Smart Factory

1. Was ist eine Smart Factory?

Der Begriff „Smart Factory“ (deutsch: „Intelligente Fabrik“) bezeichnet eine hochmoderne Produktionseinrichtung, in der die einzelnen Maschinen, Geräte, Logistiksysteme und Produkte auf intelligente Weise miteinander kommunizieren.

Durch die weitreichende digitale Vernetzung laufen viele Prozesse in der Intelligenten Fabrik vollständig automatisiert ab. Gleichzeitig kann die Produktion flexibel an verschiedenste Faktoren angepasst werden, darunter z.B. Materialbestände und Kundenaufträge.

Auch die in einer Smart Factory tätigen Menschen erhalten im Idealfall Zugriff auf alle benötigten Tools und Daten, um zu jedem Zeitpunkt optimale Entscheidungen treffen zu können.

Grundvoraussetzung für den Aufbau einer Smart Factory ist die digitale Vernetzung der verschiedenen Produktionssysteme, Komponenten und Menschen. Vielerorts kommen dabei auch moderne Technologien wie Künstliche Intelligenz oder Augmented und Virtual Reality zum Einsatz. 

Die Smart Factory ist Teil des übergeordneten „Industrie 4.0“-Konzepts, welches erstmals 2011 im Zusammenhang mit der „Hightech-Strategie“ der Bundesregierung definiert wurde. Industrie 4.0 bezeichnet ein Großprojekt zur umfassenden Digitalisierung der industriellen Produktion. Die Smart Factory gehört zu den wichtigsten Zukunftszielen des Projekts (siehe auch Beitrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung).

2. Was sind die Vorteile einer Smart Factory?

Eine effektive Automatisierung und Individualisierung von Produktionsprozessen bietet Chancen auf entscheidende Wettbewerbsvorteile.

Bei der Intelligenten Fabrik stehen insbesondere die hohe Flexibilität und die Fähigkeit zur Selbstorganisation im Vordergrund. Die Notwendigkeit manueller Eingriffe wird dagegen weitestgehend minimiert. Dennoch ist der Mensch in einer Smart Factory keinesfalls überflüssig, sondern übernimmt wichtige Aufgaben im Hinblick auf die Überwachung, Steuerung und Optimierung der Produktionsprozesse.

In der Folge kann die smarte Produktion schneller und besser auf geänderte Kundenbedürfnisse, Turbulenzen in der Lieferkette oder andere Gegebenheiten reagieren als eine traditionelle Produktion. Im Folgenden gehen wir im Detail auf die wichtigsten Vorteile der Smart Factory ein.

Flexiblere und kundenorientiertere Produktion:
Eine Smart Factory erlaubt die flexiblere Produktion von Produkten, die stärker auf individuelle Kundenanforderungen zugeschnitten sind. Moderne Automatisierungstechnologie ermöglicht eine rentable Produktion selbst kleiner Produktmengen. Dadurch können diese Produkte zu wettbewerbsfähigen Preisen angeboten, die Bindung zu Kunden gestärkt und die Kundenzufriedenheit gesteigert werden.

Flexiblere Durchführung von Wartungen:
Die Vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) ist ein Kernbestandteil des Smart Factory-Konzepts. Dabei wird der ideale Wartungszeitpunkt einer Anlage durch die Auswertung relevanter Daten identifiziert. Auf diese Weise können Kosten für unnötige Wartungen gespart werden. Gleichzeitig lassen sich Defekte frühzeitig erkennen und negative Auswirkungen minimieren.

Big Data-Analysen zur Prozessoptimierung:
In einer Smart Factory fallen riesige Mengen an (Maschinen-)Daten an. Big Data-Anwendungen können diese Daten auswerten, Muster erkennen und Handlungsempfehlungen ableiten. Auf diese Weise können z.B. Maschinenausfälle vorhergesehen, potenzielle Fehlerquellen erkannt oder die Lagerverwaltung optimiert werden (siehe auch Prozessoptimierung).

Automatisierte Alarmmeldungen:
Durch das ständige Monitoring der gesamten Fabrik können auftretende Probleme sofort erkannt werden. Sollte ein menschliches Eingreifen erforderlich sein, können entsprechende Benachrichtigungen automatisch übermittelt werden. Darüber hinaus stehen in der Regel detaillierte Diagnosedaten von Sensoren und anderen Quellen zur Verfügung, die bei der Fehlerbehebung helfen.

Rückverfolgbarkeit einzelner Fertigungsschritte:
Mithilfe von Sensoren und IIoT-Technologie kann der Weg einzelner Produkte erfasst und ausführlich dokumentiert werden (transparente Produktion). Die dabei anfallenden Daten können nicht nur zur Identifikation von Defekten und Optimierungspotenzialen genutzt werden, sondern auch, um gesetzliche Informationspflichten zu erfüllen und Endkunden mit wertvollen Informationen über ein Produkt zu versorgen.

Just-in-time-Produktion:
Die digitale Vernetzung einer Smart Factory erstreckt sich in der Regel auch auf Zulieferer und Logistikpartner. Dies ermöglicht die Umsetzung einer Just-in-time-Produktion, bei der benötigte Materialien in Abhängigkeit von der Auftragslage in der benötigten Zahl und zum richtigen Zeitpunkt geliefert werden. 

3. Welche Technologien kommen in einer Smart Factory zum Einsatz?

Die Grundlage für jede Smart Factory bildet das Industrial Internet of Things (IIoT). Der Datenaustausch zwischen Maschinen, Geräten, Sensoren, Softwareanwendungen und anderen Systemen basiert fast immer auf internetbasierten Protokollen. Zu den wichtigsten Kommunikationsprotokollen in der Industrie zählen unter anderem die Standardprotokolle OPC UA und MQTT.

• OPC UA: OPC Unified Architecture (kurz: OPC UA) ist einer der wichtigsten Kommunikationsstandards für den herstellerunabhängigen Datenaustausch zwischen Maschinen und anderen Systemen in der Industrie. Mithilfe eines OPC Servers können die Daten von Maschinen auf einheitliche Weise für verschiedenste Anwendungen wie z.B. ERP-Systeme bereitgestellt werden.
• MQTT: MQTT ist ein ressourcensparendes Netzwerkprotokoll, welches insbesondere für die Kommunikation mit kleineren Geräten sowie die Datenübertragung in instabilen Netzwerken geeignet ist.

Der OPC Server von Kepware (KEPServerEX) ermöglicht mit mehr als 160 Treibern nicht nur die Anbindung sämtlicher Maschinen über OPC UA, sondern unterstützt mit seinem IoT Gateway auch die Protokolle MQTT und REST. Als zentrale Plattform für Konnektivität ermöglicht der KEPServerEX den lückenlosen Datenaustausch in einem Unternehmen. Zudem steht mit dem ThingWorx Kepware Server (TKS) auch eine Enterprise-Variante zur Verfügung, welche die volle Funktionalität des KEPServerEX beinhaltet und maximale Skalierbarkeit bietet. Mit dem cloudbasierte Management-Tool Kepware+ und dem TKS-Add-On OPC UA Gateway lässt sich die gesamte Kommunikations-Infrastruktur zentral und zeitsparend konfigurieren, verwalten und optimieren.

Auch Machine Learning und Künstliche Intelligenz spielen im Zusammenhang mit der Smart Factory eine wichtige Rolle. Maschinen, Sensoren und andere Systeme in einer Intelligenten Fabrik sammeln große Mengen an Daten, die über das IIoT übertragen (siehe oben) und auf automatisierte Weise ausgewertet werden können. Analysetools, die auf Machine Learning-Algorithmen und Künstlicher Intelligenz basieren, sind in der Lage, Muster in diesen Daten zu erkennen, Vorhersagen zu treffen und Handlungsempfehlungen abzuleiten.

Das Konzept des Digitalen Zwillings ist für die Smart Factory von großer Bedeutung. Ein Digitaler Zwilling bezeichnet die digitale Repräsentation eines realen, physischen Objekts, welche auf Daten über das physiche Objekt basiert. Digitale Zwillinge können verschiedene Formen annehmen und werden u.a. zur Überwachung, Fehlerdiagnose oder zu Testzwecken eingesetzt.

Auch Augmented Reality und Virtual Reality können in diesem Zusammenhang zum Einsatz kommen, um Menschen die Interaktion mit virtuellen Objekten zu ermöglichen.

Das Speichern und Verarbeiten großer Datenmengen wird durch Cloud Computing ermöglicht. Heutzutage können Cloud-Nutzer zwischen einer großen Zahl an Bereitstellungsmodellen und Lösungen auswählen. Eine auf die Produktion spezialisierte Cloud-Plattform wie manubes ermöglicht es Unternehmen, ihre Produktionsdaten sicher und zentral zu verwalten, in Echtzeit zu visualisieren und verschiedenste Produktionsprozesse über automatisierte Workflows zu steuern.

4. Die Smart Factory in der Praxis

Ab wann eine Produktionsumgebung als Smart Factory gilt, ist nicht klar definiert.

Für viele Unternehmen, die eine umfassende Digitalisierung (digitale Transformation) ihrer Produktion anstreben, gilt das in diesem Beitrag beschriebene Konzept der Smart Factory als ideale Zielvorstellung.

Ein Praxisbeispiel für eine fortgeschrittene Smart Factory ist die „Factory 56“ von Mercedes-Benz. Auf der Mercedes-Benz-Website erläutert das Unternehmen, wie Produktionskapazitäten in der „Factory 56“ flexibel erweitert werden können, Prozesse automatisiert ablaufen und die Vorausschauende Wartung (Predictive Maintenenance) eingesetzt wird, um Anlagenausfälle zu vermeiden. Zudem werden die Vernetzung mit Kunden sowie der Einsatz von Virtual Reality-Technologie zur Planung von Arbeitsumgebungen beschrieben.

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