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Industrie 4.0

IT-Symbiose in der smarten Fabrik

Die aus der Vision Industrie 4.0 geborenen Ideen umfassen die Smart Factory, in ihr produzierten Smart Products und die nachgelagerten produktbezogenen Smart Services. Damit stellen sich komplett neue Anforderungen sowohl an die Produktionssysteme selbst als auch an die zur Steuerung verwendeten IT-Systeme.

Weniger Konplexität durch Visualisierungen ist ein Ziel der Smart Factory. Bild: Psipenta Software Systems

Die Fähigkeit der Produkte zur Vernetzung im Internet der Dinge ermöglicht der Fertigungsindustrie produktbezogene Services auf eine neue Art und Weise. Ein Produkt definiert sich zukünftig nicht mehr nur durch seine physikalischen und technischen Eigenschaften sondern auch durch seine Repräsentanz und Aktivität im Internet der Dinge – auf seinem Weg durch die Produktionssysteme bis zu seiner Fertigstellung. Heutige Softwarelandschaften widerspiegeln die gegenwärtig übliche Trennung der verschiedenen IT-Systeme entsprechend ihrer, im Grunde willkürlich, zugeordneten Aufgaben. Eine Möglichkeit, diese Aufteilung zu beschreiben, stellt die Automatisierungspyramide dar. Die Unternehmensleitebene, meistens repräsentiert durch Enterprise Resource Planning-Systeme (ERP), stellt den Rahmen für die Auftragsabwicklung bereit. Diese Systeme sind überwiegend kaufmännisch geprägt. Die Abbildung des Werte- und Warenflusses vom Lieferanten durch die Produktion bis zur Lieferung und Abrechnung stehen im Vordergrund. Die Planung von Auftragssituationen erfolgt oft relativ grob hinsichtlich der Termine. Die Verfeinerung der Planung und die Berücksichtigung realer Produktionsparameter erfolgt in vielen Fällen auf der nächsten Ebene der hierarchisch organisierten Automatisierungspyramide – der Betriebsebene. Hier werden sogenannte Manufacturing Execution-Systeme (MES) genutzt. Diese Systeme sind sehr viel feingranularer in ihren Fähigkeiten zur Planung einer Produktion und sollen gleichzeitig dabei helfen, Vorgaben aus der Unternehmensebene durchzusetzen.

Schnittstellen in die tiefere Ebene, die Prozessleitebene, und die ERP-Welt vergrößern die Komplexität der Systemlandschaft. Software-Angebote, die ERP- und MES-Lösungen umfassen, können diese Komplexität deutlich reduzieren. Die Integration zwischen der Unternehmens- und der Betriebsebene lässt sich so vergleichsweise flexibel gestalten. Oft befindet sich zwischen der Betriebsebene und der Automatisierungstechnik eine weitere Ebene. Diese dient im Wesentlichen der Visualisierung von Maschinenzuständen. Diese als Scada-Systeme bezeichneten Lösungen sind maschinenbezogen und erlauben die Beeinflussung und Überwachung der aktuellen Betriebsparameter. Die Steuerungsebene wird durch die Automatisierungstechnik und die angeschlossenen Sensoren und Aktoren repräsentiert. Meistens besteht keine Verbindung zwischen den übergeordneten Planungssystemen und der Automatisierungstechnik. Systeme zur Erfassung von Maschinendaten schließen diese Lücke nur unvollständig, wenn die erhobenen Daten nicht auf den verschiedenen Planungsebenen genutzt werden.

IT-Systeme in der Smart Factory

Die Eigenschaften der Smart Factory und der in ihr gefertigten Smart Products erfordern ein neues Herangehen an die Planung und Steuerung des Produktionssystems. Die hierarchische und zentralistische Organisation ist mit der zunehmenden Dezentralisierung und Autonomie der Fertigungseinheiten nicht zu vereinbaren. Insbesondere Smart Products mit ihren aktiven Kommunikationsfähigkeiten stellen für heutige Systeme große Herausforderungen dar. Diese werden weit über die heutigen Anforderungen passiver Systeme wie RFID-Technologien hinausgehen. Es handelt sich hierbei um ein weiteres in die Systemlandschaft zu integrierendes IT-System. Es wird darum gehen müssen, die willkürlichen Systemgrenzen aufzulösen und eine ganzheitliche, alle Komponenten berücksichtigende, Produktionsregelung zu etablieren. Nicht nur Smart Products stellen neue Anforderungen an die IT der Fabrik von Morgen. Mehr hochentwickelte Sensoren werden Daten liefern, die in kontinuierliche Simulationen des Produktionssystems einfließen können.

Dieses virtuelle Abbild der Produktion wird die Vorhersage von Zuständen einerseits und die fortlaufende Überprüfung der Performance des Gesamtsystems andererseits erlauben. Es wird möglich sein, die Ergebnisse der Analytik für die automatisierte Regelung des Produktionssystems oder Teilen davon zu nutzen. Die Dynamik der wandlungsfähigen Fabrik wird die Integration aller beteiligten IT-Systeme erfordern. Die steigende Kommunikationsfähigkeit der Produktionsanlagen bildet eine weitere Komponente der Smart Factory. Die laufende Abstimmung der Material- und Warenflüsse wird auf Maschinenebene und unter Umständen zusätzlich unternehmensübergreifend stattfinden können oder sogar müssen. Dazu gilt es, robuste und sichere Kommunikationskanäle zu schaffen. Die Möglichkeit der Neukonfiguration eines Produktionssystems in Abhängigkeit vom Produktmix, der Anlagenverfügbarkeit und weiteren Parametern ist erst mit neuen Fähigkeiten der beteiligten IT-Systeme möglich. Diese Dynamik und die Kommunikationsfähigkeiten der Produkte und Maschinen müssen in Produktionssteuerung und -regelung abbildbar sein. Zukünftig wird sich vielleicht das Steuerungsmodell für die Automatisierungstechnik während der Neukonfiguration ableiten lassen.

Mit Standards zum Zusammenspiel

Nur das reibungslose Zusammenspiel aller Komponenten auf der Grundlage von flexiblen Standards wird die Umsetzung von Konzepten einer Smart Factory und Smart Services ermöglichen. Neue Geschäftsmodelle werden entstehen. Es kommt auf die Integration der Unternehmens-, Produktions- und Produkt-IT auf höherem Niveau als heute an. Die Aufgaben und mit ihnen die Verantwortlichkeiten werden neu gemischt. Der integrative und zugleich nicht einengende Ansatz ist mit der Symbiose unterschiedlicher Lebewesen in der Natur zu vergleichen. So wie es dort um den gegenseitigen Nutzen oder die Ergänzung fehlender Fähigkeiten geht, müssen sich die IT-Systeme in der Smart Factory ergänzen und quasi eine symbiotische Beziehung eingehen.

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