruppiert und durch definierte Funktionen (rechts) unterstützt

01  Vier-Stufen-Modell: Schritt für Schritt zur „Smart Factory“. Anforderungen an das Unternehmen (die Fabrik) werden in Stufen gruppiert und durch definierte Funktionen (rechts) unterstützt

02  Ressourcenübergreifende MES-Anwendungen zum Erreichen der unterschiedlichen Stufen der „Smart Factory“

02  Ressourcenübergreifende MES-Anwendungen zum Erreichen der unterschiedlichen Stufen der „Smart Factory“

03   Intuitive Oberfläche im Hydra-Shopfloor-Client zur Darstellung erfasster Maschinen- und Betriebsdaten

03   Intuitive Oberfläche im Hydra-Shopfloor-Client zur Darstellung erfasster Maschinen- und Betriebsdaten

Mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit der eigenen Fertigung müssen Unternehmen sehr genau abwägen, welche Methoden und Technologien der Industrie 4.0 ­geeignet sind, um die gewünschten Ziele zu erreichen. Diesbezüglich schlägt MPDV ein einfaches Vier-Stufen-Modell zum Erreichen der „Smart Factory“ vor.

Fertigungsunternehmen stehen heute vor vielseitigen Herausforderungen: Einerseits ist der globale Wettbewerbsdruck konstant hoch oder nimmt sogar zu. Andererseits stellen sowohl Kunden als auch Gesetzgeber immer höhere Anforderungen – z. B. hinsichtlich Rückverfolgbarkeit, Qualität, Termintreue oder aufwendiger Logistikkonzepte wie Just-in-Time und Just-in-Sequence (JIT/JIS). Hinzu kommt die wachsende Komplexität in der Fertigung, die sich aus einer höheren Variantenvielfalt bzw. zunehmender Individualisierung von Produkten und immer kürzeren ­Lebenszyklen ergibt.
Da viele Anforderungen zumindest in Teilen aufeinander aufbauen, macht es Sinn, diese, wie bei dem Vier-Stufen-Modell von MPDV zu gruppieren und mit Funktionen zu hinterlegen (Bild 1). Dabei kann man beispielsweise ­Stufe 2 nur erreichen, wenn man vorher Stufe 1 erfolgreich etabliert hat – oder konkret: Ist die Fabrik nicht transparent, kann sie nicht reaktionsfähig werden.
Erwartungsgemäß stehen fast alle der notwenigen Funktionen in Verbindung zu fertigungsnahen IT-Systemen. Bei genauerer Betrachtung wird deutlich, dass ein integriertes Manufacturing Execution System (MES) das ideale Tool zur Erreichung aller Stufen des Modells ist – in vielen Fällen ist es sogar eine unabdingbare Basis. Welche MES-Funktionen notwendig sind, um die einzelnen Stufen der Smart Factory zu erreichen, zeigt Bild 2.

Transparenz schaffen
Eine solide Datenbasis und somit Transparenz bildet auch in der Smart Factory die Grundlage für alle weiteren Funktionen. Viele Unternehmen wissen jedoch noch zu wenig über ihre Produktionsabläufe, obwohl die dafür benötigten Technologien und Methoden schon seit Jahren verfügbar sind. Daher zeigen oft schon minimale Erweiterungen der konsequenten Datenerfassung breite Optimierungsmöglichkeiten auf.
Ein Grund dafür, dass viele Unternehmen davor zurückschrecken, flächendeckend Daten im Shopfloor zu erfassen, ist die beispiellose Heterogenität der Maschinenparks. In den Fabrikhallen typischer Unternehmen findet man heute einen wahren „Zoo“ aus modernen, älteren und sehr alten Maschinen. Um den Aufwand für die Anbindung von Maschinen und Anlagen signifikant zu reduzieren, stellt MPDV zur Hannover Messe 2016 eine intuitiv zu bedienende Shopfloor Connectivity Suite vor. Damit wird an zentraler Stelle festgelegt, für welchen Zweck Daten erfasst werden sollen (Auswahl der MES-Anwendung) und wie die Datenquelle anzusprechen ist (Auswahl der Schnittstelle und Zuweisung von Dateninhalten). Was früher durch aufwendige Konfiguration und meist sogar Programmierung definiert werden musste, erledigt die Shopfloor Connectivity Suite nun mit wenigen Klicks in deutlich weniger Zeit.

Erfasste Daten nutzen
Letztendlich werden Daten aber nicht um ihrer selbst willen erfasst – sie dienen einem höheren Zweck: der Transparenz. Im ersten Schritt bildet die Gesamtheit aller erfassten Daten zusammen mit im Voraus bekannten Zusammenhängen ein mehr oder weniger exaktes, digitales Abbild der Realität. Hierbei ist zu bedenken, wer das digitale Abbild nutzen soll: ein IT-System oder der Mensch. Beide Zielgruppen brauchen dieses Abbild mit verschiedenen Granularitäten: IT-Systeme profitieren von möglichst umfangreichen und detaillierten Daten – der Mensch hingegen bevorzugt weniger, dafür aussagekräftige Kennzahlen und Auswertungen. Beiden Anforderungen muss mit der Datenerfassung und -verarbeitung Rechnung getragen werden.

Unterstützende MES-Funktionen
Zu den wichtigsten Funktionen, die zu mehr Transparenz in der Produktion führen, zählen die MES-Anwendungen Betriebs- und Maschinendaten. Hierbei geht es einerseits um eine effiziente Nutzung des Maschinenparks und andererseits darum, die automatisch übernommenen Maschinendaten mit den manuell erfassten Auftragsmeldungen zusammenzuführen (Bild 3). Es darf aber auch die Erfassung von Werkzeug- und Materialdaten nicht vernachlässigt werden. Dadurch können Zusammenhänge erkannt und in Optimierungsprozesse übergeben werden. Auch die Nachkalkulation von Fertigungsaufträgen wird durch diese Vorgehensweise mit verlässlichen Daten unterstützt. Aufgrund der Masse an erfassten Daten erfüllt ein MES außerdem die Aufgabe der Datenverdichtung und Aggregation, da überlagerte ERP-Systeme meist wenig mit den filigranen Rohdaten aus dem Shopfloor anfangen können. In seiner Funktion als zentrale Informations- und Datendrehscheibe verbindet ein MES so die betriebswirtschaftlich ausgerichtete Ebene (ERP) mit dem Shopfloor und sorgt so für mehr Transparenz.

Reaktionsfähigkeit sichern
Auf Basis der in Stufe 1 gewonnenen Daten können nun sowohl Störfaktoren identifiziert als auch eine realitätsnahe Feinplanung eingeführt werden. Je konkreter und umfassender die Planung ist, desto mehr geht diese in eine echtzeit- und reaktionsfähige Fertigungssteuerung über. Hierbei sind neben den Maschinen eine Vielzahl anderer Ressourcen zu berücksichtigen – nicht zuletzt der Mensch als wohl wichtigste. Ein MES ist für diese Planungs- und Steuerungsaufgabe ein geeignetes und mächtiges Werkzeug.
Aufgaben verteilen und abgeben
Die in Stufe 2 stabilisierten Prozesse können nun durch die Definition von Regelkreisen weiter verselbstständigt werden. Auch eine Dezentralisierung von Aufgaben inkl. der entsprechenden Verantwortungen ist möglich. Allerdings ist dabei eine zentrale Synchronisierung von essenzieller Bedeutung. Ziel dieser Maßnahmen ist die selbstregelnde Fabrik.

Funktionale Vernetzung
Mit Blick auf immer kürzere Produktlebenszyklen und die steigende Produktindividualisierung wird die funktionale Vernetzung von ehemals getrennten Bereichen immer wichtiger. Insbesondere der Datenaustausch zwischen Fertigung und Produktentwicklung gewinnt an Bedeutung. An der Schnittstelle zwischen Produktentwicklung und Fertigung steht meist ein Product Lifecycle Management System (PLM), welches künftig direkt mit dem MES kommunizieren muss. Weitere Themenfelder für die funktionale Vernetzung sind die integrierte Qualitätssicherung, ein fertigungsnahes Energiemanagement sowie die Erweiterung des Betrachtungsraums auf Lieferanten und den Kunden – also auf die komplette Supply Chain.

Handlungsempfehlung: Klarheit schaffen
Nun könnte man fragen, was denn konkret zu tun ist – und vor allem, ob es sinnvoll ist, bereits jetzt etwas zu tun, wo Industrie 4.0 allgemein noch so unklar und diffus ist. Mit Anwendung des vorgestellten Vier-Stufen-Modells schaffen Unternehmen Klarheit. Um die einzelnen Stufen Schritt für Schritt zu erklimmen, empfehlen die MES-Experten von MPDV Folgendes:

  • Investition in ein integriertes Manufacturing Execution Systems (MES) und sukzessive Eliminierung von IT-Insellösungen.
  • Verschlanken der Prozesse im Sinne von Lean Management und Lean Production.
  • Einbeziehung aller Mitarbeiter, sodass alle an einem Strang ziehen.
  • Erst die Aufgaben bzw. Anwendung der IT und danach die IT-Infrastruktur definieren.
  • Bei Investitionen in Maschinen, Anlagen und Sensoren auf deren Kommunikationsfähigkeit achten.
  • Anerkannte Industriestandards (z. B. VDI 5600, VDMA 66412) beachten und im Sinne der weiteren Standardisierung Druck auf die Lieferanten ausüben.
  • Forschungsaktivitäten, Fachverbände und die Plattform Industrie 4.0 im Auge behalten, um frühzeitig erkennen zu können, welche neuen Technologien und Trends es auf dem Markt gibt.
  • Global denken, aber im überschaubaren Rahmen beginnen. (no)

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Kletti ist Geschäftsführer bei der MPDV Mikrolab GmbH in Mosbach. info@mpdv.com

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Kletti ist Geschäftsführer bei der MPDV Mikrolab GmbH in Mosbach. info@mpdv.com