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SMART FACTORIES

MIT NEUARTIGEN SOFTWAREARCHITEKTUREN UND TRANSFORMATIVER UMSETZUNG ZUM ERFOLG

Lassen Sie sich nicht blenden, mehr als 5 Jahre nach der Prägung des Industrie 4.0-Begriffs, sind realisierte Smart Factories immer noch die Ausnahme. Dafür gibt es gute Gründe: Die technologischen Eintrittsbarrieren sind für die meisten Produktionsunternehmen derzeit zu hoch!

Doch nun gibt es Abhilfe: Eine neue Klasse von Softwarelösungen entsteht: Vernetzte Smart Factory-Architekturen. Diese ermöglichen die Smart Factory-Integration. Mit einer Implementierung dieser neuartigen Softwarearchitektur für sich allein ist noch nichts gewonnen. Zum Aufbau einer wertegenerierenden Smart Factory bedarf es einer transformativen Umsetzung.

Beratung zu Smart Facotries, Einführung, Consulting, Projekt-Durchführung mit anschließendem Support führen wir gerne bei Ihnen durch. Fragen Sie bei uns an und ein kompetenter Vertriebsmitarbeiter wird sich mit Ihnen in Verbindung setzten und nähere Details abklären.


Smart Factories als Ausnahmeerscheinung, Entstehung von Best Practice

Seit mehr als 5 Jahre belegen INDUSTRIE 4.0 Best Practice Werterealisierungen um Größenordnungen. Dennoch profitiert bisher nur eine kleine Minderheit von Produktionsunternehmen. Viele haben erst gar nicht mit Transformation begonnen oder erleben den Exitus ihrer Pilotinitiativen. Warum ist das so?

Analysiert man Bewerber und Preisträger des INDUSTRIE 4.0 AWARD erhält man eine repräsentative Antwort auf diese Frage: Die Eintrittsbarrieren sind zu hoch! Bewerber und Preisträger zeichnen sich durch drei gemeinsame Transformationseigenschaften aus:

  • Hoher Standardisierungsgrad bei Maschinen- und Systemschnittstellen
  • Effiziente Softwareeigenentwicklung und eine
  • IT-versierte Unternehmensführung zum Ausgleich geringer eigener IT-Intensität.

Diese kritischen Erfolgsfaktoren sind bei den meisten Produktionsunternehmen unterentwickelt, für sie sind die Eintrittsbarrieren für eine digitale Transformation bis heute zu groß.

Gleichzeitig entstehen Smart Factory-Best Practice in der diskreten Fertigung. Ausgehend vom INDUSTRIE 4.0 AWARD haben wir eine Schnittmenge mehrfach bewährter Konzepte, mit attraktiven Wertepotenzialen und nachgewiesener technischer Machbarkeit analysiert. Diese wurden bis heute mit eigenentwickelten partiellen Softwarelösungen umgesetzt: (Siehe Abbildung 1: Tabelle Smart Factory Best Practice)

Tabelle Smart Factory Best Practices

Softwarelösungen mit leistungsfähiger Architektur gefordert

Smart Factory-Softwarelösungen müssen die erläuterten Best Practice mit eigenen oder fremden Software-Services, umfänglich unterstützen um große Potenziale zu heben. Es braucht kommerziell verfügbare Softwarelösungen, damit alle interessierten Produktionsunternehmen von diesen profitieren können. Die Lösung bedarf einer leistungsfähigen Software-Architektur, welche eine digitale Transformation in Entwicklungsstufen zulässt. Im Unterschied zu Enterprise-Systemen integrieren neuartige Smart Factory-Architekturen ein vernetztes digitales Abbild unternehmensspezifischer Fertigungsprozesse über alle relevanten Systeme hinweg. Dafür braucht es Architekturen, welche umfassend, offen, skalierbar, integriert und Analytik-unterstützend sind.

Neuartige Softwarearchitekturen bereits kommerziell verfügbar

Derzeit entsteht eine neue Klasse von Softwarelösungen, sie lassen sich unter dem Oberbegriff der Smart Factory-Integration zusammenführen. Angebote am Markt sind heute allesamt auf einer zentralisierten Architektur aufgebaut. Dabei speisen sich zentrale Steuerungselemente mit Echtzeitdaten aus dem cyber-physischen Produktionssystem, sowie aus den angebundenen IT- und OT-Systemen. Darüber hinaus sind selbst anpassende Architekturen für autonome Produktionssysteme denkbar, aber noch nicht kommerziell erhältlich.

Verfügbare Angebote der Smart Factory-Integration mit zentralisierter Architektur teilen sich in drei Kategorien auf: Die hierarchische Produktionsarchitektur, mit ERP-, MES- und PLS-Systemen, die Produktionsplattformarchitektur und die Manufacturing Service Bus-Architektur. (Siehe Abbildung 2: Vergleich zentralistische Smart Factory-Architekturen)

Vergleich zentralistische Smart Factory Architekturen

Die hierarchische Produktionsarchitektur ist geprägt durch die Verbindung des ERP- mit dem MES-System und mit den verteilten Systemen der Prozessautomatisierung. Die Architektur baut auf einer standardisierten Integration von Unternehmens- und Betriebsleitebene mit einer hierarchischen Struktur auf. Das verbindende Manufacturing Execution System ist häufig ein monolithisches System mit starrem Wertschöpfungsfluß, mit eingeschränktem Horizont und normierter Unterstützung von KPI-Analysen. Bei den MES-Systemschnittstellen handelt es sich um programmierte Schnittstellen.

Mit vorhandenem MES-System und standardisierten Maschinenschnittstellen im Produktionsnetzwerk, kann eine fokussierte, investitionsschützende Smart Factory-Transformationen gelingen. Typische MES-Lieferanten mit Smart Factory-Funktionalitäten sind iTAC, camLine, sowie MPDV mikrolab. Viele MES-Anbieter lösen derzeit ihre starren hierarchische Architekturen auf und bringen Plattform-basierte Lösungen auf dem Markt.

Die Produktionsplattformarchitektur stellt umfassende Funktionalitäten, welche die Unternehmens- mit der Betriebsleitebene vernetzt, zur Verfügung. Sie verspricht eine weitreichende Unterstützung von Smart Factory-Best Practice. Wesentliche Plattformkomponenten sind die Adapter zu Kernsystemen im Produktionsumfeld wie ERP, PLM, TDM, CAQ, CMMS. Eine weitere Kernfunktionalität sind Adapter zu Maschinen und Anlagen, basierend auf offenen Schnittstellenstandards. Weiter werden plattformeigene Anwendungsdienste angeboten. Für die Anbindung fremder Anwendungsdienste ist eine offene Programmierschnittstelle (API) vorgesehen. Komplementiert wird die Plattform von Datenerfassungs-, Datenvalidierungs- und Datenanalytikdiensten, sowie dem Orchestrierungsdienst und dem Workflow-Management.

Mit dem Funktionalitätsumfang auf der Plattform und im Softwareökosystem lassen sich umfangreiche Transformationen realisieren. Die Skalierbarkeit und Flexibilität der Plattform stellt sicher, dass die digitale Transformation, auch mit heterogenen Bestandstechnologien, umgesetzt werden kann. Typische Vertreter am Markt sind FORCE von FORCAM, AXOOM von TRUMPF oder Sight Machine. Viele Anbieter fokussieren ihre Plattform noch auf die Echtzeit-Produktionsanalytik. Für sich allein springt aber die Produktionsanalytik zu kurz, um Potenziale umfänglich zu heben.

Die Manufacturing Service Bus-Architektur (MSB) fokussiert sich auf wesentliche Adaptions-, Kopplungs- und Integrationsdienste. Anwendungsdienste liegen außerhalb der Architektur und werden effizient angeschlossen. Der MSB bildet somit das Rückgrat für eine flexible Erweiterung mit verteilten Diensten. Dabei werden auf Produktionsdaten fokussierte Integrationsdienste, wie Event based Messaging, Datentransformation, Orchestrierung und Workflow-Management zur Verfügung gestellt, genauso wie Adapter zur Kopplung verteilter Dienste und die Anbindung von Maschinen und Anlagen. Bei einer hohen Anzahl unterschiedlicher Maschinen und Anlagen ist der MSA auf standardisierte Beschreibungsformate angewiesen. Auch Adapter zu Kernsystemen im Produktionsumfeld sind notwendig, um eine rasche Integration zu ermöglichen. Eine offene Programmierschnittstelle (API) ermöglicht eine einfache Erweiterung mit verteilten Diensten.

Die hohe Flexibilität der Architektur ist sowohl für die Integration eigenentwickelter, also auch am Markt kommerziell erhältlicher, Softwaredienste sinnvoll. Typische Vertreter am Markt sind der MSB der VFK Virtual Fort Knox oder auch der ATSbus von ATS Global. Zudem gibt es Lösungen, welche die MES-Systemanbindung auf der Unternehmens- und Betriebsleitebene mittels eines Servicebusses offerieren, wie z.B. InQu.MES mit dem InQu.ESB.

Die Auswahl der geeigneten Smart Factory Integrationsarchitektur lässt sich am Zielbild der Smart Factory ausrichten. Wesentliche Kriterien dabei sind der unterstützende Funktionsumfang, die Offenheit, die Skalierbarkeit, die Integrationsfähigkeit und die Unterstützung der Echtzeit-Analytik. Anschaffungs- und Betriebskosten, sowie Systemleistung sind weitere Auswahlkriterien.

Offener Kommunikationsstandard für Maschinen und Anlagen als Schlüssel

Die OT-Netzwerke in der Produktion haben ein ähnliches Problem wie die IT-Netzwerke in den 1980er Jahren: Zu viele Netzwerkprotokolle kämpfen um den Defacto-Standard. Ohne verbreiteten Standard müssen Anwendungsentwickler für jede anzubindende Maschine und jedes Unternehmenssystem einen Adapter entwickeln. Diesen hohen Aufwand scheuen die meisten Produktionsunternehmen.

Mit Open Plattform Communications Unified Architecture (OPC UA) beginnt sich ein offener Standard durchzusetzen. Es ist eine Hersteller- und Plattform-unabhängige, konvergente Kommunikationstechnologie, welche den Transport von Maschinendaten und -informationen regelt. Auch stellt sie Mechanismen für die Systemsicherheit und den Systemzugriff bereit. Mit Hilfe der Companion Specifications können für Geräte-/ Maschinenklassen Funktionen standardisiert beschrieben werden. Der Verband der deutschen Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) und weitere internationale Organisationen treiben diese Standardisierung voran. Die Companion Specifications für die Bildverarbeitung und die Robotik wurden bereits als Release Candidates vorgestellt, weitere folgen. Weiter wurde die Interoperabilität mit dem offenen Kommunikationsstandard aus den USA, MTConnect, sichergestellt. Ein verbreiteter Kommunikationsstandard ist der Schlüssel zu einer schnellen und kostengünstigen Konfiguration und Integration von Maschinen und Anlagen, sowie IT-Systemen. Der Anfang ist gemacht.

Steigerung der Lösungsattraktivität durch ein Softwareökosystem

Die meisten Angebote zur Smart Factory-Integration, auf Basis einer Produktionsplattform- sowie Manufacturing Service Bus-Architektur, sind erst seit kurzer Zeit auf dem Markt. Selbstredend sind die Funktionsumfänge begrenzt. Eine Abdeckung aller analysierten Smart Factory-Best Practice aus eigener Ressourcenkraft ist nicht zu stemmen. Zudem kommen laufend innovative partielle Smart Factory-Lösungen auf den Markt. Softwareökosysteme nutzen gezielt Netzwerkeffekte, um die Lösungsattraktivität zu steigern. Eine umfängliche Funktionsabdeckung ist noch nicht gegeben, die Architekturen sind aber prädestiniert für die Anbindung externer Softwaredienste. Eine Verbreiterung der Funktionsabdeckungen und eine Erweiterung der Wertschöpfung ist durch den Ökosystemausbau zwingend erforderlich. Dies ist nicht nur eine Kernanforderung der Anwender, sondern eine lohnende Geschäftsentwicklung für die Anbieter.

Mit strategischem Bebauungsplan und transformativer Umsetzung zum Erfolg

Neuartige Softwarearchitekturen bilden das Gerüst, um das Kontinuum von Smart Factory- Innovationen zu nutzen. Doch ein klassisches IT-Integrationsvorgehen ist zur Smart Factory- Umsetzung nicht geeignet. Zu viele Veränderungselemente bedürfen dabei der Entwicklung. Mit einer transformativen Implementierung können die großen Potenziale gehoben werden. (Siehe Abbildung 3: Elemente der transformativen Umsetzung)

Elemente der transformativen Umsetzung

Zu Beginn sollen die digitalen Technologieimpulse in geschäftsstrategische Möglichkeiten übersetzt werden. Anders als in der klassischen Ableitung von Fertigungszielen, kann sich ein produzierendes Unternehmen mit einer Smart Factory Wettbewerbsvorteile verschaffen. Dies geschieht mit der Erarbeitung der strategischen Stoßrichtung und der Identifizierung benötigter Transformationselemente.

Einher geht die Quantifizierung der Wirtschaftlichkeit. Die Höhe des Nutzen- und Wertbeitrags der Transformationselement ist das wesentliche Auswahlkriterium. Weiter sind der Investitionsbedarf, sowie die Kosten der Einführung und des Betriebs zu ermitteln.

Die Erarbeitung des Ziel-Zustandes hilft die Dynamik der Smart Factory-Softwareinnovation zu beherrschen und die weißen Flecken in der Produktionssystemlandschaft zu füllen. Mit einem strategischen IT/OT-Bebauungsplan werden Smart Factory-Konzepte in technische Elemente übersetzt. Der Neubau, die Erweiterung, sowie der Rückbau von Systemelementen werden dabei konkretisiert. Auf Basis des IT/OT-Bebauungsplans werden Softwarelösungen ausgewählt und Entwicklungs- und Integrationsinitiativen definiert.

Der Aufbau der Smart Factory erfolgt am besten in Entwicklungsstufen. Hier werden in jeder Stufe Wert generiert und die Voraussetzungen für die nächste Stufe geschaffen: Stufe I sind Vorarbeiten, welche die Voraussetzungen für die Digitalisierung schaffen. Die Stufe II ist die Vernetzung von Maschinen und Kernsystemen zur Extraktion von Echtzeitdaten. In Stufe III werden Informationen aus gesammelten Echtzeitdaten generiert. Stufe IV widmet sich der Generierung von Wissen mit der Vernetzung von Informationen und der Ableitung von Empfehlungen daraus. Stufe V, als letzte Entwicklungsstufe, ist die Autonomie, welche heute noch nicht Stand der Technik ist.

In den Entwicklungsstufen müssen sowohl technologische, als auch Mitarbeiterfähigkeiten aufgebaut werden. Bei der Schaffung von Mitarbeiterfähigkeiten steht neben dem Erlangen von Fachkenntnissen das Erlernen von Entwicklungs- und Betriebsfähigkeiten im Fokus. Dies erfordert ein ganzheitliches Umsetzungsvorgehen. Ein umfänglicher transformativer Release Plan stellt die Umsetzung sicher. Er plant die Wertegenerierung in Umsetzungswellen. Je Welle werden die Entwicklungsstufe, der Nutzen- und Wertbeitrag, die benötigten Ressourcen, die Zeitdauer, sowie alle technischen, organisatorischen, personellen, kommunikativen und organisationsentwickelnden Aktivitäten und Arbeitsergebnisse geplant und gesteuert.

Neuartige, kommerziell verfügbare Softwarearchitekturen der Smart Factory-Integration ermöglichen allen interessierten Produktionsunternehmen ihre Produktion zu digitalisieren. Eine transformative, ganzheitliche Umsetzung gewährleistet dabei die Entwicklung der Smart Factory in Stufen und das nachhaltige Heben der großen Potenziale.