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Fabrik der Zukunft

August 04, 2020

Fabrik der Zukunft

Industrie 4.0, Smart Factory, Digital Factory, Connected Enterprise, Fabrik der Zukunft, Shopfloor-ERP-Integration, IT/OT-Konvergenz, IIoT und Digitalisierung sind fast synonym verwendbare Begriffe oder unterscheiden sich ihrer Bedeutung nur sehr leicht voneinander.

Es handelt sich dabei um die Verknüpfung der Produktionsprozesse und -abläufe mit Unternehmenssystemen, um mehr Produktivität, Effizienz und neue Kapazitäten aufgrund der Technologie-Nutzung und mit weniger Personaleinsatz zu sichern:

  • Ausführung aller manuellen Tätigkeiten mit Hilfe von Robotern, SPS, Fördersystemen, Sensoren, FTS und Maschinen im Allgemeinen. Der Automatisierungsgrad dieser physischen Tätigkeiten hängt von der finanziellen Durchführbarkeit, den Mitarbeiter-Kompetenzen, der technologischen Ambition des Unternehmens, der Risikobereitschaft, der Prozesskomplexität und dergleichen ab.
  • Systematische Datenerfassung: automatisch, papierlos, lückenlos.
    • Dashboards und handlungsrelevante Berichte, die auf allen Betriebsebenen in Echtzeit zugänglich sind.
    • Verwendung von Daten zur Generierung von Informationen/Wissen, um Prozesse, ihre Qualität und ihren Ablauf sowie die Integration innerhalb unterschiedlicher Prozesse besser, einfacher, schneller und kostengünstiger zu gestalten.

Exhibit A dient zur Erklärung der Automatisierung und Digitalisierung in der Fertigung. Zunächst einmal eine allgemeine Erläuterung zu diesem 5-Komponenten-Diagramm.

TEIL A: FERTIGUNGSBEREICH

Hier wird das Produkt hergestellt. Die SPS/PC/PAC bildet dabei den zentralen Punkt (SPS = speicherprogrammierbare Steuerung (engl. PAC); PC = Personalcomputer; PAC = programmierbare Automatisierungssteuerung). All diese Begriffe werden im Folgenden allgemein als SPS bezeichnet.

Die SPS ermöglicht die Steuerung der physischen Welt – beispielsweise Prozessabläufe, Prozesssteuerung im geschlossenen Regelkreis (einschließlich einzelner Prozessschritte: Handling, Inspektion, Formen, Schneiden, Verpacken, Stanzen usw.) – durch logische Steuerung unterschiedlicher Betriebsmitteln/Technologien wie Förderanlagen, Sensoren, Roboter, RFID, optischer Prüfsysteme, mechanischer Systeme, Maschinen etc.

Die SPS stellt außerdem eine Verbindung zum HMI/SCADA-System her, um visuelle Informationen in Echtzeit anzuzeigen - KPIs, Alarmmeldungen, Diagramme, Visualisierungen der Maschinen, Shopfloor-Status, Produktinformationen usw. aus der SPS oder aus den Datenbanken. (HMI/SCADA ist ein äußerst wichtiges Instrument zur Unterstützung von Aufsichtspersonal, Technikern und Maschinenführern in der Produktion. Wie eine Art Fenster bietet dieses Visualisierungstool alle digitalen Informationen, die für die Produktion erforderlich sind.)

Die SPS kann außerdem so programmiert werden, dass Informationen in eine Datenbank geschrieben und Informationen aus einer Datenbank abgerufen werden können. Nicht alle Daten aus der SPS müssen im SCADA angezeigt werden, sie können in einer Datenbank für zukünftige Nutzung gespeichert oder verworfen werden. Sie kann zudem Daten aus verschiedenen Quellen wie Software von Drittanbietern, MES, ERP oder Analytics-Tools beziehen.

TEIL B: FERTIGUNGSDATENBANKEN

Die Fertigungsdatenbanken erfassen anhand von SPS Informationen aus dem Fertigungsbereich, die unter anderem Prozessparameter, Alarme, Maschinenstatus, Sensordaten betreffen. Sie können zudem Informationen sammeln, die durch Bediener in HMI/SCADA-Systeme eingegeben werden. Die meisten dieser Backend-Daten können als ein Informations-Feed für das Frontend, also MES, verwendet werden.

Ferner können Informationen aus den MES- und ERP-Systemen übernommen und in die Produktionsdatenbanksysteme eingegeben werden, die entweder als logische Grundlage für einen Prozess dienen oder im SCADA angezeigt werden.

Diese Datenbanken für die Produktion enthalten alle:

  • Prozess- und Produktinformationen - Sensordaten, Bildmaterial, Parameter, Rohstoffe, Rezepte, Routing-Informationen zum Produkt sowie Richtlinien
  • Mitarbeiterinformationen bezüglich der ausgeführten Tätigkeit, des Trainingsniveaus, der Login-Berechtigung - Inspektoren, Techniker, Gruppenleiter und Vorgesetzte
  • Maschinen- und Systeminformationen - Durchlaufzeiten, Ausfallzeiten, Alarme, Vorfälle, Kapazitätsengpässe, Störungen, Blockierungen, Wartungsverlauf.

TEIL C: MES UND ERP

MES und ERP sind spezielle Anwendungen zur Bereitstellung von Echtzeit- oder historischen Informationen. Der eigentliche Zweck der Software, die schlanke Prinzipien anwendet, ist die Vereinfachung der Arbeitsabläufe und die Reduzierung des manuellen Arbeitsaufwands.

Ein MES ist bekanntlich stärker auf Fertigungsaspekte ausgerichtet, die zur effizienten und korrekten Produktherstellung unter Anwendung aller notwendigen Daten zur Überwachung von Leistungsfähigkeit, Konformität, Qualität, Geschwindigkeit usw. beitragen. So sind in einem MES folgende Bereiche abgedeckt: WIP-Tracking, Maschinen-Auslastung, APS, Leistungsüberwachung, Personalmanagement, Qualitätsmanagement, Wartungsmanagement.

Die ERP-Systeme hingegen sind vielmehr auf die Unterstützung bei der Bewältigung betriebswirtschaftlicher Aufgaben in einem Unternehmen ausgerichtet. Die Module umfassen typischerweise folgende Bereiche: Finanzwesen, HR, Einkauf, Lagerbestand, Vertrieb, Vorausplanung (Forecasting), Planung und Kundenbetreuung.

Entscheidend ist, dass es eine Schnittstelle zwischen MES und ERP-System gibt, so dass die Informationsflüsse miteinander verknüpft werden, um die Effizienz und Produktivität zu verbessern und Fehler zu reduzieren. Diese Schnittstelle ermöglicht auch die Verknüpfung der Fertigung mit dem gesamten Betrieb, um einen unternehmensweiten Überblick und eine bessere sowie fundierte Entscheidungsfindung zu ermöglichen, sodass mehr Effizienz, Produktivität und weniger Fehler möglich sind.

Ebenso könnten auch andere relevante Drittanbieter-Systeme, wie Anwesenheits-, Trainings- sowie präventive Wartungssysteme mit MES und ERP, integriert werden, sofern sie nicht bereits integrierter Bestandteil dieser Anwendungen sind.

TEIL D: DATEN UND DATENANALYTIK

Zunächst müssen Anforderungen an das Rechenzentrum (Server, Speicher und Netzwerk), das Maschinen mit der Software verbindet, definiert werden. Anhand von der Software werden Daten erfasst, gespeichert und alle anderen Elemente, wie Steuerungen, SCADA, MES, ERP und Analytics, bedient. Die Entscheidung für das Hosting dieser Infrastruktur vor Ort oder durch einen Cloud-Computing-Anbieter oder eine Kombination aus beiden hängt von den Anforderungen hinsichtlich der verfügbaren Investitionsmittel, Skalierbarkeit, Geschwindigkeit, Rechenleistung, Verfügbarkeit, Sicherheit, Redundanzen, Desaster Recovery usw. ab.

Das richtige Datenformat, fehlerfreie Daten und die passende Datenebene sind für eine erfolgreiche Datenauswertung ausschlaggebend.

Die SPS sowie die einzelnen MES-Module erfassen also Produktionsdaten und die ERP-Systeme - die Unternehmensdaten.

Nachdem diese Daten auf allen Ebenen aufbereitet und in einen Kontext eingeordnet werden, können innerhalb und zwischen allen Ebenen neue Informationen ermittelt, Muster erkannt und Transparenz hergestellt werden. Die Datenanalyse-Tools reichen von einem einfachen Excel, den Business-Intelligence-Tools, wie Tableau und QlikView, bis hin zur künstlichen Intelligenz, Mustererkennung sowie den kognitiven Tools.

Anhand dieser Daten können die Steuerungssysteme neu trainiert, Prozesse überarbeitet oder Personal anhand dieser neu gewonnenen Informationen geschult und effizienter organisiert werden. Auf diese Weise entsteht eine Endlosschleife, in der Systeme auf der Grundlage dieser Daten kontinuierlich lernen und so autonom und adaptiv werden.

TEIL E: FERTIGUNGS-APPS

Die zentrale Idee hier ist papierlose Abwicklung: Prozessaudit (auf Papier) mit der anschließenden Erstellung von Anwendungen in Form von Dashboards, trendbezogenen Echtzeitdaten, Berichten, visueller Anzeige der Fabrik, Warnmeldungen zu Produktionszahlen, Wartung, PMs, Stillstandzeiten, Lieferverzügen, Engpässen und beeinträchtigten Prozessen durch fehlende Downstream-Ressourcen, E-Trainings, E-Dokumentation, E-Mitarbeitereinstellung, E-Audit. Im Grunde alles, was der Verbesserung der Leistungsfähigkeit, Reaktionsfähigkeit und Produktivität dient.

Folgende Themen werden in meinen weiteren Beiträgen erläutert:

  • Business Case für Automatisierung / Digitalisierung; Nutzeffekte der Automatisierung / Digitalisierung
  • Notwendige Schritte und der Weg zur Automatisierung / Digitalisierung
  • Schlüsseltechnologien für Automatisierung / Digitalisierung
  • Organisation und Kompetenzen für Automatisierung / Digitalisierung

Die englische Originalversion dieses Artikels von Amit Agarwal (veröffentlicht am 15. Juli 2020) finden Sie hier.


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by Julie Fraser, Iyno Advisors
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