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Meilensteine zur Smart Factory

Die reaktionsfähige Fabrik

Der Erfolg der vierten industriellen Revolution hängt maßgeblich davon ab, wie flexibel und wandelbar Fertigungsbetriebe sind. Zahlreiche Werkzeuge auf der Basis von Industrie 4.0-Technologie helfen Betrieben schon heute dabei, diese Ziele zu erreichen. Es geht um die erforderliche Reaktionsfähigkeit, den eigenen Kunden das überzeugende Paket anbieten zu können. Doch was verbirgt sich hinter dem Begriff Reaktionsfähigkeit und welche Voraussetzungen müssen dafür geschaffen werden?



Bild: MPDV Mikrolab GmbH

Weder eine Industrie 4.0 noch eine Smart Factory lässt sich über Nacht realisieren. Benötigt wird vielmehr eine wohldurchdachte Roadmap. Um Fertigungsbetrieben eine Orientierungshilfe bei ihrer digitalen Transformation zu bieten, hat der Hersteller von Manufacturing Execution-Systemen (MES) MPDV Mikrolab ein einfach gestaltetes Vierstufenmodell entwickelt.

In vier Stufen zur Smart Factory

Auf der ersten Stufe des Modells steht die transparente Fabrik. Das heißt, Unternehmen müssen zeitnah wissen, was in ihrer Produktion gerade passiert. Darauf setzt die reaktionsfähige Fabrik auf. Hier ist das Ziel, möglichst schnell und zielführend auf Abweichungen vom Idealzustand reagieren zu können. Darauf folgt die selbstregelnde Fabrik, in der sich auf Basis der Reaktionsfähigkeit die Produktionsabläufe steuern lassen. Gemäß des Modells bildet die funktional vernetzte Fabrik die vierte Stufe. Hier wird der Blick auch auf angrenzende Prozesse und Systeme für Product Lifecycle Management sowie das Energie- und Gebäudemanagement gerichtet. Um die einzelnen Stufen dieses Modells zu realisieren, haben sich MES-Lösungen als geeignete und teilweise auch unverzichtbare Werkzeuge erwiesen. Wie wichtig verlässliche Daten für Fertigungsunternehmen schon in der ersten Stufe sind, erläuterte der MES-Hersteller in der frei verfügbaren Veröffentlichung ‘Industrie 4.0 konkret’.

Reaktionsfähigkeit sicherstellen

Dass die Bedeutung der zweiten Stufe des Modells weiter an Bedeutung gewinnt, hat im Wesentlichen zwei Gründe: Erstens läuft auch in der Fertigung selten alles nach Plan und zweitens ändern Kunden oft nachträglich ihre Wünsche bezüglich der zu produzierenden Artikel. Darauf muss die Fertigung reagieren. Je schneller und flexibler das funktioniert, desto weniger Verluste entstehen dabei. Klassische Beispiele für Störungen in der Fertigung sind Werkzeugprobleme, erkrankte Mitarbeiter oder falsch angeliefertes Material. Schon dafür haben viele Auftraggeber wenig Verständnis und erhöhen unter Umständen mit kurzfristigen Änderungswünschen den Druck auf die Produktion noch zusätzlich. Ein MES hat den Vorteil, dass es einen Blick auf die gesamte Produktion bietet. Die Anwendungen erkennen Störungen früh und zeigen oftmals Ausweichmöglichkeiten auf. Dabei können gut integrierte MES-Lösungen so manches Telefonat, E-Mail und kurzfristig einberufene Besprechung ersparen, die sonst bei einer Störung oder Änderungsanfrage eines Kunden erforderlich würde. Die produktionsnahen Anwendungen stellen insofern ein immer wichtigeres Instrument dar, um die Wettbewerbsfähigkeit durch geringere Verschwendung zu verbessern. In Zeiten dynamisierter Märkte werden immer weniger Unternehmen ohne entsprechende Softwareunterstützung auskommen.

Von der Planung zur Steuerung

Auf Grundlage der Fertigungssituation planen MES-Lösungen die Aufträge ein, die sie in der Regel vom führenden ERP-System erhalten. Diese verfügen in den meisten Fällen zwar über eigene Produktionsplanungswerkzeuge, diese planen allerdings in den allermeisten Fällen ‘gegen unbegrenzte Kapazitäten’, also ohne die tatsächliche Situation im Werk berücksichtigen zu können. Im MES hingegen legen Fertigungssteuerer fest, auf welcher Maschine und wann genau der Auftrag gefertigt werden soll. Dafür müssen sie wissen, welche Aufträge bereits eingeplant sind beziehungsweise aktuell laufen und welcher Fortschritt bereits erzielt wurde. Diese Planung ‘gegen reale Kapazitäten’ lässt sich IT-gestützt weiter verbessern. Werden Echtzeitdaten aus der Fertigung in die Planung einbezogen, entsteht eine Steuerung, die auf aktuelle Ereignisse reagieren kann. Ein Werkzeugbruch oder eine andere Maschinenstörung wird sofort erkannt und löst in der Feinplanung eine Verschiebung nachfolgender Aufträge aus. Der Planer wird benachrichtigt und kann der Situation geeignete Maßnahmen entgegensetzen. So hat er die Möglichkeit, etwa zeitkritische oder wichtige Aufträge umzuplanen, zu splitten oder zusätzliche Kapazitäten zu schaffen – zum Beispiel durch Sonderschichten.



Im Feinplanungsprogramm der MES-Anwendung Hydra lassen sich benötigte Ressourcen zentral verwalten und visualisieren. Bild: MPDV Mikrolab GmbH


Maschinen, Werkzeuge und andere Ressourcen

Bisher reichte es meist, die Kapazität einer Maschine für einen Auftrag zu reservieren. Doch mit den komplexen Zusammenhängen von Maschinen, Werkzeugen, Vorrichtungen und anderen Hilfsmitteln stoßen die klassische Plantafel an der Wand oder das selbst entwickelte Excel-Sheet oft an Grenzen − eine Mehr-Ressourcen-Planung wird erforderlich. Hier helfen grafische Feinplanungsprogramme von integrierten MES-Anwendungen, indem sie alle benötigten Ressourcen in einem System verwalten und deren Verfügbarkeit in einem mehrdimensionalen Gantt-Diagramm darstellen. Neben dem Fertigungsequipment sollten auch Verbrauchsressourcen bei der Planung berücksichtigt werden. Rohmaterial, Halbzeuge und Endartikel gehören in vielen Branchen − immer öfter auch die Energie − zu den wichtigen Planungsgrößen.

Qualifikationsbasierte Personaleinsatzplanung

Werker, Maschinenbediener und andere Mitarbeiter im Werk müssen effizient und gemäß ihrer Qualifikation eingesetzt werden. Organisiert wird das oft noch mithilfe einer Stecktafel an der Wand oder einer Excel-Tabelle. Auch hier kann ein Manufacturing Execution System unterstützen. Mit IT-gestütztem Personalmanagement lassen sich Abläufe ohne Medienbrüche digitalisieren und damit vereinfachen. In der einfachsten Variante ist der Personalbedarf direkt an einem im MES verwalteten Arbeitsplatz hinterlegt. Somit können Mitarbeiter den einzelnen Maschinen und Arbeitsplätzen via Gantt-Chart zugewiesen werden. So lassen sich die Qualifikationen der Mitarbeiter farblich darstellen und geplante Anwesenheitszeiten durch Balken visualisieren. Damit wird auf einfache Weise vermieden, dass nicht verfügbare oder für diese Aufgabe ungeeignete Mitarbeiter eingeplant werden. Eine automatische Belegung unterstützt den Meister bei dieser Planung. Ist er mit dem Ergebnis zufrieden, gibt er den Plan frei. Die Resultate werden automatisch an alle Mitarbeiter verteilt. Diese können entweder am Shop Floor-Terminal oder auf ihrem Smartphone sehen, für welche Arbeitsplätze sie in den kommenden Tagen und Wochen eingeteilt sind.

Variantenreiche Sequenzfertigung

Das eingangs beschriebene Modell für den Weg zur Smart Factory geht auf der dritten Stufe von einer ‘selbstregelnden Fabrik’ aus. An der Grenze der zweiten und dritten Stufe findet sich eine spezielle Form der Fertigungsorganisation, die künftig an Bedeutung zunehmen dürfte: die variantenreiche Sequenzfertigung. Gemeint ist eine Produktion, bei der unterschiedliche Varianten eines Erzeugnisses auf derselben Produktionslinie hergestellt werden. Oft wird dabei auch das One Piece Flow-Prinzip umgesetzt. Bisher ist die Sequenzfertigung vorwiegend bei Automobilzulieferern anzutreffen.

In kurzen Zyklen schnell reagieren

Aufgrund der Verbreitung von Konzepten wie der ‘Mass Customization’ werden sich wohl auch andere Branchen dieser Methodik zuwenden müssen. Die Herausforderung der Sequenzfertigung besteht darin, die Reihenfolge so gut wie möglich zu planen und gleichzeitig den Ablauf mit kurzen Zeitintervallen situativ zu steuern. Werden zum Beispiel Qualitätsmängel entdeckt, sorgt eine automatische Prozessverriegelung dafür, dass ein schadhaftes Teil nicht weiter verarbeitet und zur Nacharbeit ausgeschleust wird. Es geht bei der Sequenzfertigung also sowohl um Reaktionsfähigkeit als auch um Selbstregelung und Dezentralisierung. Bisher wurden solche Anforderungen mit Just-in-Time- und Just-in-Sequence-Systemen (JIT/JIS) abgebildet, die meist in Form von Kopfsteuerungen auf SPS-Basis betrieben wurden. Der Nachteil sind aufwendige Programmierarbeiten bei Änderungen. Bei über längere Zeit feststehenden Produktkonfiguratoren war dies unproblematisch. Mit immer kürzeren Produkt-Lebenszyklen wird sich das allerdings ändern. Künftig wird sowohl die Geschwindigkeit heutiger JIT/JIS-Systeme benötigt als auch die Flexibilität einer MES-Anwendung. Daher ist die Integration von JIT/JIS-Funktionen in ein MES dringend anzuraten.



Die Arbeitsplatzbelegung in der Personaleinsatzplanung und ein mobiler Personaleinsatzplan auf dem Smartphone mit der MES-Anwendung Hydra von MPDV. Bild: MPDV Mikrolab GmbH


Schritt für Schritt zur smarten Fabrik

Unabhängig von der Umsetzung der variantenreichen Sequenzfertigung vertreten die Autoren des Vierstufenmodells bei MPDV die Auffassung, dass es am ehesten zum Ziel führt, die einzelnen Schritte auf dem Weg zur smarten Fabrik nacheinander zu durchlaufen − und dabei gegebenenfalls einzelne Themen aus höheren Stufen vorzuziehen. Wichtig bleibt allerdings, im Rahmen der Digitalisierung die Prozesse zu analysieren und nach Möglichkeit zu verschlanken. Denn allein durch die Einführung eines MES wird die Produktion nicht effizienter. Vielmehr hilft eine produktionsnahe Anwendung dabei, Potenzial aufzudecken und zu heben. Das ist eine gute Grundlage, um als Fertigungsunternehmen von den Technologien und Methoden zu profitieren, die im Kontext des Trendes Industrie 4.0 vorangetrieben werden. Entgegen häufig geäußerter Ansicht ist die Einrichtung einer reaktionsfähigen Fabrik alles andere als trivial. In der Praxis ist noch ein großer Teil der Fertigungsbetriebe weit davon entfernt. Daher gilt, im ersten Schritt für Transparenz zu sorgen und im nächsten für Reaktionsfähigkeit. Das Zusammenspiel der Maßnahmen steigert die Wettbewerbsfähigkeit von Produktionsunternehmen meist deutlich. Diese Möglichkeit links liegen zu lassen, kann sich mit Blick auf Industrie 4.0 und die Globalisierung der Märkte kaum ein Unternehmen leisten.

Bild: MPDV Mikrolab GmbH

Whitepaper zur Smart Factory

Mehr zum Vierstufenmodell der MPDV Mikrolab finden Sie in einem kürzlich veröffentlichten Whitepaper. Anfordern lässt es sich unter: http://mpdv.info/itpwp2i40.
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