18.08.2014 ERP-, MES- und PPS-Systeme integrieren

Industrie 4.0: Vernetzte Produktionsprozesse im Mittelstand

Von: Guido Piech

Industrie 4.0 ist ein kurzes und eingängiges Schlagwort, die Vision dahinter ist mitunter nicht ganz so eingängig. Es scheint an der Zeit, das, was inzwischen als vierte industrielle Revolution angekündigt wird, mit Inhalt zu füllen. Folgende Definition trifft es relativ gut: Industrie 4.0 bedeutet die konsequente industrielle Automation unter Einbindung aller relevanten Informationen, die über weltweite, offene Netze zur Verfügung stehen. Doch auch der Mensch soll wohl Teil der modernen Produktionsprozesse bleiben.

Gut vernetzt in die Zukunft – Was verbirgt sich hinter dem Schlagwort Industrie 4.0?

Vor rund zwei Jahren tauchte der Begriff Industrie 4.0 erstmals auf. Erdacht wurde er dem Vernehmen nach im politischen Berlin, vielleicht mit der Intention, das Thema IT und Innovation nicht wieder komplett anderen zu überlassen und stattdessen mit einer hiesigen Note zu versehen. Was läge da näher, als die Kernbranchen der deutschen Wirtschaft, das produzierende Gewerbe, den Maschinen- und Anlagenbau sowie die Automobilindustrie etwa, dazu zu animieren, IT und Automationstechnik miteinander zu vernetzen. „Bereits heute gehen rund 80 Prozent aller Innovationen in der Fertigungsindustrie auf die Integration von Maschinenbau und IT-Technologie zurück.“ Damit werden laut Karl Friedrich Schmidt, Vorstand der Fistec AG und gleichzeitig Mitglied im Vorstand des Fachverbandes Software des VDMA, die Voraussetzungen zur Umsetzung der Vision Industrie 4.0 geschaffen.

Es geht also um die tiefgehende Verschmelzung der virtuellen Welt der IT mit der realen Welt der Produktion, wodurch sich die Produktionsprozesse und -netzwerke über die gesamte Wertschöpfungskette verändern und es zu einem grundlegenden und nachhaltigen Wandel in der produzierenden Wirtschaft kommt. Ein Wandel, der eng verknüpft ist mit den „Errungenschaften“ des Internets. Dessen Entwicklung in den letzten Jahren und die damit einhergehenden Innovationen waren so umwälzend, dass man sich heute gar nicht mehr daran erinnern kann, wie es vorher war – ohne HTML, XML, URL, Browser und die Cloud. Nun gehe es darum, diese Konzepte auf die physische Produktion von Gütern zu übertragen.

Das mobile Internet als Faktor

„Durch die Adaption der Technologien des mobilen Internets wird eine selbstorganisierende, hochflexible Produktion entstehen, bei der Produktdesign, Bauteile, Produktion und Logistik miteinander vernetzt und mit dezentraler Intelligenz ausgestattet sind“, sagt Karl. M. Tröger, Head of Product Management beim Berliner PPS-Anbieter Psipenta. Durch die fortschreitende Individualisierung und steigende Variantenvielfalt vieler Produkte kommt es laut Tröger unweigerlich zu einer beträchtlichen Erhöhung der Komplexität in den Fertigungsabläufen. Angestrebt werde eine Einmalfertigung zu Kosten der Serienfertigung.

Die Vision: Fertigungsinseln ersetzen Fließbänder und in sogenannten Smart Factories kommunizieren Werkstücke als Smart Objects mit ihren Produktinseln, Transportmitteln und Lagerplätzen. Sie melden sich bei ihnen an und ab und organisieren eigenständig die Ablaufreihenfolge. Bedingung dafür ist allerdings die Konfigurierbarkeit der Systeme, etwa in der Reihenfolge der Maschinen, der Fördertechnik sowie der Größe der Lagerplätze – entsprechend der vielen Produktvarianten.

Bis es soweit kommt, wird allerdings noch viel Wasser den Rhein herunterfließen, da sind sich die Experten einig. Derzeit befinden sich die Mitgliedsunternehmen des VDMA wohl größtenteils noch in einer Orientierungsphase, in der sie die vielfältigen Aktivitäten zu Industrie 4.0 sehr genau beobachten. Es fehlt augenscheinlich noch an Best-Practice-Beispielen, weshalb Investitionen wohlüberlegt sein sollten. Beim VDMA sieht man daher die Notwendigkeit, den Unternehmen Leitfäden für die Einführung von Industrie 4.0 an die Hand zu geben und vor allem die Ergebnisse von Forschungsprojekten zur Verfügung zu stellen.

Einen Ausgangspunkt für Industrie-4.0-Aktivitäten beschreibt Dieter Westerkamp, Bereichsleiter Technik und Wissenschaft im VDI. In seinen Augen sind Verfahren zur Fernwartung und -diagnose bereits Schritte in diese Richtung, wobei es in der Praxis wohl noch einige Zeit dauern könnte, bis diese als selbstverständlich angesehen würden. „Existentiell wichtig für das Gelingen von Industrie 4.0 ist in diesem Zusammenhang der breite Einsatz der Cloud für mobile Daten und für das Angebot von Diensten“, so Westerkamp. Außerdem habe eine Umfrage unter 450 Mitgliedern ergeben, dass zunächst einmal die zentrale Datenhaltung und Effizienz bei der Nutzung von Speicher- und -Rechenkapazitäten eine wesentliche Rolle bei der Automation spielen werde.

Umsetzung von Industrie 4.0: Wo anfangen?

Einen anderen konkreten Startpunkt brachte eine Umfrage der Fistec AG unter Maschinen- und Anlagenbauern zutage. Demnach sehen die meisten der befragten Unternehmen ausgehend von der Ist-Situation die Einführung mobiler Endgeräte und Logistiklösungen in Verbindung mit der Anpassung und Integration der Fertigungsprozesse als Einstieg in die Umsetzung von Industrie 4.0. Den größten Nutzen erhoffen sich die Unternehmensverantwortlichen in puncto Reaktionsgeschwindigkeit auf Veränderungen im Fertigungsprozess oder im Kundenauftrag durch Echtzeitrückmeldung von Produktionsdaten und Engpassinformationen. Die dazu benötigten Technologien – Mobile ERP-, Logistik- und Servicelösungen – sind bereits vorhanden. Von diesen Startpunkten aus müssen sich die interessierten Unternehmen Schritt für Schritt an die Vision der eigenständigen Fertigungsinseln herantasten. Denn eigentlich ist die Revolution wohl doch eher ein evolutionärer Prozess, der nicht von heute auf morgen zu bewältigen ist. Aber das ist jetzt kein wirkliches Novum, schließlich ist die bis dato erreichte Digitalisierung auch nicht über Nacht vom Himmel gefallen, sondern hat immerhin ein gutes Jahrzehnt bis zum jetzigen Stand gebraucht. Jede kleine Automatisierung, jede Einführung eines neuen, vernetzteren IT-Systems, sogar die Ausrüstung des Außenpersonals mit mobilen Endgeräten – und sei es nur ein Smartphone – ist letztlich ein Schritt in Richtung der prognostizierten Revolution. Der Weg ist längst eingeschlagen, auch wenn viele Unternehmen dies nicht unter dem Stichwort Industrie 4.0 subsumieren – sie machen es einfach. Auch im Mittelstand.

Der Mittelstand sollte weder voreilig vor der ach so großen Vision kapitulieren, noch so tun, als ginge ihn all dies gar nichts an. Denn letztlich geht es um den Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit. Natürlich singen alle von uns befragten Experten das Hohelied auf den mittelständisch geprägten Produktionsstandort Deutschland, dessen Unternehmen sich ihr industrielles Know-how, ihre Flexibilität und Schnelligkeit auch künftig erhalten müssten. Schließlich sind auch andernorts Unternehmen auf dem Weg zu Industrie 4.0, wenn auch die Entwicklung dort vielleicht weniger dramatische Namen trägt.

Eine ganz zentrale Rolle in diesem Szenario vernetzter Produktionswelten spielt wie bereits beschrieben das Internet – was natürlich zum einen eine ziemliche Abhängigkeit hinsichtlich dessen ständiger Verfügbarkeit mit sich bringt und zum anderen sicherheitstechnisch beleuchtet werden sollte. Diese Abhängigkeit erachtet Professor Volker Stich vom FIR in Aachen heute schon als immens, weswegen der Schutz der Dateninfrastruktur sowie der darin transportierten Informationen von enormer Wichtigkeit sei und durch die Politik gewährleistet werden müsse. Er fordert also an dieser Stelle konkret den Staat auf, über die Begriffserfindung hinaus aktiv zu werden. Dieter Westerkamp pflichtet bei, denn ohne die ständige Verfügbarkeit des Internets und der gebuchten Dienste sei Industrie 4.0 tatsächlich nicht möglich. Dennoch sollten Unternehmen bestrebt sein, nicht alle Funktionalitäten über das Internet zu realisieren: „Man ist sicher gut beraten, lokale und gleichzeitig zeitkritische Vorgänge an Ort und Stelle durchzuführen und zu überwachen.“

Datenschutz muss gewährleistet sein

Beim VDMA ist man zwar auch der Ansicht, dass im Rahmen von Industrie 4.0 hochgradig integrierte Systeme im Mittelpunkt stehen, diese jedoch nicht notwendigerweise nur über Clouds vernetzt sein müssten. „Es wird darum gehen, dass alle miteinander vernetzten Elemente, seien es Clouds, Server, Maschinen oder einfache Sensoren, eigene Schutzmechanismen beinhalten“, wirft Beate Stahl ein. Der VDMA rät seinen Mitgliedern, sich klar darüber zu werden, was überhaupt das Know-how des Unternehmens ist und wie dieses organisatorisch und technisch geschützt werden könne. Dies schließt insbesondere den Schutz von Software und Daten in Maschinen- und Automatisierungskomponenten ein. Selbstverständlich sei auch der Gesetzgeber gefordert, Datensicherheit sowie Datenschutz zu regeln und durchzusetzen. Von besonderer Bedeutung sieht Beate Stahl zudem weltweit verabredete und gültige Standards und Schnittstellen. Auch wenn sich bei genauerer Sicht auf die Waren- und Werteflüsse feststellen lässt, dass insbesondere der deutsche Maschinen- und Anlagenbau sich selbst der beste Kunde ist und der Erfolg der deutschen Industrie im Vergleich zum Weltmarkt ein Gemeinschaftsprodukt aller Wertschöpfungspartner ist, müssen doch alle beteiligten Parteien ihren Beitrag zur Sicherung des Know-hows beitragen. Dies ist kein nationaler Protektionismus, als vielmehr wirtschaftliche Notwendigkeit.

Über die weltweite Wirtschaftsspionage, in den USA und anderen Ländern mitunter unter dem fadenscheinigen Deckmantel der Terrorismusabwehr betrieben, ist auch hier bereits diverse Male berichtet worden. Dieses Fass möchten wir nicht erneut aufmachen. Im Auge behalten sollte man das Thema Security jedoch in jedem Falle. Dabei sind es nicht nur externe Spitzel und Spione, die die Sicherheit gefährden: Eine VDMA-Umfrage unter Produktionsverantwortlichen hat gezeigt, dass die Risiken heute eher beim Faktor Mensch liegen. Die Sensibilisierung und Ausbildung der Mitarbeiter in Bezug auf Security ist daher definitiv eine erste wichtige Maßnahme.

Apropos Faktor Mensch: Wenn er in puncto Sicherheit in erster Linie als Gefahrenquelle ausgemacht wird, sei die Frage erlaubt, welche Rolle der Mensch in der sich selbst organisierenden Fertigungswelt der Zukunft überhaupt noch spielen wird. Müssen sich qualifizierte Mitarbeiter Sorgen um ihren Job machen? Ist Industrie 4.0 wohlmöglich die Antwort auf den sich anbahnenden Fachkräftemangel?

Welche Rolle spielt der Mensch?

„Der Mensch wird nach wie vor eine zentrale Rolle im Rahmen von Industrie 4.0 spielen, sie verändert sich nur“, konstatiert Dieter Meuser, Technologievorstand der Itac AG. Der Mensch werde mehr und mehr zum Dirigenten, weil zunehmende Automatismen weiterhin Entscheidungen erforderten, die Maschinen nicht treffen könnten. Maschinen werden zwar künftig über ein Gedächtnis verfügen, nicht aber über die Intelligenz, Ausnahmesituationen eigenständig zu bewältigen oder umfassende Veränderungsprozesse einzuleiten.

Sicherlich aber werden bestimmte Berufsfelder negativ beeinflusst werden, davor braucht man die Augen nicht zu verschließen. Andere Tätigkeitsfelder hingegen werden neu entstehen. Dazu eine interessante Statistik: Wie eine Umfrage der Takaros GmbH ergab, hat sich die Zahl der deutschen Industriebeschäftigten von 1970 bis heute um über 83 Prozent erhöht – und zwar von 10,1 auf 18,5 Millionen. Trotz, oder vielleicht gerade wegen der steigenden IT-Vernetzung und Automation. Allerdings müssen die Fachkräfte in Zukunft mehr als heute bereit sein, durch stetiges, „lebenslanges“ Lernen am Ball zu bleiben. Die Unternehmen haben hier laut Dieter Westerkamp eine große Verantwortung den Mitarbeitern gegenüber, was sich letztlich aber ja positiv für sie bezahlt macht. Eine entscheidende Rolle im Aufbau und der Weiterentwicklung von Industrie-4.0-Strukturen spielen die Anbieter von ERP,- MES- und PPS-Software: „Ein zentraler Erfolgsfaktor für das Konzept der sich selbst organisierenden, hochflexiblen Produktion ist die integrative Entwicklung von Produkten und Produktionssystemen. Das bedeutet zuallererst“, fährt Karl M. Tröger fort, „dass die interdisziplinäre Zusammenarbeit – beginnend mit dem Produktentstehungsprozess bis zur Entwicklung der entsprechenden Produktionstechnik – auf ein neues Niveau gehoben werden muss.“ Es gehe nicht mehr allein um die horizontale Vernetzung in Wertschöpfungsketten, stattdessen gerät die vertikale Integration innerhalb der Unternehmen und sogar einzelner Produktionseinheiten in den Vordergrund.

Integration der Systemwelten

An dieser Stelle sind die Softwarehäuser gefordert, denn einerseits erfordern agile Produktionssysteme in gleichem Maße agile Softwaresysteme zur Planung, Simulation und Steuerung der Herstellungsprozesse. Darüber hinaus erzeugt die wachsende Kommunikation in der Produktion  riesige Datenmengen, die hochauflösende Produktionsregelungssysteme zur Beurteilung der tatsächlichen Situation benutzen müssen. Die Daten und die aus ihnen gewonnen Informationen müssen unter Berücksichtigung des gegebenen Kontexts aufbereitet werden und dienen der Beeinflussung der aktuellen Produktionsparameter. Bei Big Data geht es nicht mehr nur um die Etablierung eines Berichtswesens und die Beurteilung einer Situation quasi „Post Mortem“. Vielmehr steuern die erhobenen Daten den Prozess und unterstützen bei der Ausregelung von Störungen in Echtzeit.

Die Software-Anbieter müssen insbesondere für die Integration der verschiedenen Systemwelten sorgen. Die Herausforderung besteht in den Augen von Professor Volker Stich in der Integration der Prozesse an der Schnittstelle zwischen Unternehmensebene (ERP) und Betriebsleitebene (MES) unter den Bedingungen zunehmend feiner granularer Fertigungs- und Planungseinheiten. Hinzu kommt die Integration mobiler Applikationen. Funktionierende Regelkreise zwischen Planung und Produktion unterstützen bei der Erreichung auch anspruchsvollerer Ziele produzierender Unternehmen. „Aus meiner Sicht müsste die Idee von Industrie 4.0 zu einem Investitionsboom in Applikationssoftware führen, damit man sich als Anwender bereit mache, die Möglichkeiten dieses Fortschritts zu erschließen“, so der Fachmann vom FIR Aachen.

Aus Sicht des VDMA zeichnet Beate Stahl folgendes Bild: Ihrer Meinung nach stellt ERP ein digitales Abbild aller Wertschöpfungsprozesse aus kaufmännischer Sicht dar. Es beschreibt einerseits den technischen Aufbau der Produkte sowie den Ablauf der Produktion. Weiterhin umfasst es die digitale Beschreibung aller Vereinbarungen zwischen Hersteller und Zulieferer sowie zwischen Hersteller und Kunden bzw. internen Auftraggeber. Dies reicht von der Logistik über die Beschaffung bis hin zur Abbildung der Zahlungsströme in Finanz- und Anlagenbuchhaltung, dem Rechnungswesen und dem übergeordneten Controlling.

Mittelständler auf dem Weg zu Industrie 4.0

Im Bereich der Produktion wird ERP durch PPS-, APS- und MES-Module unterstützt. Mit diesen Modulen wird die Umsetzung der Fertigungsplanung in die Fertigungssteuerung umgesetzt, wobei vor allem MES in der Lage ist, die Fertigungsprozesse in Echtzeit bis auf die Ebene von Sensoren in den Produktionseinheiten zu begleiten und zu überwachen. Zusätzlich ist mit diesen Systemen eine digitale Simulation unterschiedlicher Fertigungsszenarien möglich, sodass Auftragsnetze sehr schnell und wirkungsvoll gegebenenfalls veränderten Bedingungen angepasst werden können. „Insoweit sind die Anbieter kaufmännischer Unternehmenssoftwaresysteme bereits recht gut für die Anforderungen von Industrie 4.0 aufgestellt. Sofern Datenaustauschformate zu Smart Objects und Cyber Physical Systems standardisiert sind, wird die Einbindung dieser Komponenten kein maßgebliches Problem darstellen“, so Stahl. Gerade die letzte Anmerkung der Verbands­expertin sollte vielen Mittelständlern Mut machen, sich nicht völlig auf der falschen Fährte zu befinden. Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Kooperation zwischen Software-Anbietern und -Anwendern. Als Beispiel sei das Forschungsprojekt „WInD“ genannt: In Kooperation zwischen mittelständischen Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Software-Anbietern wurde ein wandlungsfähiges Produktionssystem mit standardisierten, prozessorientierten Schnittstellen zwischen allen beteiligten IT-Systemen konzipiert und umgesetzt. Aktuell arbeitet man bei Psipenta beispielsweise zusammen mit den Kunden zudem an neuen, schlanken Planungssystemen für Kleinstserien, an adaptiven Feinplanungssystemen, an Systemen, die den Einsatz mobiler Endgeräte auch in der Produktion ermöglichen, an neuen Visualisierungsmöglichkeiten sowie an neuen Bedienkonzepten für die Systeme. Letztlich geht es hierbei um Connectivity der Systeme, um Mobility für Prozesse und um Usability für die Anwender.

Grundsätzlich geht es immer um die übergreifende, globale Vernetzung, wie Itac-Vorstand Dieter Meuser resümiert. Das einstige, dezentrale und werksbezogene MES wird abgelöst von einem global agierenden Enterprise MES. Auf diesem Weg befinden sich viele Mittelständler längst, mit Industrie 4.0 hat dieser Prozess nur einen griffigen Namen …

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