Industrie 4.0 (I 4.0) ist nun schon seit einiger Zeit ein Dauerbrenner – nicht nur in den Medien, sondern auch in den Leitungsebenen der Unternehmen. Dabei überraschend ist, dass es immer noch keine allgemein akzeptierte Definition gibt, wofür genau I 4.0 eigentlich steht.
Ein gemeinsamer Nenner lässt sich trotzdem in allen Antworten auf diese Frage ausmachen: I 4.0 ist der nächste Entwicklungsschritt in der industriellen Produktion; einer, bei dem die IT einen dominanten Einfluss hat. Aber was bedeutet das konkret?
Industrie 4.0: Ein evolutionärer Prozess
Die hier gegebene Antwort fußt auf der Überzeugung des Autors, dass I 4.0 keine Revolution ist, sondern eine Stufe in einem stetig fortschreitenden evolutionären Prozess darstellt. Dies lässt sich durch einen Rückblick auf die letzten 3 Jahrzehnte Produktionstechnik leicht beweisen. Einige Stichworte dazu sind der Einzug von SPSen in den Maschinen- und Anlagenbau, zuerst als zentral aufgebaute Steuerungssysteme, später erfolgt eine immer weiter voran schreitende, zuerst nur hardwareseitige Dezentralisierung über Feldbussysteme, dann die Vernetzung von Steuerungen untereinander; immer komplexere Automatisierungen (z. B. Zellen) mit übergeordneten Leitrechnern und eine wachsende Integration in der Anlagentechnik mit der Tendenz, alles miteinander zu vernetzen, was in Zukunft im Internet of Things münden soll. Möglich wurde diese Entwicklungskette dank des enormen Fortschritts in der Elektronik, Halbleitertechnik und Software, gekoppelt mit stetig sinkenden Kosten von IT-Komponenten.
Die Vision der „Smart Factory“
Diesen Entwicklungsprozess treibt eine schon lange existierende Idee in den Köpfen vieler Produktionstechniker an: Die Vision einer Fabrik, die den Menschen nicht mehr braucht, um alle möglichen Produkte in beliebiger Skalierung zu minimalen Kosten herzustellen und die sich flexibel selbst an ein beliebiges Produktionsprogramm anpassen kann.
Um es gleich vorweg zu nehmen: diese Vision wird wohl noch einige Zeit als Vision weiter existieren müssen, aber wir sind ihrer Verwirklichung im Laufe der Jahrzehnte ein gutes Stück näher gerückt. Was ist also heute schon möglich, nicht aus der Sicht der Wissenschaft, sondern aus der Sicht eines pragmatisch agierenden Unternehmens und wohin geht die Reise?
Hierauf eine für jegliche Art von Unternehmen allgemeingültige Antwort zu geben, ist wohl aufgrund der riesigen Bandbreite produzierender Unternehmen unmöglich. Wenn wir uns aber etwas fokussieren, z. B. auf Unternehmen mit Serienproduktion, fällt die Antwort schon leichter. Bei diesen Firmen kommen, abhängig von den zu produzierenden Stückzahlen und der Komplexität der Güter, in unterschiedlichem Umfang Automatisierungslösungen von geringer bis hin zu hoher Komplexität zum Tragen. Die Automatisierung ist eine wesentliche Basis der industriellen Produktion und auch die Grundlage für I 4.0.
MES-Bedarf mittelständischer Produktionsunternehmen
Heute nutzen viele Unternehmen in unterschiedlichem Umfang IT-Systeme im Bereich der Produktion. Oftmals sind es einfache, Excel-basierte Anwendungen, die für die unterschiedlichsten Aufgaben (Produktionscontrolling, QS, Planung, etc.) zum Einsatz kommen. Da viele von diesen Programmen jedoch unverknüpft nebeneinander existieren, erbringen sie nicht den maximalen Nutzen. Dieses Manko versucht der noch relativ junge Markt für MES (Manufacturing Execution System) zu beheben.
MES-Funktionen und aktuelle Einsatzgebiete
MES-Lösungen sind produktionsunterstützende IT-Systeme. Laut Begriffsdefinition besitzen sie eine breite Palette an Funktionen und führen die früher als eigenständige Programme implementierten MDE-, BDE-, DNC- oder Planungslösungen in einer Applikation zusammen. Somit entfallen Schnittstellen, wodurch ein problemloser Datenaustausch zwischen den Modulen möglich wird.
Eine MES-Lösung ist immer ein individualisiertes System, weil es die individuellen Anforderungen der Produktion erfüllen muss. Standardsysteme erreichen diese Anpassbarkeit durch ein hohes Maß an eingebauten Konfigurationsmöglichkeiten. Verglichen mit diesen standardbasierten Systemen scheiden Individuallösungen in den meisten Fällen aufgrund überproportionaler Kosten aus. Ein weiterer Nachteil ist, dass jede Weiterentwicklung des Systems mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.
Heute erfüllen MES-Lösungen viele Funktionen. Sie sorgen für Transparenz in den Prozessen und beschleunigte Prozessabläufe durch schnellere Informationsflüsse. Sie unterstützen die Mitarbeiter durch stets aktuelle Instruktionen und Informationen an ihren Arbeitsplätzen. Sie übernehmen die Ablaufplanung, unterstützen präventiv und operativ die Instandhaltung, schaffen die Datenbasis für eine lückenlose Rückverfolgbarkeit, binden die QS ein, überwachen durch Energie-Monitoring die Verbräuche, um nur einige der wichtigsten zur Verfügung stehenden Funktionen zu benennen.
Das E in MES: der Einfluss von Industrie 4.0
Während MES-Lösungen zurzeit überwiegend als „Informations“-Systeme die Mitarbeiter unterstützen, verlagert sich ihre Funktionalität durch die fortschreitende Entwicklung von I 4.0 dahin, dass ihre Rolle als ausführendes System (Execution – das E in MES) immer mehr Gewicht bekommt. Dieser Schritt bedingt, dass MES und Maschinen immer stärker vernetzt werden. Das bedeutet für die Zukunft, dass die MES-Lösung nicht mehr per DNC und Prozessmeldungen mit der Maschine kommuniziert, sondern sie auch steuert und dementsprechend in die Maschinensteuerung eingreift.
Industrie 4.0 = Verkettung der gesamten Produktion
Allerdings ist für effiziente Prozesse dieser Schritt allein nicht ausreichend. Erforderlich ist die komplette Vernetzung in der gesamten Produktion, also nicht nur die Einbindung der Maschinen und Anlagen, sondern auch weiterer prozessgebundener Betriebsmittel und die Einbindung und Steuerung des Prozess-verkettenden Materialflusses. Bisher haben Zellenrechner solche Aufgaben in kleinerem Umfang erfüllt, in I 4.0 ist nun allerdings die gesamte Produktion betroffen.
Bedingt durch diese Entwicklung zeichnet sich eine wesentliche Herausforderung ab: die bei diesem integrativen Ansatz bestehende Vielzahl an Schnittstellen. Sie lässt sich operativ und unter Kostenaspekten nur durch Standardisierungen lösen. Das erfordert nicht nur die Schaffung von Normen, sondern auch ein Umdenken bei den Anlagenbauern und Maschinenlieferanten, da diese so der gefürchteten Austauschbarkeit ihrer Produkte gefährlich nahe kommen. Mit OPC-UA ist hier eine Basis entstanden, die aber nicht mehr als nur eine allgemeine Kommunikationsgrundlage schafft. Denkt man weiter in Kategorien von Plug & Play, müssen auch inhaltliche Standards folgen, ähnlich den Applikationsprofilen bei Profibus, welche wiederum bei der Breite der Anwendungen eine große Herausforderung darstellt. Der darauf folgende Schritt wäre der Austausch relevanter Informationen in Echtzeit über Unternehmensgrenzen hinweg, also die Anbindung aller an einem Produkt beteiligten Lieferunternehmen in das Produktions-Informationssystem. Da viele Unternehmen Zulieferer und Abnehmer für viele andere Produktionsunternehmen sind, liegt der Gedanke nah, dass schlussendlich ein komplett vernetztes Produktionsnetzwerk aller produzierenden Unternehmen entstünde.
Wer nach Industrie 4.0 strebt, muss MES als Grundlage nutzen
Kehren wir zurück in den gewöhnlichen Produktionsalltag, ist allerdings festzustellen, dass viele Unternehmen noch einen weiten Weg zurücklegen müssen, denn bei etlichen kleinen und mittelständischen Betrieben ist heute noch keine MES-Lösung im Einsatz. Diesen Unternehmen ist schon aus Kostengründen anzuraten, zügig den ersten Schritt in die neue Welt zu tun. Mit der Maschinen- und Betriebsdatenerfassung als Komponente einer ausbaufähigen MES-Lösung verschafft sich das Unternehmen eine Transparenz, die rasch Kostensenkungen und Produktivitätssteigerungen ermöglicht. Wer erfolgreich diesen ersten Schritt gegangen ist, ist schnell bereit, die nächsten Schritte folgen zulassen. Welcher Schritt genau ist i.d.R. davon abhängig, wo nun der Schuh am meisten drückt. So kann jetzt z. B. auf der Basis solider Daten aus der Produktion die Planung mithilfe einer manuellen, halb- oder vollautomatischen Feinplanung verbessert werden. Bei einigen Zulieferern ist auch Traceability ein sinnvoller Schritt zur Qualitätsabsicherung bzw. –steigerung. Instandhaltung und Energie-Monitoring können unterstützend zu weiteren Effizienzsteigerungen führen.
Wenn auf diese Weise Schritt für Schritt die IT-Seite der Produktion aufgebaut worden ist, kann in der nächsten Stufe näher an die Maschinen gekommen und Prozessdaten, Prozessverriegelungen, DNC und QS-Integration realisiert werden.
Industrie 4.0 ist ein situationsbedingtes Ziel
Bei den meist mehrstufigen Produktionsprozessen führt jetzt die Verkettung aller Prozessschritte durch eine Erweiterung des MES zum Einstieg in I 4.0. Natürlich ist es oft vor allem eine Frage der produzierten Stückzahlen, ob sich eine physikalische Verkettung über automatisierte Materialfluss-Systeme rechnet, oder ob andere Wege geeigneter sind. Waren bislang meist starre Verkettungen das Mittel der Wahl, geht Industrie 4.0 eher in die Richtung der flexiblen Verkettung. Alle Maschinen und Arbeitsplätze sind dann untereinander verkettet, die unterschiedlichen zu produzierenden Produkte folgen bis zur Fertigstellung aber ihren individuellen Routen. Bei sehr rüstflexiblen Maschinen und Anlagen, wäre die daraus resultierende Idealvorstellung, alle Produkte im Mix fertigen zu können. Ob das überhaupt sinnvoll und erreichbar ist, ist sicher auch eine Frage der Breite der Produktpalette in der Produktion.
In noch weiterführenden Ansätzen von I 4.0 werden jetzt die Engineering-Prozesse und die Produktionsabläufe enger verzahnt. Das geht bis hin zum Web-Shop, in dem der Kunde seine „individuelle Produktvariante“ selbst designt. Und all das ist heute schon möglich, wenn auch noch die seltene Ausnahme.
Bleiben wir auf dem Boden der Alltagswelt produzierender Unternehmen, so bedeutet I 4.0 zuerst einmal den verstärkten Einsatz von IT in der Produktion – sprich MES. Darauf folgt, das „E“ in MES wirksam umzusetzen: Execution bis hinunter auf die Steuerungsebene.
Schlussendlich sei noch gesagt, dass Industrie 4.0 einen sehr umfangreichen Ansatz darstellt, der ein behutsames Vorgehen in gesetzten Schritten erfordert, damit das Ganze nicht scheitert. Und Ausdauer ist hierbei eine Kardinaltugend.
