IT-Systeme in der Fertigung: Der Weg zur Smart Factory

Zunächst die gute Nachricht vorweg: Ein Rekordwert von 97 Prozent der Unternehmen in Deutschland sieht die Digitalisierung (durch neue IT-Systeme) aktuell als Chance im Ausnahmejahr 2020, meldet der Verband der Digitalbranche Bitcom. Die schlechte: 61 Prozent glauben, dass ihr Unternehmen eher oder deutlich geschwächt aus den Pandemie-Zeiten hervorgeht; nur 11 Prozent geben an „eher oder deutlich gestärkt“ zu sein.

IT-Systeme für den Neustart der Industrie

Um einen nachhaltigen Neustart hinzukriegen, ist die Digitalisierung auch für die fertigende Industrie der Königsweg. Wertschöpfung findet in der Fabrik statt. Deshalb führt der Weg zurück zu Profitabilität und Wettbewerbsfähigkeit über höhere Effizienz in Produktion und Planung.

Investitionen sichern – Innovationen ermöglichen

Eine große Chance, um aus der Krise gestärkt hervorzugehen, liegt in der technologischen Erneuerung. Es geht um eine digitale Transformation, die alle Möglichkeiten des industriellen Internets der Dinge (IIoT) nutzt und datengetriebene Fertigung ermöglicht – Data-driven Manufacturing. Die umfängliche Vernetzung von Produkten, Maschinen, Systemen, Prozessen und Standorten ist das Fundament für die Fertigung der Zukunft, um mit einem einheitlichen digitalen Zwilling der Produktion arbeiten zu können.

Wie aber dieses Fundament legen? Zwar hat laut einer McKinsey-Studie für 69 Prozent der Industrieunternehmen eine digitale Transformation sehr hohe Priorität. Doch gleichzeitig glauben 60 Prozent der Unternehmen, dass sie rund ein Drittel des bestehenden Anlagenbestands auswechseln müssten. Doch einwandfrei produzierende Maschinen und Anlagen im Wert von hunderten Millionen Euro darf man nicht einfach abschalten. Das wäre betriebswirtschaftlicher
Irrsinn.

Die Lösung: eine integrative IIoT-Infrastruktur. Unternehmen dürfen von einer solchen smarten IIoT-Lösung erwarten, dass sie getätigte Investitionen in Anlagen und IT-Systeme wie MES, PLM, ERP oder andere schützt und gleichzeitig benötigte Innovationen in neue IT-Systeme ermöglicht. Diese Doppelrolle erfüllt eine integrative IIoT-Plattform.

Die Evolution startet mit Konnektivität der IT-Systeme

Industrie-4.0-Prozesse durchlaufen evolutionäre Phasen: Konnektivität, Visibilität, Transparenz, Vorhersagbarkeit bis hin zu KI-Lösungen, die die Fabrikprozesse durch Lern- und Anpassungsfähigkeit ergänzen.

Konnektivität ist der Schlüssel: Alle Schritte zur Smart Factory fußen auf der Kompetenz, auch heterogene Maschinenparks digital anzubinden. Dann können alle weiteren Schritten bewältigt werden – mit großen Vorteilen: Visibilität und Transparenz durch Echtzeit-Analysen in Fabrik und Finanzen; optimierte Unternehmensplanung durch präzise Vorhersagen; Skalierbarkeit durch digitalen Zwilling der Produktion in Cloud-Infrastrukturen; Lern- und Anpassungsfähigkeit der Fertigung durch KI-Anwendungen.

Digitalisierung soll Unternehmen helfen, die strategische Herausforderung zu meistern, auch im Zeitalter des industriellen IoT wettbewerbsfähig zu bleiben. Diese Aufgabe übernimmt eine integrative IIoT-Architektur. Sie erfüllt die drei zentralen Anforderungen der digitalen Transformation in der Fertigung: Transparenz, Effizienz, Flexibilität.

1. Transparenz durch Konnektivität

Immer kürzere Produktzyklen und immer kleinere Losgrößen zwingen Unternehmen zu mehr Flexibilität und Agilität in der Produktion. Für Fertigungsleiter daher am wichtigsten: Wie binde ich unterschiedliche Maschinen digital an? Fanuc, Festo, Heidenhain, Mazak, Siemens – heterogene Maschinenparks mit Steuerungen und Anschlussarten unterschiedlicher Hersteller, Typen, Jahrgängen und Aufgaben sind die Regel in den Fabriken weltweit.

Nicht selten arbeiten noch Maschinen, die gar nicht darauf ausgelegt waren, in einem Industrie-4.0-Umfeld flexibel eingesetzt zu werden.

Trotzdem gilt es, Signale von sämtlichen vorhandenen Industrie-Anlagen und -Geräten, Sensoren sowie von Eingaben durch Werker und Auftragseingänge aus dem Topfloor digital auf einer Plattform anzubinden, zu sammeln und zu normieren.

Technologisch liegt die Lösung des Datensammelns in vorgefertigten Plug-ins für Maschinen ohne und mit integrierten Steuerungen sowie Adapter für die Systeme der Unternehmensplanung. Mit Plug-in-Templates sowie fertigen Adaptern wird der Anschluss von zum Beispiel drei Pilot-Maschinen und ihre Vernetzung mit der Planungsebene in aller Regel etwa drei Tage in Anspruch nehmen. Dann kann optimiert werden. Schnelligkeit zählt.

OPC-UA oder MTConnect?

Für IT-Leiter wichtig ist die Schnittstelle: Welcher Standard ist der beste, damit die Maschinen untereinander sowie mit anderen Systemen oder Computern kommunizieren können? Die Antwort lautet: Die IIoT-Plattform der Wahl – oder der IoT Hub – sollte möglichst viele Kommunikationsstandards bieten können.

Konkret: Sowohl der in Europa promovierte Standard OPC-UA (Open Platform Communications United Architecture) als auch der offene US-Standard MTConnect sollten einsetzbar sein, ebenso das Nachrichtenformat MQTT (Message Queue Telemetry Transport).

2. Effizienz durch digitalen Zwilling der Produktion

Die Fabrik der Zukunft arbeitet mit einer für alle Systeme gültigen Datenquelle. Deshalb geht es nach der Konnektivität im nächsten Schritt darum, dass eine zentrale Rechnereinheit (Rule Engine) aus den normierten Daten ein einheitliches Produktionsdaten-Modell in Echtzeit erzeugt – Big Data wird zu Smart Data.

Dazu ist Hochleistungs-IT notwendig, die die Daten in Sekunden-Bruchteilen validiert und modelliert. Auf Basis von In-Memory-Technologie und Complex Event Processing erzeugt die Rule Engine so den digitalen Zwilling der Produktion, der allen IT-Systemen auf Shop- und Topfloor als Single Source of the Truth zur Verfügung steht.

Mit dem semantischen Produktionsdaten-Modell können alle Rollen auf allen Ebenen ihre Aufgaben virtuell analysieren und real optimieren – ob Leistung und Anlagenverfügbarkeit, Qualitätsanalyse, Liefertreue oder Stückkosten-Controlling.

3. Flexibilität durch offene Webschnittstellen der IT-Systeme

In einer Smart Factory können Unternehmen ihre eigene IT-Architektur kreieren. Eine integrative IIoT-Lösung bietet daher offene Webschnittstellen (Open API), durch die Unternehmen die große Freiheit erhalten: Sie können vorhandene und benötigte IT-Systeme frei komponieren und untereinander kollaborieren lassen. Als gemeinsame Datenquelle (data lake) dient das semantische Produktionsdaten-Modell.

Durch eine solche technologische Offenheit kann jedes Unternehmen seine individuell benötigte IT-Architektur erschaffen. Die IT-Teams integrieren auf Wunsch sowohl bestehende IT-Systeme in Produktion und Planung als auch Drittsysteme wie Anwendungen für Werkzeugdatenmanagement, Qualitätssicherung oder Vorhersagende Wartung (Predictive Maintenance) nahtlos. Unternehmen werden mit einer solchen integrierten offenen Schnittstelle zu unabhängigen Bauherren ihrer individuellen IT-Architektur.

Die Autorin Dr. Andrea Rösinger ist Co-CEO und Chief Technology Officer der Forcam GmbH.

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