Smart Factory

Warum unsere Fabriken noch lange nicht intelligent sind

© Industrieblick / Fotolia
April 18, 2016
Prof. Dr. Werner Bick
Generalvollbemächtigter
ROI Management Consulting AG

‍Die Fabrik steht seit der Entstehung der ersten Manufakturen im siebzehnten Jahrhundert im Zentrum der betriebswirtschaftlichen und technischen Optimierungs- und Innovationsansätze. Im Kontext der Digitalisierung richtet sich der Scheinwerfer nun erneut auf die Werkshalle: Die Steigerung von Effektivität und Effizienz, die der Einsatz von Technologien im Rahmen des Internets der Dinge (IoT – Internet of Things) und von Industrie 4.0 verspricht, setzt unmittelbar an den Prozessen und der Organisation der Fabrik, der Smart Factory, an.

Konzept der operativen Exzellenz

Der Weg zur Steigerung von Qualität und Output bei geringerem Ressourceneinsatz führt dabei über ein umfassendes Konzept der operativen Exzellenz. Sechs Elemente haben sich in den letzten Jahren als besonders vielversprechend herauskristallisiert.

1. Umfassender Einsatz von Assistenzsystemen 

Ein zentraler Hebel zur Verwirklichung der intelligenten Fabrik ist ein umfassender Einsatz von Assistenzsystemen. Diese sollen, in Erweiterung von Lean- Ansätzen, sowohl physisch als auch zeitlich die Mitarbeiter entlasten und die Konzentration auf wertschöpfende Kernaufgaben ermöglichen.

Auf physischer Ebene sind die Assistenzsysteme in der Fabrik dank autonomer Transportsysteme oder Robotik- Lösungen bereits vielfach verwirklicht. Enorme Potenziale bieten aber vor allem digitale Technologien. So lässt sich etwa der Status einer Maschine über auf einem Tablet installierte Apps schnell und einfach ablesen: Die Auslastung, kritische Verschleißwerte oder weiterführende Statistiken sind dank der Einbindung aller beteiligten Elemente in eine Factory Cloud sofort verfügbar. Hochinteressante neue Möglichkeiten bieten sich dabei durch den Einsatz von Augmented-Reality- Technologien, die dank zunehmend günstiger, komfortabler und leistungsfähiger Endgeräte wie Smart Glass immer attraktiver werden. So können etwa Arbeitsanweisungen oder wichtige Kennzahlen direkt verfügbar gemacht werden.

2. Dezentrale Organisation 

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Smart Factory ist die dezentrale Organisation: Die Auflösung der typischen pyramidalen Struktur zugunsten eines am Wertschöpfungsprozess ausgerichteten Netzwerks reduziert signifikant den Steuerungsaufwand und erlaubt eine weitgehend autonome Koordination der einzelnen Netzwerkelemente und produktionsrelevanten Software-Lösungen wie ERP, MES oder PPS. Die Basis dafür bildet der Einsatz von M2M-, RFID-, oder Smart- OTS-Technologien sowie eine umfassende Ausstattung der Maschinen, Werkstücke und Produktionsräume mit Sensorik.

3. Echtzeitkontrolle von Produktion und Qualität 

Im Hinblick auf die Vermeidung von Verschwendung und Produktionsfehlern gewinnt die Echtzeitkontrolle von Produktion und Qualität (Realtime Production Control und Realtime Quality Control) zunehmend an Bedeutung. Durch den Einsatz von sensorischen Lösungen werden dabei in Echtzeit zentrale Prozessparameter erfasst und mit Musterwerten verglichen. Dies ermöglicht ein sehr frühzeitiges Ergreifen von Gegenmaßnahmen, was etwa zur signifikanten Reduktion von Ausschuss führt. So kann beispielsweise durch Auswertung von Sensorsignalen im Schweißprozess eine hohe Wahrscheinlichkeit für einen schlechten Schweißpunkt sofort erkannt und der Schweißvorgang innerhalb von Millisekunden korrigiert werden. Auf dem gleichen Prinzip basiert auch die »smarte« Qualitätskontrolle. Hier werden anhand definierter kritischer Werte permanent Messungen vorgenommen, sodass Fehler sehr früh identifiziert und korrigiert werden können, was zu einer deutlichen Senkung der Qualitätskosten führt.

© Frank11 / Fotolia

4. »Vorausschauende« Wartung 

Zu den bekanntesten Szenarien, die im Kontext der Smart Factory diskutiert werden, gehört Predictive Maintenance – eine »vorausschauende« Wartung.

Dieser Ansatz, der statistische Prognosemodelle mit Sensortechnologien kombiniert, wird gerne als Beispiel dafür verwendet, wie sich neue Geschäftsmodelle entwickeln oder zumindest weiterentwickeln lassen. Die Kombination aus Produkt und Service ist aber vor allem innerhalb der Fabrik von großer Bedeutung. So lassen sich Kosten dramatisch senken, weil die Wartung genau dann stattfindet, wenn sie notwendig ist, und sich Produktionsstopps durch Totalausfälle vermeiden lassen.

Die Analyse der Betriebsdaten und Belastungsszenarien erlaubt darüber hinaus eine sehr genaue Allokation der Produktionsressourcen und die Vermeidung von Leerlauf oder Überlastung. Gleichzeitig können Predictive-Maintenance-Ansätze mit Condition-Monitoring-Systemen zur permanenten Überwachung besonders kritischer Elemente kombiniert werden, was eine hohe Verfügbarkeit der Maschinen bei deutlich geringeren Kosten ermöglicht.

5. Strategie zum Umgang mit Big Data 

Die gemeinsame Basis für die beschriebenen Technologien bildet eine Strategie zum Umgang mit Big Data. Erst wenn es einen integrierten Ansatz gibt, wie die immense Menge an Daten, die in einer Smart Factory entsteht, effizient und sicher geclustert, analysiert und in Entscheidungsprozesse implementiert werden kann, lassen sich die Vorteile der digitalen Technologien nachhaltig nutzen.

6. Shopfloor Management 

Die Organisation und die Prozesse in einer Smart Factory unterscheiden sich sehr stark von dem klassischen Bild der Fabrik. Dabei geht es nicht nur um die Auflösung gelernter Abläufe, sondern auch um die Kompromittierung etablierter sozialer Gefüge und sicher geglaubter Kompetenzen. Ein intensives Shopfloor Management ist deshalb erfolgskritisch, wenn es darum geht, die veränderten Prozesse langfristig zu verankern. Hierfür lassen sich heute vielversprechende digitale Instrumente nutzen. Smart Boards, anwenderfreundliche Apps auf mobilen Geräten und eine intensive Auseinandersetzung mit den neu eingeführten Prozessen und Technologien sind deshalb erfolgskritisch, wenn es darum geht, alte Routinen aufzubrechen und neue Arbeitsweisen und Nutzungsszenarien einzuüben.

Start smart

Heute gibt es gerade in den westlichen Hochlohnländern keine Branche, die nicht zumindest einzelne Industrie-4.0-Elemente in ihren Fabriken gewinnbringend einsetzen könnte – und müsste, wenn der globale Wettbewerb langfristig gemeistert werden soll. Dennoch ist der Implementierungsgrad, der sich in der Industrielandschaft beobachten lässt, erstaunlich gering. Sowohl in den USA als auch in Europa lassen sich Pioniere identifizieren, die über eine tragfähige, detaillierte und verbindliche Roadmap verfügen und erste Pilotprojekte umgesetzt haben. Von einer breiten Bewegung kann bislang jedoch nicht die Rede sein.

© Magele / Fotolia

Ein wichtiger Grund dafür ist – polemisch gesprochen – die Unfähigkeit, den Elefanten in Scheiben zu schneiden. Sehr häufig – und im deutlichen Gegensatz zu den USA – ist gerade in Deutschland die Verwirklichung der Smart Factory von einem komplexen Überbau belastet. Man beschäftigt sich gerne mit Taxonomien, umfassenden Sicherheitskonzepten, langfristigen Strategien und hochkomplexen Visionen. Darüber blendet man die Möglichkeit des kleinen Einstiegs in die Digitalisierung meistens aus. Die hohe Dynamik des Themas, die enorm schnelle technologische Entwicklung und die fehlenden Standards erfordern aber eher lokale Initiativen, die Bereitschaft zu einem Trial-and-Error-Prinzip, die Freude am kreativen Experimentieren. Als Ausrichter des »Industrie 4.0 Awards« konnte ROI in den letzten Jahren beobachten, dass die meisten erfolgreichen Projekte ohne Fünfjahrespläne auskamen. Um die Smart Factory auf den Weg zu bringen, sind eine konkrete Roadmap für die nächsten sechs Monate und ein überschaubares Budget viel eher geeignet.

Wie viel Transparenz darf es sein? 

Doch es gibt auch systemische Gründe dafür, dass das Konzept der digitalen und vernetzten Wertschöpfung bislang selten umgesetzt werden konnte. Eine Smart Factory kann ihr volles Potenzial nur dann entfalten, wenn die technologischen und prozessualen Schnittstellen zu Lieferanten und Kunden – vor- und nachgelagerten Gliedern der Supply Chain – transparent sind. Für die Industrie erweist sich aktuell der Kunde als größter Effizienzhemmer: Seine Bedarfe, seine Art, die Produkte zu nutzen, seine Expansionsstrategie sind für den Lieferanten selten umfassend und nie vollständig transparent. Einem wirklich erfolgreichen Predictive Planning wird damit eine zentrale Grundlage entzogen. Eine Situation, die sich auf Lieferantenseite fast spiegelbildlich wiederholt. Eine tiefgreifende systemische Integration und die Herstellung einer weitreichenden Transparenz treffen auf die durchaus berechtigte Befürchtung, die eigene Verhandlungsposition massiv zu schwächen. Vor diesem Hintergrund erweist sich der langfristige Erfolg des Smart-Factory-Konzepts auch als eine Frage der Offenheit und des Vertrauens im gesamten Wertschöpfungsnetzwerk.

‍Die Fabrik steht seit der Entstehung der ersten Manufakturen im siebzehnten Jahrhundert im Zentrum der betriebswirtschaftlichen und technischen Optimierungs- und Innovationsansätze. Im Kontext der Digitalisierung richtet sich der Scheinwerfer nun erneut auf die Werkshalle: Die Steigerung von Effektivität und Effizienz, die der Einsatz von Technologien im Rahmen des Internets der Dinge (IoT – Internet of Things) und von Industrie 4.0 verspricht, setzt unmittelbar an den Prozessen und der Organisation der Fabrik, der Smart Factory, an.

Konzept der operativen Exzellenz

Der Weg zur Steigerung von Qualität und Output bei geringerem Ressourceneinsatz führt dabei über ein umfassendes Konzept der operativen Exzellenz. Sechs Elemente haben sich in den letzten Jahren als besonders vielversprechend herauskristallisiert.

1. Umfassender Einsatz von Assistenzsystemen 

Ein zentraler Hebel zur Verwirklichung der intelligenten Fabrik ist ein umfassender Einsatz von Assistenzsystemen. Diese sollen, in Erweiterung von Lean- Ansätzen, sowohl physisch als auch zeitlich die Mitarbeiter entlasten und die Konzentration auf wertschöpfende Kernaufgaben ermöglichen.

Auf physischer Ebene sind die Assistenzsysteme in der Fabrik dank autonomer Transportsysteme oder Robotik- Lösungen bereits vielfach verwirklicht. Enorme Potenziale bieten aber vor allem digitale Technologien. So lässt sich etwa der Status einer Maschine über auf einem Tablet installierte Apps schnell und einfach ablesen: Die Auslastung, kritische Verschleißwerte oder weiterführende Statistiken sind dank der Einbindung aller beteiligten Elemente in eine Factory Cloud sofort verfügbar. Hochinteressante neue Möglichkeiten bieten sich dabei durch den Einsatz von Augmented-Reality- Technologien, die dank zunehmend günstiger, komfortabler und leistungsfähiger Endgeräte wie Smart Glass immer attraktiver werden. So können etwa Arbeitsanweisungen oder wichtige Kennzahlen direkt verfügbar gemacht werden.

2. Dezentrale Organisation 

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Smart Factory ist die dezentrale Organisation: Die Auflösung der typischen pyramidalen Struktur zugunsten eines am Wertschöpfungsprozess ausgerichteten Netzwerks reduziert signifikant den Steuerungsaufwand und erlaubt eine weitgehend autonome Koordination der einzelnen Netzwerkelemente und produktionsrelevanten Software-Lösungen wie ERP, MES oder PPS. Die Basis dafür bildet der Einsatz von M2M-, RFID-, oder Smart- OTS-Technologien sowie eine umfassende Ausstattung der Maschinen, Werkstücke und Produktionsräume mit Sensorik.

3. Echtzeitkontrolle von Produktion und Qualität 

Im Hinblick auf die Vermeidung von Verschwendung und Produktionsfehlern gewinnt die Echtzeitkontrolle von Produktion und Qualität (Realtime Production Control und Realtime Quality Control) zunehmend an Bedeutung. Durch den Einsatz von sensorischen Lösungen werden dabei in Echtzeit zentrale Prozessparameter erfasst und mit Musterwerten verglichen. Dies ermöglicht ein sehr frühzeitiges Ergreifen von Gegenmaßnahmen, was etwa zur signifikanten Reduktion von Ausschuss führt. So kann beispielsweise durch Auswertung von Sensorsignalen im Schweißprozess eine hohe Wahrscheinlichkeit für einen schlechten Schweißpunkt sofort erkannt und der Schweißvorgang innerhalb von Millisekunden korrigiert werden. Auf dem gleichen Prinzip basiert auch die »smarte« Qualitätskontrolle. Hier werden anhand definierter kritischer Werte permanent Messungen vorgenommen, sodass Fehler sehr früh identifiziert und korrigiert werden können, was zu einer deutlichen Senkung der Qualitätskosten führt.

© Frank11 / Fotolia

4. »Vorausschauende« Wartung 

Zu den bekanntesten Szenarien, die im Kontext der Smart Factory diskutiert werden, gehört Predictive Maintenance – eine »vorausschauende« Wartung.

Dieser Ansatz, der statistische Prognosemodelle mit Sensortechnologien kombiniert, wird gerne als Beispiel dafür verwendet, wie sich neue Geschäftsmodelle entwickeln oder zumindest weiterentwickeln lassen. Die Kombination aus Produkt und Service ist aber vor allem innerhalb der Fabrik von großer Bedeutung. So lassen sich Kosten dramatisch senken, weil die Wartung genau dann stattfindet, wenn sie notwendig ist, und sich Produktionsstopps durch Totalausfälle vermeiden lassen.

Die Analyse der Betriebsdaten und Belastungsszenarien erlaubt darüber hinaus eine sehr genaue Allokation der Produktionsressourcen und die Vermeidung von Leerlauf oder Überlastung. Gleichzeitig können Predictive-Maintenance-Ansätze mit Condition-Monitoring-Systemen zur permanenten Überwachung besonders kritischer Elemente kombiniert werden, was eine hohe Verfügbarkeit der Maschinen bei deutlich geringeren Kosten ermöglicht.

5. Strategie zum Umgang mit Big Data 

Die gemeinsame Basis für die beschriebenen Technologien bildet eine Strategie zum Umgang mit Big Data. Erst wenn es einen integrierten Ansatz gibt, wie die immense Menge an Daten, die in einer Smart Factory entsteht, effizient und sicher geclustert, analysiert und in Entscheidungsprozesse implementiert werden kann, lassen sich die Vorteile der digitalen Technologien nachhaltig nutzen.

6. Shopfloor Management 

Die Organisation und die Prozesse in einer Smart Factory unterscheiden sich sehr stark von dem klassischen Bild der Fabrik. Dabei geht es nicht nur um die Auflösung gelernter Abläufe, sondern auch um die Kompromittierung etablierter sozialer Gefüge und sicher geglaubter Kompetenzen. Ein intensives Shopfloor Management ist deshalb erfolgskritisch, wenn es darum geht, die veränderten Prozesse langfristig zu verankern. Hierfür lassen sich heute vielversprechende digitale Instrumente nutzen. Smart Boards, anwenderfreundliche Apps auf mobilen Geräten und eine intensive Auseinandersetzung mit den neu eingeführten Prozessen und Technologien sind deshalb erfolgskritisch, wenn es darum geht, alte Routinen aufzubrechen und neue Arbeitsweisen und Nutzungsszenarien einzuüben.

Start smart

Heute gibt es gerade in den westlichen Hochlohnländern keine Branche, die nicht zumindest einzelne Industrie-4.0-Elemente in ihren Fabriken gewinnbringend einsetzen könnte – und müsste, wenn der globale Wettbewerb langfristig gemeistert werden soll. Dennoch ist der Implementierungsgrad, der sich in der Industrielandschaft beobachten lässt, erstaunlich gering. Sowohl in den USA als auch in Europa lassen sich Pioniere identifizieren, die über eine tragfähige, detaillierte und verbindliche Roadmap verfügen und erste Pilotprojekte umgesetzt haben. Von einer breiten Bewegung kann bislang jedoch nicht die Rede sein.

© Magele / Fotolia

Ein wichtiger Grund dafür ist – polemisch gesprochen – die Unfähigkeit, den Elefanten in Scheiben zu schneiden. Sehr häufig – und im deutlichen Gegensatz zu den USA – ist gerade in Deutschland die Verwirklichung der Smart Factory von einem komplexen Überbau belastet. Man beschäftigt sich gerne mit Taxonomien, umfassenden Sicherheitskonzepten, langfristigen Strategien und hochkomplexen Visionen. Darüber blendet man die Möglichkeit des kleinen Einstiegs in die Digitalisierung meistens aus. Die hohe Dynamik des Themas, die enorm schnelle technologische Entwicklung und die fehlenden Standards erfordern aber eher lokale Initiativen, die Bereitschaft zu einem Trial-and-Error-Prinzip, die Freude am kreativen Experimentieren. Als Ausrichter des »Industrie 4.0 Awards« konnte ROI in den letzten Jahren beobachten, dass die meisten erfolgreichen Projekte ohne Fünfjahrespläne auskamen. Um die Smart Factory auf den Weg zu bringen, sind eine konkrete Roadmap für die nächsten sechs Monate und ein überschaubares Budget viel eher geeignet.

Wie viel Transparenz darf es sein? 

Doch es gibt auch systemische Gründe dafür, dass das Konzept der digitalen und vernetzten Wertschöpfung bislang selten umgesetzt werden konnte. Eine Smart Factory kann ihr volles Potenzial nur dann entfalten, wenn die technologischen und prozessualen Schnittstellen zu Lieferanten und Kunden – vor- und nachgelagerten Gliedern der Supply Chain – transparent sind. Für die Industrie erweist sich aktuell der Kunde als größter Effizienzhemmer: Seine Bedarfe, seine Art, die Produkte zu nutzen, seine Expansionsstrategie sind für den Lieferanten selten umfassend und nie vollständig transparent. Einem wirklich erfolgreichen Predictive Planning wird damit eine zentrale Grundlage entzogen. Eine Situation, die sich auf Lieferantenseite fast spiegelbildlich wiederholt. Eine tiefgreifende systemische Integration und die Herstellung einer weitreichenden Transparenz treffen auf die durchaus berechtigte Befürchtung, die eigene Verhandlungsposition massiv zu schwächen. Vor diesem Hintergrund erweist sich der langfristige Erfolg des Smart-Factory-Konzepts auch als eine Frage der Offenheit und des Vertrauens im gesamten Wertschöpfungsnetzwerk.

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