Smart Factory in der Industrie 4.0

von | 13. November 2020 | Branchen, Grundlagen

In den 1990er Jahren wurden die ersten Versuche, eine vernetzte Produktionsstraße zu realisieren, gestartet. Diese Prototypen einer vernetzten Produktion waren allerdings noch sehr fehleranfällig. Sobald zwei miteinander vernetzte Komponenten nicht auf demselben Informationsstand waren, führte dies schnell zu Fehlermeldungen und zum Produktionsstop. Der Entwicklungsstand der Industrie 4.0 ist mit diesem frühen Stadium der Vernetzung kaum mehr vergleichbar. 

Im Zeitalter des Internet der Dinge und Cloud Computing, gehören diese Kinderkrankheiten der Vergangenheit an. Heute ist es möglich, nahezu alle Bestandteile in einer Fabrik zu digitalisieren und miteinander zu vernetzen. 

Was ist die Smart Factory?

Die Smart Factory ist das Herzstück der Industrie 4.0. Sie stellt eine Produktionsumgebung bei Fertigungsanlagen und Logistiksystemen dar, die sich selbst organisiert. Der Mensch muss im Produktionsprozess nicht mehr eingreifen. Die Kernkomponenten der Smart Factory in der Industrie 4.0 sind Cyber Physical Systems sowie die intelligente Vernetzung. Das Produkt teilt dabei die für die Herstellung benötigten Informationen der Smart Factory selbst mit.  

Dadurch wird das Internet of Things zum zentralen Bestandteil der Kommunikation zwischen Produkt und Anlage. Die vernetzten Dinge in einer Smart Factory können kontextrelevante Informationen erfassen, speichern und bereitstellen. Damit wird es einem Werkstück möglich einer Maschine, einer Anlage oder einem Mitarbeiter darüber Auskunft zu geben, welchen Bearbeitungsstand es erreicht hat und was die nächsten, notwendigen Schritte sind.

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Die Rolle der Daten in der Smart Factory

In der Fabrik der Zukunft spielen Daten eine zentrale Rolle. Der gesamte Fertigungsprozess lässt sich digital abbilden und in Echtzeit auswerten. Ein datenzentrierter Ansatz geht idealerweise mit einer Cloud-Lösung einher. Cloud-Lösungen erlauben den Aufbau eines schnellen, dezentralen Netzwerks, das für hohe Effizienz und barrierefreien Zugriff sorgt. Der Zugriff auf alle relevanten Daten ist von jedem Ort der Fabrik gewährleistet. So basieren Entscheidungen immer auf der aktuellen Datenbasis. 

Darüber hinaus sorgen Big Data– und Machine-Learning-Lösungsansätze dafür, dass Fertigungsprozesse permanent optimiert, Qualitätsstandards erhöht werden und die Zuverlässigkeit und Auslastung aller am Prozess beteiligten Maschinen und Anlagen optimal ist (Predictive Maintenance). 

Die Funktionsweise einer Smart Factory 

Im Vergleich zu einer herkömmlichen Fabrik verfügt eine Smart Factory über eine Reihe von Vorteilen. Da Ort und Zustand jedes einzelnen Bestandteils im Detail und in Echtzeit überprüft werden kann, steigt 

  • die Effizienz der Produktion, 
  • die Verlässlichkeit, da die Planung auf validen Daten basiert, 
  • die Qualität der Produkte und
  • gleichzeitig sinkt die Zahl der Produktionsfehler.

Anlagenbauer werden ihre Maschinen nicht mehr vor Ort warten müssen, sondern dank Predictive Maintenancedie Diagnosedaten via Internet auswerten und Fehler auf diesem Wege teilweise beheben können. Gleichzeitig wird die Auslastung aller in einer Smart Factory vernetzten Anlagen transparent gemacht. Das erleichtert die Einsatzplanung und steigert die Verlässlichkeit. Insbesondere der Einsatz von Machine Learning eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie 4.0. 

Die Vernetzung von Objekten im Detail

Die Entwicklung des Internet der Dinge begann nach der Jahrtausendwende. Die erste Generation vernetzter Geräte, hauptsächlich PCs und Laptops, diente bis zu diesem Zeitpunkt hauptsächlich dazu, Menschen miteinander zu vernetzen. 

Bereits zwischen 2008 und 2009 gab es weltweit mehr vernetzte Dinge als Menschen auf der Erde. Die ersten Dinge, die miteinander vernetzt wurden, waren Smartphones, Laptops und Computer. Doch schon bald wurden immer mehr alltägliche Dinge wie intelligente Thermostate, Fernsehgeräte und Produktionsstraßen mit Mikroprozessoren, Sensoren und Interfaces ausgestattet. Der Schätzung von Gartner zufolge standen 2017 7,5 Milliarden Menschen 8,4 Milliarden vernetzten Geräten gegenüber. 

Die Welt der vernetzten Dinge ist enorm vielfältig und ebenso komplex sind die Anforderungen, die in der Industrie 4.0 an die Produktion, die Logistik oder die Produkte selbst gestellt werden. Die Vernetzung der Dinge muss dieser Komplexität gerecht werden. Aus diesem Grund gibt es eine ganze Reihe von unterschiedlichen Technologien, die zur Vernetzung verwendet werden. 

Sensoren können beispielsweise die Temperatur, Druck oder Vibrationen innerhalb von Maschinen und Fahrzeugen auf Bauteilniveau messen. Ergänzend dazu gibt es miniaturisierte Funkchips (RFID, iBeacon-Technologie), dank denen Werkstücke und Produktionsmaschinen miteinander kommunizieren können. Dadurch können Lagerbestände verkleinert sowie die Effizienz der Produktion optimiert und gesteigert werden. 

Die Vorteile der Vernetzung

Diese Entwicklung zeigt, dass der digitale Wandel längst nicht mehr nur technische Geräte wie PC, Laptop oder Smartphone betrifft. Laut der Definition des Münchner Kreises kann nahezu jedes analoge Objekt eine digitale Transformation erleben, indem es mit Sensoren, Mikroprozessoren oder anderen technologischen Komponenten ausgestattet wird. 

Um die Verfügbarkeit der Arbeitswerkzeuge zu garantieren, vernetzen beispielsweise Hersteller wie Kärcher oder Hilti standardmäßig alle von ihnen produzierten Maschinen. So können diese zu jeder Zeit geortet werden, Informationen über ihren Zustand abgerufen und zugleich vor Diebstahl oder Verlust gesichert werden. 

Wie die Smart Factory die agile Produktion ermöglicht 

Entgegen der immer wieder geäußerten Befürchtung wird sich die Smart Factory nicht dadurch auszeichnen, dass in menschenleeren Hallen alle Prozesse automatisch ablaufen. Vielmehr muss die Fabrik der Zukunft so konzeptioniert sein, dass sie die perfekte Arbeitsumgebung für agile Geschäftsmodelle liefert. 

Die Innovationszyklen werden immer kürzer und die Märkte im gleichen Zuge immer diversifizierter. Darum ist es in Zukunft entscheidend, schnell auf neue Entwicklungen reagieren zu können. Auch Kunden erwarten immer häufiger, dass individuelle Wünsche realisiert werden. Die Smart Factory liefert die Voraussetzung dafür. Mehr noch: In der Fabrik der Zukunft lassen sich hochkomplexe und teilweise individualisierte Produkte in geringen Stückzahlen auf industriellem Niveau produzieren. 

Industrie 4.0 und die Folgen für die Unternehmen 

Bis zu einem gewissen Grad ist das Internet of Things schon längst Realität und die Industrie 4.0 entsprechend keine ferne Zukunftsvision. Auf Basis der verschiedenen Netzwerk-Technologien führte die digitale Vernetzung zu einer umfassenden Vernetzung von Kunden, Unternehmen, Fabriken, Produkten, Materialien, Logistik und Dienstleistern. Entscheidend bei der Beurteilung dieser Entwicklung ist das rasante Wachstum der Vernetzung: Dieses nimmt exponentiell zu und betrifft alle Bereiche der Wirtschaft. 

Die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen wird in Zukunft entsprechend stark davon abhängen, ob sie die Vorteile aus der Vernetzung zu nutzen wissen. Denn je stärker die Welt miteinander vernetzt ist, umso wichtiger wird es sein, einen Teil dieses vernetzten Ökosystems zu sein. In anderen Worten bedeutet das, dass Datenkompetenz zum Schlüssel für ökonomisches Wachstum wird. 

Die Anforderungen in der Industrie 4.0 

Durch die Vernetzung steigen und verändern sich die Anforderungen an die Mitarbeiter (Data Roles & Data Skills, Data Governance) und die Entscheider in Unternehmen (CDO). Viele der Vorteile, die sich durch eine digital vernetzte Produktion und Distribution ergeben, gehen mit neuen Herausforderungen einher, denen sich Unternehmen und auch die Politik stellen müssen. Denn einerseits bringt die Industrie 4.0 eine größere Produktvielfalt mit sich, andererseits erhöhen sich die Anforderungen und das technische Know-how an jeden einzelnen Mitarbeiter. 

Im Ausbildungs- und Studiensystem haben sich in den letzten Jahren insbesondere die interdisziplinär angelegten Bildungswege herausgetan. „Bei Industrie 4.0 wird vor allem das Wissen aus den Bereichen Informatik sowie den Ingenieurwissenschaften Maschinenbau und Elektrotechnik benötigt“, sagt Jörg Friedrich, Leiter der Abteilung Bildung beim VDMA. In allen Bereichen der Industrie 4.0 ist eine gesteigerte Datenkompetenz erforderlich, ohne die das ganze Potenzial der Vernetzung nicht ausgeschöpft werden kann. 

Die vollständig vernetzte Produktion wird zum neuen Standard in der Industrie werden. Die Grenzen zwischen IT und Produktion werden dadurch in Zukunft zunehmend aufgelöst und zu einer neuen Form des Wirtschaftens zusammengeführt. 

Die Smart Factory als Smart Building 

Die Fabrik der Zukunft ist auf größtmögliche Effizienz und Konnektivität optimiert. Darum muss das Gebäude selbst, aus dem eine Smart Factory besteht, den höchsten technologischen Ausbaugrad aufweisen. Da die Betriebskosten von industriellen Fertigungsanlagen einen erheblichen Teil der Fixkosten ausmachen, spielt beispielsweise das Gebäudeenergie-Management eine zentrale Rolle.

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Um die industrielle Produktion attraktiver zu machen, ist die Smart Factory darum als „Smart Building“ konzeptioniert. Räume oder Gänge, in denen sich keine Menschen aufhalten, sind auch nicht beleuchtet. Sobald ein Sensor jedoch Bewegung registriert, geht automatisch das Licht an. Auch der Energiebedarf lässt sich anhand mehrerer Faktoren steuern. Eine am Gebäude installierte Wettermessstation und ein intelligentes, lernendes System prognostiziert in Abhängigkeit von der Wetterentwicklung und den geplanten Schichten die optimale Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit. 

Kollaborative Systeme von Mensch und Maschine 

Auch wenn es um intelligente Maschinen innerhalb der industriellen Fertigung geht, gehen viele Vorstellungen in die Richtung der rein maschinellen Massenproduktion, die ohne den Menschen auskommt. Die Fabrik der Zukunft funktioniert diesbezüglich jedoch anders. Zwar wird es Systeme geben, die autonom funktionieren. Aber der eigentliche Vorteil der Smart Factory besteht darin, dass intelligente Maschinen mit Menschen zusammenarbeiten können. Gerade dadurch lassen sich Vorteile realisieren. 

Umrüstungen in der laufenden Produktion, Anpassungen an individuelle Kundenwünsche und komplexe Montagevorgänge können erst durch die Kollaboration von Mensch und Maschine realisiert werden. Zudem sind Fertigungsmethoden, die Künstliche Intelligenz nutzen, auf das Feedback von Menschen angewiesen. KI-Systeme können bestimmte Lösungen vorschlagen, benötigen aber die Rückmeldung bzw. Überprüfung durch Menschen, um ihren Zweck gut erfüllen zu können. 

Bei der Smart Factory ist es ein Stück weit so wie beim autonomen Fahren. Zwar gibt es auf KI basierende Fahrassistenzsysteme, allerdings benötigen diese den Fahrer hinter dem Lenkrad, um im Notfall eingreifen zu können. 

Fazit 

Die Grundlage für die industrielle Produktion sind Data Science und intelligente Systeme. Die Smart Factory ist der Ort, an dem sie stattfinden wird und ist kein in sich geschlossenes System. Durch Technologien wie Virtual Reality oder Mixed Reality ist die Smart Factory entweder mit Kunden, Herstellern, anderen Standorten oder Zulieferern vernetzt. Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über die Einsatzmöglichkeiten von Virtual und Augmented Reality

Durch diese enge Verzahnung und die digitale Vernetzung bildet die Smart Factory in der Industrie 4.0 einen Bestandteil einer agilen Strategie eines Unternehmens bzw. unterstützt diese. Die Smart Factory selbst wird damit ein Ausdruck für die Unternehmenskultur, Werte und die Geschäftsmodelle von Unternehmen. Die Gestaltung des Gebäudes reflektiert dies und durch Künstliche Intelligenz und Machine Learning werden zugleich ein reibungsloser und optimierter Ablauf garantiert. Die Smart Factory wird damit zum Nukleus der Industrie 4.0 und zum Symbol der Arbeitswelt der Zukunft. 

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