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Smart Factory

Inhalts­verzeichnis

Eine Produktionsmaschine in einer Werkshalle.

Eine Fabrik, welche sich selbst organisiert und autonom produziert. – Zukunftsmusik? Nicht unbedingt. Um eine derartige Produktionsumgebung zu realisieren, müssen jedoch eine Reihe modernster Technologien gezielt miteinander kombiniert werden. Gelingt dies, entstehen erhebliche Wettbewerbsvorteile.

Was ist eine Smart Factory?

Die Smart Factory ist eine intelligente Fabrik und bezeichnet eine innovative Produktionsumgebung, welche sich mithilfe verschiedener Technologien selbst organisiert und optimiert. Im Idealfall ist ein menschliches Eingreifen in dieser Fabrik der Zukunft nicht mehr erforderlich, denn Fertigungsanlagen und Logistiksysteme sind vollständig automatisiert.

Welche technischen Voraussetzungen müssen für eine Smart Factory erfüllt sein?

In der smarten Fabrik spielen sogenannte cyber-physische Systeme (Cyber Physical Systems/CPS) eine zentrale Rolle. Es handelt sich dabei um IT-Systeme, in denen mechanische Komponenten über Informationstechnologie und Netzwerke miteinander verbunden werden. Mithilfe der CPS ist es also möglich, eine intelligente Vernetzung von Maschinen, Produkten und Logistik zu realisieren. Das vernetzte Produkt teilt alle fertigungsrelevanten Informationen mit der Smart Factory. Anhand dieser Daten steuert sich der gesamte Produktionsprozess von selbst. 

Neben cyber-physischen Systemen spielen in smarten Fabriken ergänzende Technologien eine wichtige Rolle:

  • Internet of Things (IoT) und digitaler Zwilling
  • Kommunikationstechnologie
  • Big-Data-Technologien
  • Cloud Computing
  • Systeme zur Steuerung und Überwachung der vernetzten Objekte (Embedded Systems)
  • Robotik
  • Intelligente Logistiksysteme
  • Künstliche Intelligenz (KI)
  • Plattformen zur Fabriksteuerung

 

Internet of Things (IoT) & digitaler Zwilling

Um eine Smart Factory zu realisieren, muss sie mit all ihren Komponenten virtuell abgebildet werden. Hierzu erhalten alle Maschinen, Produkte und weitere Komponenten wie Werkzeuge oder Transportsysteme einen sogenannten digitalen Zwilling – also ein virtuelles Abbild. Damit der digitale Zwilling den aktuellen Zustand seines physischen Pendants widerspiegeln kann, ist eine Versorgung mit Echtzeitdaten notwendig. Diese werden mithilfe von Sensoren erfasst und über das Industrial Internet of Things (industrielle Internet der Dinge, IIOT) bereitgestellt.

Produkte und Maschinen, die via IoT vernetzt sind, können nicht nur Daten senden, sondern auch Befehle empfangen. Somit ist es über das IoT auch möglich, Produktionsanlagen zu steuern. Ausgeführt werden die Befehle über sogenannte Aktoren.

Kommunikationstechnologien

Um eine Kommunikation zwischen Produkten, Maschinen und übergeordneten Steuerungssystemen zu realisieren, benötigt die Smart Factory geeignete Kommunikationstechnologien. Diese können kabelgebunden oder drahtlos sein. In Betracht kommen aus heutiger Sicht beispielsweise folgende Kommunikationstechniken:

  • LAN
  • WLAN
  • Bluetooth
  • RFID
  • NFC
  • UWB
  • ZigBee
  • 5G

 

Bei der Auswahl einer Übertragungstechnologie spielen vor allen Dingen Zuverlässigkeit (Ausfallsicherheit), Performance, Kommunikationssicherheit, Umgebungsbedingungen und der konkrete Anwendungsfall eine Rolle.

Big-Data-Technologien

Durch die umfassende Vernetzung von Maschinen und Produkten entstehen in einer Smart Factory riesige Datenmengen (Big Data). Erschwerend kommt hinzu, dass es sich um verschiedenartige Datenformate und sowie auch unstrukturierte Daten handeln kann. Diese lassen sich mit herkömmlichen Methoden nicht mehr verarbeiten und auswerten. Vielmehr sind zu diesem Zweck moderne Big-Data-Technologien erforderlich. Hierzu zählen vor allem spezielle Datenspeicher und Datenbanken, die eine sehr performante Verarbeitung und Analyse großer Datenvolumina ermöglichen. 

Cloud Computing

Eine weitere wichtige Technologie für die intelligente Fabrik ist das Cloud Computing. Denn für viele Unternehmen ist es unwirtschaftlich und technisch zu komplex, die großen Datenmengen einer Smart Factory lokal zu speichern und zu verarbeiten. Zielführender ist es, die Daten in externen Rechenzentren spezialisierter Dienstleister auszulagern. Dort können auch IoT-Plattformen sowie die Steuerungs- und Überwachungssysteme von smarten Fabriken betrieben werden. Ein wesentlicher Vorteil von Cloud-Lösungen ist deren Skalierbarkeit. Dank dieser Eigenschaft können sie, anders als lokale Systeme, problemlos mit steigenden Datenmengen mitwachsen.

Systeme zur Steuerung und Überwachung der vernetzten Objekte
(Embedded Systems)

Embedded Systems sind Computer, Mikrochips oder Steuerungseinheiten, die in zahlreiche Objekte der Smart Factory eingebettet sind – etwa in Maschinen oder Roboterarme. Sie ermöglichen unter anderem einen Verbindungsaufbau zum Objekt. Ihre beiden Kernaufgaben sind das Sammeln und selbstständige Verarbeiten von Daten. Dies macht sie zu einer wichtigen Technologie im Hinblick auf Remote-Steuerung und Automatisierung.

Robotik

Roboter sind in der Industrie an sich kein Novum. Bereits heute tragen sie zur Automatisierung der Fertigung bei. Zudem unterstützen sie die Intralogistik. In der Fabrik der Zukunft werden Industrieroboter mithilfe künstlicher Intelligenz jedoch noch autonomer agieren und flexibler einsetzbar sein. 

Intelligente Logistiksysteme

In einer Smart Factory muss nicht nur die Fertigung automatisiert werden, sondern auch die Materialversorgung. Hierfür sind moderne, vernetzte und autonom agierende Logistiksysteme erforderlich. Neben Logistikrobotern, die verpacken, etikettieren, palettieren oder kommissionieren, sind dies beispielsweise fahrerlose Transportsysteme (FTS). Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit solcher Systeme sind geeignete Technologien für die Kommunikation, Ortung und Identifikation von Materialien, Zwischenerzeugnissen und Produkten.

Künstliche Intelligenz (KI)

Künstliche Intelligenz (KI) kann in der Smart Factory in mehrerlei Hinsicht genutzt werden. Beispielsweise ist sie in der Lage, den Ausfall von Maschinen mit Hilfe von Big-Data vorherzusagen und rechtzeitig Wartungsmaßnahmen anzufordern. Weiterhin ist davon auszugehen, dass KI in Zukunft ergänzend folgende Aufgaben übernehmen kann:

 

  • Die Durchführung von Qualitätskontrollen (Erkennung von Mängeln)
  • Die Vorhersage der Liefer- und Nachfragesituation mit entsprechender Anpassung der Produktionsplanung
  • Die Unterstützung von Robotern und Logistiksystemen
  • Das Erkennen von Verbesserungspotenzialen, Selbstoptimierung der Produktion und Logistik

 

Plattformen zur Fabriksteuerung

Um die Prozesse einer intelligenten Fabrik zu automatisieren, zu überwachen und bei Bedarf manuell eingreifen zu können, sind geeignete Planungs- und Steuerungssysteme erforderlich. Aus heutiger Sicht sind dies vor allen Dingen zwei Arten von Software:

 

  • Das ERP-System: Dieses ist zuständig für die Vernetzung der Produktion mit der Business-Ebene (z. B. Eingang von Kundenaufträgen, Materialbeschaffung bei Lieferanten, Lagermanagement).
  • Das Manufacturing Execution System: Es übernimmt Planung und Steuerung der Produktion, empfängt Aufträge, plant Ressourcen, meldet Fortschritte, orchestriert Qualitätskontrollen und etabliert eine Rückverfolgbarkeit.

 

Anwendungsbeispiele für eine Smart Factory

Die Idee der intelligenten Fabrik wird unter anderem in der Automobilindustrie verfolgt. So nahm Audi beispielsweise bereits im Jahr 2016 ein „smartes Werk“ in Mexiko in Betrieb. Gefertigt wird hier das Modell Q5, wobei nur rund 100 Mitarbeiter zum Einsatz kommen. Sie sind vorrangig für die Überwachung der Fertigungsprozesse aus dem Leitstand verantwortlich. An weiteren Standorten von Audi werden die Produktionsmitarbeiter von Technologien wie Big Data, Augmented Reality und künstlicher Intelligenz unterstützt. Darüber hinaus arbeitet der Automobilhersteller am Einsatz neuer automatisierter Transportsysteme, die sich mithilfe von Lasern eigenständig orientieren.

 

Dieses Beispiel und Projekte in anderen Branchen zeigen: Die vollständig autonome Smart Factory ist noch eine Zukunftsvision. Allerdings werden die relevanten Bestandteile Schritt für Schritt implementiert. Somit nähern sich Unternehmen sukzessive der Endausbaustufe der smarten Fabrik an.

Welche Vorteile hat eine Smart Factory?

Eine Smart Factory bringt zahlreiche Vorzüge für Unternehmen mit sich. Zu nennen sind insbesondere minimierte Produktionskosten und eine Optimierung der Abläufe. Dank intelligenter Vernetzung und Selbstorganisation sind smarte Fabriken zudem in der Lage, Fertigungsprozesse sehr individuell und flexibel zu modellieren. Dadurch entsteht die Möglichkeit, Kleinserien und Individualprodukte („Losgröße 1“) in einem Kostenrahmen zu produzieren, der in traditionellen Fabriken nur mittels Massenproduktion erreichbar ist.

Darüber hinaus hat die Smart Factory folgende Vorteile:

  • kürzere, stabilere und vorhersagbare Produktionszeiten
  • größere Liefertreue
  • höhere und gleichbleibende Produktqualität
  • geringere Kosten der Lagerhaltung
  • optimierte Beschaffungsprozesse
  • geringerer Personalbedarf
  • beschleunigte Umsetzung von Innovationen
  • schnelle Anpassung an veränderte Rahmenbedingungen
  • höhere Produktivität, Effizienz und Effektivität
  • geringere Ausfall- und Standzeiten

 

Inwiefern Unternehmen sich bereits in Richtung Smart Factory und Industrie 4.0 entwickeln, lässt sich mittels des Industrie 4.0 Maturity Index erörtern. Beim Industrie 4.0 Maturity Index handelt es sich um ein sechsstufiges Reifegradmodell. Dieses analysiert wichtige Fähigkeiten betreffender Unternehmen, welche dringend für digital vernetzte Abläufe benötigt werden. Dabei handelt es sich beispielsweise um Aspekte der Kultur- und Organisationsstruktur oder Informationssysteme.

Fazit

Insgesamt wird deutlich, dass Unternehmen erheblich von der Digitalisierung, Vernetzung und Automatisierung ihrer Produktion profitieren können. Der Weg zur Smart Factory in der Endausbaustufe ist jedoch noch mit einigen technologischen Hürden verbunden. So müssen moderne Technologien wie Konnektivitätslösungen, IoT-Plattformen und Big-Data-Anwendungen schrittweise erprobt und implementiert werden, um sich dem Ziel anzunähern. Dies wiederum erfordert Investitionen sowie einen grundlegenden kulturellen und strukturellen Wandel im Unternehmen. Dennoch dürfen sich Fertigungsbetriebe dieser Entwicklung nicht verschließen, da dies mittelfristig den Verlust der Wettbewerbsfähigkeit bedeuten könnte.

FAQ

Die wichtigsten Begriffe im Rahmen der Smart Factory erklären wir hier:

Eine Smart Factory ist eine Produktionsumgebung, die sich selbst organisiert. Fertigungsanlagen und Logistiksysteme sind maximal automatisiert. Alle Anlagen und Produkte sind vernetzt. Die Steuerung und Überwachung der Prozesse erfolgen anhand von Software (KI- und Big-Data-Anwendungen).

Eine Smart Factory kann die Produktionskosten erheblich senken. Gleichzeitig ist es möglich, schneller und flexibler auf Kundenanforderungen zu reagieren. Zudem lässt sich die Produktqualität durch das Ausschließen menschlicher Fehler steigern.

Die Realisierung einer Smart Factory ist mit enormen technologischen Herausforderungen verbunden. Alle Produktions- und Logistiksysteme müssen nahtlos miteinander vernetzt werden und in der Lage sein, Daten in Echtzeit miteinander auszutauschen. Dies erfordert hohe Investitionen und ist ein zeitintensives Vorhaben.

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