Mann überwacht die Leistung in einer Smart Factory

Was ist eine Smart Factory?

Wie der Name schon zum Ausdruck bringt, handelt es sich bei einer Smart Factory um eine intelligente Fabrik. Als miteinander verbundenes Netzwerk von Maschinen, Mechanismen zur Kommunikation und Rechenleistung ist die intelligente Fabrik ein cyber-physisches System. Mit fortschrittlichen Technologien wie künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen analysiert es Daten, fördert automatisierte Prozesse und lernt immer weiter dazu.

Smart Factorys und die intelligente Fertigung sind Teil des technologischen Wandels, der als Industrie 4.0 oder auch als die vierte industrielle Revolution bezeichnet wird. Jede der drei vorherigen industriellen Revolutionen wurde durch eine innovative neue Technologie ausgelöst, die unsere Arbeitsweisen und unsere Güterproduktion völlig veränderte: die Dampfmaschine, das Fließband und der Computer. Die aktuelle vierte Revolution wird durch die digitale Transformation und intelligente Automatisierung angetrieben.

Smart Factorys für eine Welt im Wandel

In den vergangenen Jahren wurde Führungskräften immer deutlicher bewusst, dass für wettbewerbsfähige und resiliente Lieferketten und Fertigungsabläufe an der digitalen Transformation kein Weg vorbei führt. Die Pandemie legte Schwachstellen und Probleme in globalen Lieferketten und der Branche offen. Ein Artikel im Forbes-Magazin bekräftigte dies: „COVID-19 hat der Welt etwas vor Augen geführt, was der Fertigungsbranche bereits bekannt sein sollte. Wir können uns auf die traditionellen Lieferketten und Partnernetzwerke nicht mehr verlassen und müssen auf eine anpassungsfähigere, agilere und vor allem vollständig digital gestützte Lösung umsteigen.“

Auch die Erwartungen der Konsumenten tragen dazu bei, dass Smart-Factory-Technologien und die Fabrik der Zukunft entwickelt werden. Die als Amazon-Effekt bekannte Nachfrage der Konsumenten nach Lieferungen am nächsten Tag ist stetig und rasant gestiegen. Das Magazin Entrepreneur formulierte es im Jahr 2019 wie folgt: „Die US-Wirtschaft und die globale Wirtschaft bekommen sowohl die positiven als auch die negativen Auswirkungen des Amazon-Effekts deutlich zu spüren. […] Der Druck auf E-Commerce-Anbieter, ebenso schnell und effizient zu sein wie Amazon, wird immer größer, und es deutet nichts darauf hin, dass sich an diesen Erwartungen der Konsumenten etwas ändern könnte.“ Dieser Trend war einer der Hauptgründe für die steigende Nachfrage nach Smart-Factory-Technologien. Veraltete Systeme erwiesen sich als ungeeignet, die notwendigen Anforderungen an Logistik- und Lagerhaltungskapazitäten zu erfüllen, um mit dieser Entwicklung Schritt zu halten.

Bei ihrem Versuch, die Abhängigkeit von internationalen Partnern zu reduzieren, werden Hersteller und Supply-Chain-Manager mit weiteren Risiken und Störungen der Betriebsabläufe konfrontiert. Lösungen für intelligente Fabriken wie die On-Demand-Fertigung und virtuelle Bestände können die Abhängigkeit von Lieferanten und Herstellern in Übersee mit Sicherheit minimieren. Wie die Harvard Business Review in einem Artikel aus dem Jahr 2020 hervorhebt, ist es jedoch leichter gesagt als getan, die Fertigung zum Beispiel zurück in die USA zu verlegen. „Hersteller haben sich an Spezialisten und Subunternehmer gewandt, die nur in einem bestimmten Bereich tätig sind – und selbst diese Spezialisten müssen sich auf viele andere verlassen. Ebenso wie die Welt bei natürlichen Ressourcen wie Eisenerz oder Lithiummetall auf bestimmte Regionen angewiesen ist, ist sie auch von den Regionen abhängig geworden, in denen diese Spezialisten ansässig sind.“ Eine Steigerung der inländischen Fertigung kann zwar Kosten und Lieferkettenrisiken senken, aber nicht zwangsläufig die Zahl der Partner in Übersee, auf die man angewiesen ist, oder die Zahl der Glieder in der Kette. Es ist daher wichtiger denn je, dass mithilfe von Technologien für eine digitale Fabrik Effizienz und Transparenz deutlich verbessert werden können.

Wie funktioniert eine Smart Factory?

Oft entsteht der Eindruck, dass nur Smart Factories über automatisierte Prozesse verfügen – dabei werden Automatisierung und Robotik schon seit Jahrzehnten in Fertigungsabläufen eingesetzt. Viele traditionelle Fabriken setzen automatisierte Maschinen wie Barcode-Scanner, Kameras und digitalisierte Fertigungsanlagen in verschiedenen Betriebsbereichen ein. Allerdings sind diese Geräte nicht vernetzt. Die Menschen, Anlagen und Datenmanagementsysteme in einer traditionellen Fabrik arbeiten alle isoliert voneinander und müssen regelmäßig manuell abgestimmt und integriert werden.

Eine intelligente digitale Fabrik führt Maschinen, Menschen und Big Data in einem einzigen, digital vernetzten Netzwerk zusammen. Eine Smart Factory kuratiert und analysiert nicht nur Daten, sie lernt auch aus Erfahrungen. Sie interpretiert Datensätze und gewinnt daraus Erkenntnisse. Dadurch kann sie Trends und Ereignisse prognostizieren und intelligente Workflows und automatisierte Prozesse empfehlen und implementieren. Eine Smart Factory veranlasst kontinuierlich verfahrenstechnische Verbesserungen, um sich selbst zu korrigieren und zu optimieren. Sie kann also sich selbst (und den Menschen) beibringen, widerstandsfähiger, produktiver und sicherer zu werden.

Die Struktur einer Smart Factory

Die grundlegende Struktur einer Smart Factory kann allgemein in drei Schritten zusammengefasst werden:

Die drei wichtigsten Verfahren, die eine Smart Factory ausmachen

Datenerfassung: Künstliche Intelligenz und moderne Datenbanktechnologien ermöglichen das Kuratieren und Erfassen von unterschiedlichsten Datensätzen mit aussagekräftigen Daten im gesamten Unternehmen, in der kompletten Lieferkette und auf der ganzen Welt. Mithilfe von Sensoren und Gateways speisen vernetzte Maschinen über das Industrial Internet of Things (IIoT) Daten in das System. Über zahlreiche andere Datenportale können KI-gestützte Systeme Datensätze bezüglich Leistung, Markttrends, Logistik oder aus allen potenziell relevanten Quellen zusammenstellen.
Datenanalyse: Maschinelles Lernen und intelligente Geschäftssysteme bedienen sich fortschrittlicher Analysen und moderner Lösungen für das Datenmanagement, um aus den erfassten heterogenen Daten aussagekräftige Erkenntnisse zu gewinnen. IIoT-Sensoren können eine Warnung ausgeben, wenn Maschinen repariert oder gewartet werden müssen. Marktdaten und operative Daten können zusammengetragen werden, um Chancen und Risiken zu erkennen. Die Effizienz von Workflows kann im Zeitverlauf untersucht werden, um die Leistung zu optimieren und bei Bedarf automatisch zu korrigieren. Die Datensätze, die verglichen und analysiert werden können, bieten nahezu unbegrenzte Kombinationsmöglichkeiten für die Optimierung der Smart Factory und Prognosen für die Lieferkette
Automatisierung der intelligenten Fabrik: Nach der Datenerfassung und ‑analyse werden Workflows festgelegt und entsprechende Anweisungen an die Maschinen und Geräte im System gesendet. Diese Geräte können sich innerhalb der Fabrik befinden oder weit entfernt in Lieferkettengliedern für die Logistik oder Fertigung. Intelligente Workflows und Prozesse werden kontinuierlich überwacht und optimiert. Warnt ein Medienbericht vor einer Bedarfsspitze für ein bestimmtes Produkt, können die Workflows für 3-D-Drucker angewiesen werden, die Produktionspriorität für diesen Artikel zu erhöhen. Verzögert sich eine Rohstofflieferung, können Bestandspuffer so angepasst werden, dass Unterbrechungen vermieden werden.

Vorteile einer Smart Factory

Viele Unternehmen haben sich lange mit Lieferkettenabläufen und ‑systemen abgefunden, die sich in den letzten Jahrzehnten kaum verändert haben. Inzwischen sind aber die Konsumentenerwartungen so hoch wie nie und die wirtschaftliche Unsicherheit äußerst groß. Supply-Chain-Manager sind daher auf Lösungen angewiesen, die messbare, erhebliche Vorteile mit sich bringen – und das möglichst schnell. Laut dem Forbes-Magazin hatten im Jahr 2017 nur 43 % der Hersteller bereits Initiativen in Richtung Smart Factory angestoßen. Im Jahr 2019 waren es 68 %. Unternehmen, die in Lösungen für die digitale Transformation und den Aufbau einer Smart Factory investieren, sichern sich bedeutende Geschäftsvorteile:

Produktivität und Effizienz: Lange Zeit standen Reaktionen im Vordergrund der Fertigung: Es wurden vergangene Ereignisse oder Trends beobachtet und dann das Unternehmen entsprechend in eine neue Richtung gelenkt. Technologien für intelligente Fabriken sind darauf ausgelegt, weniger auf reaktive Verfahren angewiesen zu sein und das Supply-Chain-Management in einen widerstandsfähigeren und reaktionsfähigeren Modus zu versetzen. Durch vorausschauende Analysen und Big-Data-Analysen können optimierte Prozesse erkannt und eingerichtet werden. Die Bestandsführung nach dem Just-in-time-Prinzip, präzise Bedarfsprognosen und schnellere Markteinführungen sind nur einige der Effizienzvorteile von Smart Factories. Dank digitaler Einblicke können die Mitarbeiter in Smart Factories ihre Tätigkeiten optimieren und dadurch die Gesamtproduktivität des Betriebs steigern. In einer Studie zu intelligenten Fabriken aus dem Jahr 2019 schreibt Deloitte: „Unternehmen berichten nach ihren Investitionen in Smart-Factory-Initiativen von bis zu 12 % Steigerungen in Bereichen wie der Fertigungsleistung, der Fabrikauslastung und der Produktivität der Mitarbeiter. Zudem wird bei Herstellern mit Smart Factories die Netto-Arbeitsproduktivität bis zum Jahr 2030 voraussichtlich 30 % höher sein als in traditionellen Fabriken.“
Nachhaltigkeit und Sicherheit: Die Verbraucher sind zunehmend bereit, etwas mehr für Produkte auszugeben, wenn sie sicher sein können, dass diese auf sozial und ökologisch verantwortungsvolle Weise beschafft und hergestellt wurden. Moderne Smart-Factory-Technologien machen es für Unternehmen einfacher denn je, Möglichkeiten zu erkennen und umzusetzen, wie sie ihre Fertigungsverfahren umweltfreundlicher, sicherer und sozial verantwortungsvoller gestalten können. Mit digitalen Innovationen wie Blockchain und RFID-Sensoren können Smart-Factory-Manager eine unwiderlegbare Herkunfts- und Qualitätskontrolle aller Materialien und Hilfsstoffe sicherstellen – selbst bei weit entfernten Gliedern der Lieferkette. Die International Society of Automation berichtet zudem, dass Roboter und automatisierte Geräte dazu beitragen können, drei der fünf Hauptursachen für Verletzungen am Arbeitsplatz teilweise oder ganz zu beseitigen.
Produktqualität und Kundenerlebnis: Ähnlich wie bei dem Spiel „Stille Post“ konnten traditionelle Hersteller oft nicht sicherstellen, ob ihre Anweisungen von den Lieferanten und Herstellern der unteren Stufen in ihren Lieferketten wirklich korrekt empfangen und befolgt wurden. In der intelligenten Fabrik sorgen Cloud-Konnektivität und durchgängige Transparenz für Echtzeitinformationen und ‑empfehlungen auf allen Ebenen des Fertigungsprozesses. Die Fähigkeit einer schnellen Anpassung und Reaktion auf sich ändernde Trends führt dazu, dass die Produkte stets die neuesten Wünsche der Kunden erfüllen. Hochentwickelte Analysen der Systemdaten decken Schwachstellen oder verbesserungswürdige Bereiche rasch auf. Dadurch wird nicht nur die Wettbewerbsfähigkeit gesteigert, sondern die Produkte erhalten auch bessere Bewertungen und die Zahl der Retouren oder Rückrufe wird gesenkt.

Smart-Factory-Technologien

Smart-Factory-Technologien sind äußerst agil. Wird in einem Unternehmen der Fokus verstärkt auf die digitale Transformation gerichtet, gibt es nahezu unendlich viele Möglichkeiten, sie bedarfsgemäß zu skalieren, zu ändern und anzupassen.

Cloud-Konnektivität: Ob öffentlich, privat oder hybrid – die Cloud ist in einer intelligenten Fabrik der wichtigste Kanal für den Daten- und Informationsfluss. Die unternehmensweite und globale Cloud-Konnektivität sorgt dafür, dass jeder Unternehmensbereich mit Echtzeitdaten arbeitet und dass alle vernetzten Anlagen und Systeme sofort überblickt werden können.
Künstliche Intelligenz: Operative Systeme mit integrierten KI-Technologien verfügen über die erforderliche Geschwindigkeit, Leistungsfähigkeit und Flexibilität, um nicht nur unterschiedliche Datensätze zu erfassen und zu analysieren, sondern auch Echtzeiteinblicke und maßgeschneiderte Empfehlungen zu liefern. Die automatisierten Prozesse und intelligenten Systeme in einer Smart Factory werden durch künstliche Intelligenz kontinuierlich optimiert und mit Informationen versorgt.
Maschinelles Lernen: Einer der größten Vorteile, die maschinelles Lernen in einer Smart Factory bietet, ist die Möglichkeit einer innovativen vorausschauenden Instandhaltung. Durch die Überwachung und Analyse von Fertigungsprozessen können Warnungen ausgegeben werden, noch bevor ein Systemausfall auftritt. Je nach Situation kann eine automatisierte Wartung erfolgen oder ein menschliches Eingreifen empfohlen werden.

Big Data: Zuverlässige und große Datensätze ermöglichen in einer Smart Factory vorausschauende und fortschrittliche Analysen. Unternehmen ist der strategische Wert von Big Data schon lange bewusst. Doch bis vor Kurzem fehlten oft die erforderlichen Systeme für eine sinnvolle Nutzung dieser riesigen Datenmengen. Die digitale Transformation in Lieferketten und Smart Factories hat den Unternehmen ganz neue Perspektiven für Optimierungen und Innovationen mithilfe von Big-Data-Erkenntnissen eröffnet.

Industrielles Internet der Dinge (IIoT): Wenn Geräte und Maschinen in einer Smart Factory mit eindeutigen Kennungen ausgestattet sind und digitale Daten senden und empfangen können, werden sie Teil eines IIoT-Netzwerks. Moderne Maschinen verfügen möglicherweise bereits über digitale Portale, aber selbst die Produktivität von jahrzehntealten analogen Maschinen kann mithilfe von IIoT-Gateway-Geräten gesteigert werden. Im Wesentlichen melden die vom Gerät gesendeten Daten seinen Status und seine Aktivitäten, und die an das Gerät gesendeten Daten steuern und automatisieren dessen Aktionen und Workflows.

Digitale Zwillinge: Eine exakte virtuelle Nachbildung einer Maschine oder eines Systems ist ein digitaler Zwilling. Dieser ermöglicht ein Höchstmaß an Innovation und Kreativität bei minimalem operativem Risiko. Mithilfe eines digitalen Zwillings können die Leistungsgrenzen getestet werden, und er kann auf mehrere virtuelle Arten neu konfiguriert oder auf seine Kompatibilität innerhalb eines vorhandenen Systems getestet werden – und all das ohne Risiken oder Ressourcenverschwendung in der physischen Welt.

Additive Fertigung: Auch als 3-D-Druck bekannt, ermöglicht er Smart Factories, mithilfe von intelligenter Automatisierung eine On-Demand-Fertigung zu unterstützen. Dies ist insbesondere bei unerwarteten Unterbrechungen der Lieferkette oder einer plötzlichen Nachfrage nach einem Produkt von entscheidender Bedeutung. Doch selbst im Normalbetrieb können virtuelle Bestände und die dadurch mögliche Just-in-time-Fertigung Risiken und Ausschuss erheblich minimieren.

Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR): Im Jahr 2019 schrieb das Assembly Magazine, dass einige der Anwendungen von VR-Wearables in der Smart Factory eine Möglichkeit darstellen, „Umgebungsbedingungen, Lagerbestände, Prozesszustände, Daten zu Montagefehlern, Auslastung und Durchsatzkennzahlen kontextabhängig (also dort, wohin man gerade blickt oder geht) miteinander zu verbinden“. Durch das immersive sensorische Erlebnis können Nutzer ihre natürlichen Sinne standortübergreifend und jederzeit mit Echtzeitdaten ergänzen, um sich ein umfassendes Bild des Fabrikstatus zu machen.

Blockchain: Glücklicherweise halten Sicherheitslösungen mit der Weiterentwicklung der Smart-Factory-Technologien Schritt. Blockchain kann in der Lieferkette auf zahlreiche Arten eingesetzt werden: von der Erstellung „intelligenter Verträge“ mit Lieferanten bis hin zur Verfolgung der Herkunft von Waren und der Abwicklung entlang der gesamten Lieferkette. In intelligenten Fabriken ist Blockchain besonders geeignet, um den Zugriff auf vernetzte Anlagen und Maschinen im gesamten Unternehmen zu verwalten und so die Sicherheit des Systems und die Genauigkeit der von diesen Geräten gespeicherten Datensätze zu schützen.

Moderne Datenbank: In-Memory-Datenbanken und moderne ERP-Systeme bilden das „Gehirn“ hinter Industrie 4.0 und allen Lösungen für intelligente Fabriken und Lieferketten. Für veraltete, festplattenbasierte Datenbanken stellen die komplexen Funktionen für das Datenmanagement und die Analysen, die für den Betrieb von Smart Factories und modernen Lieferketten benötigt werden, eine große Herausforderung dar, an der sie oft scheitern.

Umsetzung einer Smart Factory

Das Jahr 2020 bescherte Unternehmen auf der ganzen Welt erhebliche Umwälzungen und operative Risiken. Im Jahr 2019 und damit vor COVID-19 gaben in einer Umfrage von Deloitte unter mehr als 600 Führungskräften aus dem Fertigungssektor 86 % an, dass ihrer Meinung nach „Smart-Factory-Initiativen in den nächsten fünf Jahren der wichtigste Wegbereiter für die Wettbewerbsfähigkeit in der Fertigungsindustrie sein werden.“ Digitale Transformation und die Modernisierung der Lieferkette sind für Unternehmen, die Innovation und Wettbewerbsfähigkeit anstreben, keine langfristigen Ziele mehr, sondern vordringliche und unmittelbare Prioritäten.

Wie Sie mit Ihrer Umgestaltung hin zu einer Smart Factory beginnen, hängt davon ab, wo Sie momentan stehen und welche Prozesse für Ihr Unternehmen am wichtigsten sind. Eine erste Systemprüfung hilft Ihnen bei der Analyse und Bestandsaufnahme der bestehenden Prozesse, Anlagen und Geschäftssysteme. Bevor Sie mit der Automatisierung von Workflows und Fertigungsprozessen starten können, müssen Sie zunächst bewerten, wie sie aktuell aussehen.

Zudem müssen Sie sich zu Beginn Ihrer digitalen Transformation vor Augen führen, dass das „Smart“ in Smart Factory auf die fortschrittlichen Funktionen für Datenanalysen und das Datenmanagement zurückzuführen ist. Eine moderne Datenbank und ein robustes ERP-System sind das „Gehirn“ einer intelligenten Fabrik. Sie unterstützen die erweiterten Funktionen, die das System steuern. Ein wichtiger Faktor für den Erfolg jeder Transformation hin zur Smart Factory ist die Fähigkeit der vorhandenen Geschäftssysteme, Big Data zu verwalten und Technologien wie KI, maschinelles Lernen und fortschrittliche Analysen zu integrieren.

Jedoch ist einer der großen Vorteile dieser Umgestaltungen, dass Sie nicht alles auf einmal umsetzen müssen, um Erfolge zu sehen. Auch müssen bestehende Geschäftsaktivitäten nicht unterbrochen oder angehalten werden. Jede einzelne Initiative zur Modernisierung und Optimierung der digitalen Systeme bringt ein Unternehmen einen Schritt näher zu einer vollständig integrierten Smart Factory. Darüber hinaus sind Smart-Factory-Technologien darauf ausgelegt, Daten zu erfassen und zu analysieren. Das bedeutet, dass die Auswirkungen und der ROI neuer digitaler Technologien vom Zeitpunkt der Installation an gemessen und bewertet werden können.

Smart Factorys in Aktion

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