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Smart Factory - Schritt für Schritt besser produzieren

01.09.2022 8:35 AM

Eine Smart Factory ist das, was die viele produzierende Unternehmen – und insbesondere deren Produktionsleiter – gerne haben möchten: eine intelligente, effiziente und sich in weiten Teilen selbststeuernde Fabrik. In einer Smart Factory ist die Fertigung in durch das ganze Unternehmen laufende End-to-End-Prozesse eingebunden, die dieses hohe Maß an Automatisierung ermöglichen – von der Auftragsannahme bzw. der Beschaffung bis zum Versand. Damit ist klar, dass das Konzept einer smarten Fabrik nicht auf dem Shopfloor begrenzt ist und deshalb auch nicht (alleine) auf Basis eines MES Systems realisiert werden kann.

Smart Factory Teaser

Inhaltsverzeichnis:

  1. Was ist eine Smart Factory
    1.1 Die Vision
    1.2 Smart Factory Definitionen
    1.3 Im Vergleich mit klassischer Automatisierung
    1.4 Wie weit geht die smarte Fabrik?
  2. Die smarte Fabrik in der Praxis
    2.1 In der Automobilindustrie
    2.2 Im Mittelstand
  3. MES vs. ERP-Integration des Shopfloors
  4. Jenseits des Shopfloors
    4.1 Connected Logistics
    4.2 KI in der smarten Fabrik
  5. Fazit

1. Was ist eine Smart Factory?

1.1 Die Vision

Wie bei vielen Buzzwords wird der Begriff dadurch geprägt, was man sich davon verspricht. Deshalb wird von Smart Factory oft im Zusammenhang mit einer Industrie 4.0 Vision. Diese ist in vielen Fällen ähnlich: Ein hoher Automatisierungsgrad in der Fertigung macht menschliches Eingreifen an vielen Stellen redundant. Aber auch vor- und nachgelagerte Prozesse sind nahtlos in Shopfloor-Abläufe integriert und erfordern wenig menschliche Interaktion. Damit können auch Sonderanfertigungen in niedriger Stückzahl zu vernünftigen Kosten angefertigt werden. Über sämtliche Verfahrens- und Prozessschritte werden in Echtzeit Daten erhoben, die größtmögliche Transparenz ermöglichen, aber auch die Grundlage bieten, Muster zu verstehen und Abweichungen frühzeitig zu erkennen – bis hin zur Umsetzung von Predictive Maintenance Szenarien.

1.2 Smart Factory Definitionen

Nur: was ist eine Smart Factory dann konkret? Und wie kommt man da hin? Sucht man im Netz nach einer exakten Smart Factory Definition, findet man unterschiedliche Ansätze, die stark vom jeweiligen Blickwinkel auf das Thema abhängen – etwa dem von Forschungseinrichtungen, Lösungsanbietern oder produzierende Unternehmen als „Anwender“. Während letztere eine Smart Factory sehr konkret im Kontext ihres individuellen Vorhabens (und meist sehr Shopfloor-zentriert) sehen, wird sie in der Forschung eher allgemein und umfassend bzw. unter Einbeziehung angrenzender Bereiche wie der Logistik definiert.

1.3 Im Vergleich zu klassischer Automatisierung

Ein anderer Ansatz, das herauszuarbeiten, was eine Smart Factory ist, ist der der Abgrenzung – hier bietet sich der Vergleich mit einem klassischen Automatisierungsszenario in der Fertigung an. In letzterem erfolgen automatisierte Abläufe auf entsprechender Programmierung von Maschinen oder Anlagen. Daten und Prozessinformationen werden entlang der hierarchischen Systemebenen (ERP, MES, SPS usw.) ausgetauscht. Aufgrund des fixen Setups bringt ein solches Szenario eine gewisse Schwerfälligkeit mit Blick auf spontane Änderungen bzw. die Reaktion auf unvorhergesehene Ereignisse. In solchen Fällen muss der Mensch dann immer eingreifen. Wenn in einer smarten Fabrik aber weniger menschliche Eingriffe nötig sein sollen, dann kann dies nur über dezentrale Kommunikationstrukturen abgebildet werden. Das heißt, Informationen landen – über die Cloud – direkt und in Echtzeit dort, wo sie hinmüssen, losgelöst von Systemhierarchien. Dadurch stehen den Prozessen stets aktuelle Daten zur Verfügung, was ein viel höheres Maß an Automatisierung ermöglicht.

 

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1.4 Wie weit geht die smarte Fabrik?

Der Gedanke der automatisierten Smart Factory sollte jedoch nicht am an den Grenzen des Shopfloors enden. Auch in vielen mittelständischen Betrieben, ist das Optimierungspotential hinsichtlich Verfahrenstechnik bzw. der Produktionsprozesse selbst schon weitgehend ausgeschöpft. Davon unabhängig bestehen große Möglichkeiten in der Integration des Shopfloors in effiziente, größtmöglich automatisiere End-to-End Prozesse, die von der Beschaffung bis zum Versand laufen können. Diese werden möglich, wenn die Teilprozesse nahtlos miteinander agieren, egal ob sie im Shopfloor, im EPR oder in einem Drittsystem ablaufen. Vorrausetzung dafür ist wiederun eine dezentrale, cloud-basierte Kommunikationsstruktur.

2. Die Smarte Fabrik in der Praxis

Das Idealbild einer smarten Fabrik ist also ein höchst komplexes Szenario. Für viele Unternehmen, gerade im Mittelstand, mag dies gar kein erstrebenswertes Ziel sein, da Aufwand und Ertrag u. U. in keinem vernünftigen Verhältnis stehen. Automatisierung ist ja kein Selbstzweck, sondern soll unter Berücksichtigung des Implementierungsaufwandes zu Kosteneinsparungen und gesteigerter Effizienz führen.

2.1 In der Automobilindustrie

In hoch automatisierten und integrierten Branchen mit komplexen Produktionsprozessen, etwa im Automotive-Bereich, ist das Idealbild einer Smart Factory kein abstraktes Ziel. Ein immenser, kontinuierlicher Optimierungsdruck sowie hohe Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit von Komponenten hat zum einen dazu geführt, dass die Automobilindustrie sich sehr frühzeitig mit entsprechenden Technologien beschäftigt hat. Zum anderen bieten die dort eingesetzten Hightech-Anlagen und Robotik natürlich umfassende Möglichkeiten, im Sinne einer Smart Factory zu digitalisieren und zu automatisieren. Und nicht zuletzt, fallen damit verbundene Aufwände angesichts der immensen Investitionen in Produktionstechnik nicht so sehr ins Gewicht. Alles zusammen mag dazu geführt haben, dass die Automobilindustrie im Bereich Smart Factory eine Vorreiterrolle innehat.

2.2 Im Mittelstand

Für die meisten mittelständischen Unternehmen machen solche Szenarien keinen Sinn. Dort geht es nicht um die Realisierung vollautomatisierter Produktionsstraßen und auch nicht darum, mittels Predictive Maintenance die Verfügbarkeit von Anlagen um ein paar Prozent zu erhöhen. In vielen Fällen gilt es vielleicht ganz einfach erst einmal darum, das Papier als verlässliche Fehlerquelle aus der Fertigung zu verbannen.

Denn in vielen Betrieben werden Fertigungsaufträge, trotz mitunter hoher Standards, etwa in der Produktionsplanung, immer noch auf Papier gedruckt. Durch diesen Medienbruch ist die Fertigung weitgehend von vor- und nachgelagerten Prozessen entkoppelt. Für übergeordnete Systeme wie das (SAP) ERP, ist der Shopfloor einschließlich derart relevanter Informationen wie Auftragsfortschritte, Störungen oder Stillstände dann eine Blackbox – bis jemand das auf Zetteln Zusammengetragene wieder in das ERP überträgt. Die Digitalisierung von Handarbeitsplätzen ist deshalb oftmals eine zentrale Stellschraube mit großem Effekt. Werden Rückmeldungen von Werkern über angebundene Terminals getätigt, können die gemeldeten Informationen direkt dorthin gelangen, wo sie benötig werden.

Aber auch Anlagen lassen sich über Tools zur Maschinendatenerfassung direkt in durchgehende Abläufe einbinden. Etwa dergestalt, dass Auftragsfortschritte und Störungen direkt und automatisiert rückgemeldet werden sowie, in die andere Richtung blickend, auch Aufträge aus dem (SAP) ERP direkt auf Anlagen gegeben und die Produktion dort direkt gestartet werden kann. Über derartige Automatisierungsschritte lassen sich viele repetitive Tätigkeiten vermeiden, wodurch Werker mehr Zeit für wertschöpfendere Tätigkeiten bekommen. Darüber hinaus verfügen alle am End-to-End Prozess Beteiligten über aktuelle Informationen aus der Fertigung und können entsprechend Vorprodukte bestellen, feinplanen oder Kunden über Lieferzeiten informieren. Das alles ist schon sehr viel smarte Fabrik und kann alles ohne monolithisches Initialinvestment realisiert werden. Durch den Fokus auf einzelne Prozesse kann gezielt dort angesetzt werden, wo die größten Effizienzverluste bestehen und so schnell viel erreicht werden – eben mittelstandsgerecht.

 

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3. MES vs. ERP-Integration des Shopfloors

Ein Smart Factory Ansatz, der auf die schrittweise Digitalisierung bzw. Integration von Fertigungsabläufen in End-to-Endprozesse abzielt, ist auch deshalb so mittelstandskonform, weil dafür kein separates MES benötigt wird.

In ERP-System liegen in der Regel die meisten Teilschritte eines durchgehenden End-to-End Prozesses. Denkt man an den Durchlauf eines Kundenauftrages von der Auftragsannahme durch den Vertrieb bzw. der Beschaffung von Vorprodukten über die Produktions- und Personalplanung, die Materialwirtschaft usw. bis hin zum Versand, so ist das gleich einleuchtend. Soll nun die Fertigung in eine solche Prozesskette integriert werden, ist es entscheidend, dass relevante Informationen immer möglichst schnell im ERP zur Verfügung stehen. Eine Bereitstellung in einem MES bringt hier keinen Vorteil, im Gegenteil. In der betrieblichen Realität kommt es oft vor, dass MES und ERP System nur ein- bis zweimal am Tag synchronisiert werden. Damit sind ERP und die dort laufenden Prozesse für den größten Teil des Tages blind für Vorgänge im Shopfloor. Effizienz lässt sich so nicht gewinnen und eine smarte Fabrik erst recht nicht.

Somit ist es im Sinne von End-to-End Prozessen zielführender, Maschinen und Arbeitsplätze direkt an das ERP anzubinden und dem MES, sofern überhaupt notwendig, die Steuerung der des Produktionsverfahrens zu überlassen. Viele ERP Systeme, insbesondere auch das SAP ERP, bringen dabei schon eine solide Basis mit, die man nur noch um BDE- bzw. MDE-Funktionalitäten erweitern muss.

Genau das macht die SAP Industry Cloud Solution All for One Smart Factory. Als „Datendrehscheibe“ zwischen Shopfloor und SAP ERP bildet sie den dafür nötigen Datenaustausch ab und bindet so die Fertigung in die vor- und nachgelagerten Prozesse im SAP ERP ein.

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4. Jenseits des Shopfloors

4.1 Connected Logistics

Die engste Verzahnung mit dem Shopfloor besteht im Normalfall im Logistics-Bereich – und hier über die Produktionsversorgung insbesondere mit der Lagerlogistik. Eine Produktionsversorgung ist dann smart, wenn sie nicht nur die Materialversorgung aus den in die Produktion gehenden Aufträgen direkt übernimmt, sondern auch sofort auf etwaige Abweichungen reagiert. Wird in etwa an einem Arbeitsplatz ein defektes Material deklariert, so kann dieser Schritt eine automatisierte Nachforderung des betreffenden Teils auslösen. Damit das funktionieren kann muss, in Analogie zum Lager, auch im Shopfloor jede Entnahme bspw. über Scanner sofort erfasst werden.

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Durch die direkte Erfassung von Verbräuchen aus dem Produktionsvorgang heraus lassen sich auch Muster und Zusammenhänge besser verstehen. Wenn so etwa ans Licht kommt, dass bei der Fertigung einer bestimmten Variante mehr Ausschuss als bei anderen Varianten anfällt, so kann diese Erkenntnis direkt bei der Materialbereitstellung berücksichtigt werden – und zwar sobald ein Kundenauftrag über die betreffende Variante ins System kommt.

4.2 KI in der smarten Fabrik

Bisher haben wir die Smart Factory vor allem anhand von effizienten End-to-End Prozessen betrachtet, die mit einem hohem Automatisierungsgrad durch das ganze Unternehmen laufen, einfache, repetitive Tätigkeiten überflüssig machen und menschliche Eingriffe nur noch in Ausnahmesituationen notwendig machen. Die in einer smarten Fabrik ablaufenden Prozesse liefern jedoch kontinuierlich und in Echtzeit Daten, die nicht nur dazu verwendet werden können, Zusammenhänge besser zu verstehen und Abläufe zu optimieren. Sie bieten darüber hinaus auch die Basis für den nächsten Schritt der Automatisierung – nämlich der von Entscheidungen auf Basis von KI (künstlicher Intelligenz).

Wenn im Shopfloor-Kontext das Stichwort KI fällt, denken die Allermeisten wahrscheinlich zuerst an Predictive Maintenance, also die vorrauschauende Wartung von Maschinen und Anlagen. Diese liefern kontinuierlich Daten hinsichtlich ihres Zustandes und ihrer Performance, auf deren Grundlage dann KI-gestützte Modelle Prognosen über den (wahrscheinlichen) Ausfall von Anlagen liefern. Auf dieser Grundlage kann dann eine maximal effiziente und flexible Instandhaltungsstrategie umgesetzt werden.

Da das Konzept der Smart Factory jedoch weit über den Shopfloor hinausgeht, sind auch die Einsatzmöglichkeiten von KI in einer smarten Fabrik entsprechen vielfältiger:

  • KI kann schon bei der Auftragsannahme angewandt werden. So können zum Beispiel KI basierte Chatbots Kunden auf für den Anwendungsfall passende Produkte hinführen oder auch bei der Konfiguration unterstützen. Dabei kann KI-seitig sowohl auf die Bestellhistorie des gerade einkaufenden Unternehmens als auch auf vergleichbare Bestellungen anderer Kunden zurückgegriffen werden
  • Auch bei der Produktionsplanung kann eine KI unter Rückgriff auf Erfahrungswerte automatisiert Ressourcen und Material einplanen und entsprechende Bestellvorschläge machen. Darüber hinaus kann die Fertigstellung von Aufträgen und Kundenbestellung unter Einbeziehung aller verfügbare Daten verlässlich prognostiziert werden.
  • Aufbauend auf eine solche Planung kann dann auch eine kontinuierliche, intelligente Bestandsoptimierung angestrengt werden. Die dafür notwenigen Metriken sind oft derart komplex, dass sie ohne KI-Unterstützung nicht zu erstellen sind.

Die hier genannten Beispiele sind dabei nur ein kleiner Ausschnitt der Möglichkeiten, die KI bei der Realisierung einer intelligenten, smarten Fabrik bietet – alle verbunden mit optimierten, effizienten End-to-End Prozessen und der effektiven Nutzung der Daten, die entlang der Prozessketten entstehen.

5. Fazit

Trotz der unbestreitbaren Tatsache, dass der Begriff „Smart Factory“ einen gewissen Buzzword-Charakter hat, handelt es sich bei der smarten Fabrik doch um ein konkretes, für Unternehmen greifbares Konzept. Zwar gibt es unterschiedliche Interpretationen, wie eine Smart Factory auszurichten ist, aber es gibt grundlegende, allen Sichtweisen gemeinsamen Themen, wie Vernetzung, Intelligenz, Automatisierung und End-to-End Prozesse.

Im Gegensatz zu vielen anderen Industrie 4.0 Konzepten ist die smarte Fabrik kein Spielfeld allein für große Unternehmen und Konzerne. Sie ist nicht auf den Shopfloor beschränkt, bedingt kein MES oder ähnliche Großinvestitionen, sondern lässt sich Schritt für Schritt über die intelligente – eben smarte – Umsetzung von effizienten, digitalisierten und automatisierten End-to-End Prozessen realisieren.


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