Industrie 4.0 ist kein Technik-Hype

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Wie wir in der aktuellen Situation sehen, sind effiziente, flexible Prozesse und Systeme in Produktion und Logistik für Unternehmen unerlässlich. Nur so können Firmen schnell auf veränderte Umstände reagieren. Als die erste Version unseres Digitalisierungreports verfasst wurde, konnten wir die Lage, in der wir uns heute befinden, nicht absehen. Nichtsdestotrotz sind wir davon überzeugt, dass der strategische Einsatz von IoT-Technologien in Produktionsbetrieben Unternehmen in die Lage versetzen kann, solche Ereignisse vorherzusehen und darauf zu reagieren.
Aber welche Arten von Anwendungen sind möglich, welche Verbesserungen können erreicht werden und wie treibt Zielpuls Industrie 4.0 Initiativen voran? Auf all diese Fragen gehen wir in unserem Digitalisierungsreport - Industrie 4.0 ein:

Die Digitalisierung hat in der Industrie inzwischen Fahrt aufgenommen. Immer mehr Unternehmen erkennen, dass es sich bei Industrie 4.0 nicht um einen vorübergehenden Technik-Hype handelt. Vielmehr stellen die datengetriebene Steuerung und Optimierung von Prozessen einen Paradigmenwechsel dar, den produzierende Unternehmen zunehmend in ihren Strategien verankern. Eine breite Palette möglicher Use Cases kann dabei zu signifikanten Verbesserungen der Produktivität, Agilität sowie der Individualisierung führen. Dabei können Produktion und Logistik als Keimzelle für Digitalisierungsinitiativen in benachbarten Unternehmensbereichen fungieren. Die dafür erforderlichen technischen Lösungen folgen alle dem gleichen Prinzip: Daten werden automatisch erfasst, weitergeleitet, zentral zusammengeführt und gespeichert, bevor sie zum Abschluss verwertet werden können. Zu diesem Zweck werden von namhaften Anbietern aus der IT-Branche, dem Maschinenbau und der Ingenieurstechnologie derzeit schon unterschiedliche Produkte angeboten. Die Einführung solcher Systeme im Unternehmen erfolgt dabei nach dem bewährten Grundsatz „think big, start small, scale fast“. Mit den damit verbundenen Herausforderungen hat Zielpuls einschlägige Erfahrungen gesammelt und in der täglichen Projektarbeit einen methodischen Ansatz etabliert.

Einleitung

Industrie 4.0 (Abkürzung: I4.0) und das Industrial Internet of Things (Abk.: IIoT) sind zwei Begriffe, die derzeit immer häufiger verwendet werden. Doch was verbirgt sich hinter diesen oftmals als Buzzwords genutzten Konzepten? Während man unter I4.0 vor allem die Digitalisierung von Prozessen in der Industrie versteht, beschreibt das Konzept IIoT die technische Struktur der resultierenden Systeme: In IIoT-Lösungen sind alle Objekte miteinander vernetzt, sammeln systematisch Daten, bereiten Informationen auf und machen diese für wertschöpfende Maßnahmen nutzbar. Das Resultat von I4.0-Initiativen und einer breiten Anwendung von IIoT sind voll vernetzte Unternehmen, in denen Fabriken, Maschinen und Transportsysteme weitgehend autonom Produkte herstellen. Doch welche Benefits werden durch solche Initiativen ermöglicht? Wie sollte man vorgehen und mit welchen Herausforderungen muss man dabei rechnen? Dieser Zielpuls Digitalisierungsreport fasst unsere umfangreichen Erfahrungen in fabrikbezogenen Digitalisierungsinitiativen zusammen und bietet eine erste Orientierung. Um einen konkreten Leitfaden zur Realisierung von I4.0-Projekten zu bieten, beschreiben wir die Zielpuls Best-Practices für das Vorgehen und Vorantreiben von Digitalisierungsinitiativen, sowie die besonderen Herausforderungen dabei.

 

Anwendungsfelder

I4.0-Initiativen sind strategische Entscheidungen, nicht nur Lösungen für einzelne Probleme. Große Organisationen agieren oft noch in einem Modus, der darauf abzielt den prozessualen Status Quo zu bewahren und nur die Probleme anzugehen, die diesem sichtbar zuwider laufen. Aus dieser Perspektive wäre wohl „Problemfelder“ die verständlichere Überschrift. Tatsächlich soll der bewusst gewählte Begriff „Anwendungsfeld“ zeigen, dass der Einsatz digitaler Technologien in vielen Anwendungsfeldern möglich ist und sinnvoll sein kann, auch wenn diese heutzutage nicht als klassische Probleme mit akutem Handlungsbedarf empfunden werden. In unserer Erfahrung ist diese Unterscheidung wesentlich, denn die Essenz der Digitalisierung liegt darin, den Ist-Zustand zu hinterfragen und nach technischen Lösungen zu suchen, welche diesen verbessern.

Digitalisierung ist viel mehr als nur Predictive Maintenance. Die wohl meistgenannten Anwendungsfelder der I4.0 fallen in die Ressorts Produktion und Logistik. In diesem Kontext wird häufig das Thema „Predictive Maintenance“ genannt, d.h. die vorausschauende Wartung von Maschinen und Anlagen. Dabei stellt dieses Beispiel nur die unmittelbarste Form für wertschöpfende Digitalisierung in der Fertigung dar. Weitere vielversprechende Prozesse für Digitalisierung in der Produktion sind beispielsweise die (teil)automatisierte Aussteuerung von Produktionsprozessen und Qualitätssicherung, über die intelligente Planung von Produktionsprogrammen bis hin zu autonomen Logistiksystemen (siehe untenstehende Abbildung). In all diesen Anwendungsfällen können Echtzeitdaten aus dem operativen Betrieb in die Planung und Prozessausführung integriert werden. Ergänzt um klassische Automatisierung von Prozessen (z.B. Roboter im Materialhandling) kann auf diese Weiseaein weitgehend autonomer Prozessablauf erreicht werden. Sind Fabriken zudem auch strukturell flexibel, befähigt diese Kombination aus datengetriebener Steuerung und Automatisierung zu einer auftragsorientierten Fertigung individueller Produkte.

Use Cases in Produktion und Logistik

Neben Produktion und Logistik können digitale Anwendungen in jedem Geschäftsprozess eines Unternehmens eingesetzt werden, vom Vertrieb bis hin zum Einkauf. So liegt beispielsweise gerade in administrativen Aufgaben, die repetitiv sind, und nach klaren Regeln ablaufen, ein großes Potenzial für Lösungen, die Arbeitsabläufe datengetrieben automatisieren. Dementsprechend sollten Entscheider darauf achten den Begriff I4.0 nicht zu eng verstehen. Vielmehr sollten die Prozesse  in der Produktion als Ausgangspunkt gesehen werden, um systematisch weitere Anwendungsfelder zu identifizieren. Deshalb sollte der Fokus nach einer tiefgehenden Exploration der Möglichkeiten in diesen Bereichen bewusst erweitert werden, um auch die benachbarten und unterstützenden Prozesse und Bereiche innerhalb des Unternehmens auf Potenziale und Synergien zu untersuchen. Nur so lässt sich sicherstellen, dass die abgeleiteten Maßnahmen die globalen Potenziale heben, und nicht nur das nächste lokale Optimum darstellen.

 

Effekte von Digtalisierungsinitiativen

Benefits in vielen relevanten KPI Dimensionen zur Verbesserung der Produktivität und Agilität. Die I4.0 ermöglicht also vielfältige Use Cases, von denen jeder einzelne signifikante Verbesserungen bewirken kann. Doch wie hoch sind die Verbesserungspotenziale, bezogen auf konkrete KPIs? Tatsächlich können durch das systematische Sammeln und Verwerten von Informationen bereits im Kernbereich der Produktion deutliche Effekte in den Bereichen Produktivität und Agilität erzielt werden. Unsere Erfahrungen aus Projekten mit Unternehmen aus unterschiedlichen Branchen, in denen wir I4.0 Ansätze implementiert haben, zeigten sich die in Abbildung 2 dargestellten Verbesserungspotenziale.

Bei einem unserer Kunden, einem Hersteller von Medizinprodukten, konnten wir durch die systematische Erfassung und Bereitstellung von Daten für eine deutlich erhöhte Transparenz in der Fertigung sorgen. Dadurch können plötzlich Analysen auf einer konkreten und breiten Datenbasis durchgeführt und Ursachen für Abweichungen festgestellt werden, was Einsparungen in Millionenhöhe möglich macht. Ebenso befähigt die globale Erfassung und Zusammenführung von Performancedaten dazu, Trends zu erkennen und – wenn nötig – gegenzusteuern. Die technische Lösung, die dies ermöglicht, wurde jedoch nicht nur im Hinblick auf die derzeitigen Bedarfe ausgelegt. Vielmehr bietet sie diverse Schnittstellen und Möglichkeiten, um auch in Zukunft neue Technologien in das Gesamtsystem zu integrieren und so weitere Effizienzgewinne und Prozessinnovationen zu schaffen.

Verbesserungen in Kundenprojekten

Lösungen und Features

Um signifikante Potenziale realisieren zu können, wird jedoch eine gewisse Infrastruktur benötigt. Wie diese aussieht und welchen Einfluss das auf die unternehmensweite IT-Architektur hat, erklären wir in diesem Abschnitt.

Funktionale Architektur

Die technischen Lösungen, die benötigt werden, um die festgestellten Potenziale auszuschöpfen, sind im Detail ebenso unternehmensspezifisch wie die Use Cases, die realisiert werden sollen. Dennoch bilden diese spezifischen Lösungen in der Regel Strukturen, die sich immer wiederfinden und wie folgt beschrieben werden können.
Ein gute Analogie, um die nötigen Schritte zu erklären, ist die einer Supply Chain. Sensoren an den Maschinen stellen die Quelle des Rohmaterials, also der Daten, dar. Von den Maschinen werden die Daten über Bus- und Ethernetverbindungen weitergeleitet, um in zentralen Datenbanken zusammengeführt und gespeichert zu werden. Diese Prozesse können als Transport- und Lagerprozesse verstanden werden. Zugleich werden Daten oft auch transformiert, zum Beispiel indem sie mit weiteren Informationen angereichert werden, oder wenn Daten aus unterschiedlichen Quellen in ein einheitliches Format gebracht werden. Diesen Schritt kann man sich als Rüstprozess vorstellen, der vor der eigentlichen Wertschöpfung stattfindet. Die hauptsächliche Wertschöpfung geschieht vor allem durch tiefe Analysen, in denen aus den Informationen Erkenntnisse gewonnen und Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet werden. Ebenso können die Daten zur automatischen Auslösung und Steuerung von Prozessen genutzt werden. Da sowohl durch die Analysierbarkeit wie auch die Automatisierung Mehrwerte generiert werden, kann man sie wie den eigentlichen Produktionsprozess betrachten. Der weitgehend automatisierte Ablauf der gesamten Prozesskette ermöglicht sehr kurze Durchlaufzeiten. Durch zusätzliche Nutzung von künstlicher Intelligenz können dazu vor allem komplexe Analysen automatisch ausgeführt werden, die von Menschenhand bisher nur sehr langwierig oder kaum zu bewältigen waren.

Funktionelle Architektur von IIOT Initiativen

Physical Architecture

Physische Architektur in UnternehmenUm eine solche „Informations-Supply-Chain“ in der Praxis umzusetzen, sind Anpassungen in der IT-Landschaft nötig. Während die Maschinen und IT-Systeme in der Produktion traditionell in vielen Unternehmen nur geringfügig oder gar nicht mit den übergeordneten ERP und anderen Geschäftsanwendungen vernetzt waren, muss für I4.0 Anwendungen eine durchgängige Informationsübertragung gewährleistet sein. Dies kann über IIoT-Plattformen erreicht werden, die explizit dem Sammeln, Speichern, Austauschen und Transformieren von Daten gewidmet sind. Solche Plattformen bieten spezielle Funktionen, um neue Informationsquellen und Clients wie z.B. ERP und PLM Systeme sowie Analytics-Anwendungen mit geringem Aufwand einzubinden. Ein positiver Nebeneffekt einer solchen zentralen IIoT-Plattform ist, dass dadurch automatisch ein hoher Grad an Transparenz über Informationsflüsse hergestellt wird. Derzeit steht eine Vielzahl an IIoT-Plattformen zur Wahl, die sowohl von Herstellern aus dem klassischen Anlagenbau angeboten werden (z.B. Siemens, GE, Hitachi), wie auch von Unternehmen, deren Wurzeln im IT-Sektor liegen (z.B. Microsoft, Amazon Web Services, Oracle, PTC).

physische Architektur von IIOT-Systemen

Initiativen vorantreiben

Welches Vorgehen empfiehlt sich nun, um IIoT Initiativen und die Digitalisierung im eigenen Unternehmen voranzutreiben? Aus unseren bisherigen Digitalisierungsprojekten und unserem Branchenwissen haben wir einen Best-Practice Ansatz entwickelt, der vier Stufen vorsieht:

  1. Value Exploration: In dieser initialen Phase wird der Status quo festgestellt und die Möglichkeiten für Use Cases ausgelotet. Das Ergebnis dieser Phase ist eine Landkarte mit möglichen Use Cases, die der Kunde in seiner spezifischen Situation umsetzen kann. Zudem sollen bereits mit der Implementierung Use Cases umgesetzt werden, die die anfallenden Kosten schnell amortisieren.
  2. Solution Design: Auf Basis der Anforderungen, die sich aus den Use Cases ergeben, entwickeln wir eine oder mehrere Lösungen. Diese Lösungen können z.B. IT-Architekturen sein, sowie auch Minimum Viable Products und Software Prototypen.
  3. Implement & Transform: Wurde eine Lösung ausgewählt, geht es an die Umsetzung. In diesem Schritt werden beispielsweise Proof-of-concepts, Pilotierungen oder erste Rollout-Wellen implementiert. Als Resultat können schon die ersten Benefits realisiert werden.
  4. Grow & Accelerate: Im letzten Schritt wird die gefundene Lösung skaliert. Wurden die technischen Voraussetzungen im vorherigen Schritt geschaffen, zielt die Skalierung darauf ab, über die Umsetzung weiterer Use Cases und Rollout in zusätzlichen Werken die positiven Effekte zu multiplizieren.

Diese Schritte haben sich aus verschiedenen Gründen bewährt. Zum einen ermöglicht die explizite Unterscheidung der Value Exploration und des Solution Designs, das man zu Beginn nicht nur eine Lösung allein für unmittelbare Probleme entwickelt. Lösung allein für unmittelbare Probleme entwickelt. Anstatt dessen wird zuerst das breite Spektrum aller denkbaren Handlungsoptionen analysiert und erfasst. Diese Optionen können danach auf Gemeinsamkeiten untersucht und für die Umsetzung zeitlich priorisiert werden. Dadurch hat man von Anfang an die Anforderungen aller Optionen im Blick und kann vorausschauend planen und Möglichkeiten vorhalten, um die spätere Lösung effizient zu erweitern. Die Motivation zur stufenweisen Umsetzung in der Implementierungs- und Wachstumsphase liegt darin, dass nach der ersten Implementierung in der Regel ein Lernprozess und gegebenenfalls auch Anpassungen der Lösungen stattfinden können. Dadurch ist gewährleistet, dass sowohl die zu implementierende Lösung, wie auch der Implementierungsvorgang selbst bestmöglich und effizient umgesetzt werden können, ohne unvorhergesehene Schwierigkeiten gleich in der ganzen Breite anzutreffen.

Zielpuls - strategische Ziele

Bei der ersten Implementierung und in der darauf folgenden Skalierung verfolgen wir typischerweise drei Ziele. Das oberste Ziel unseres Vorgehens besteht darin, durch systematisches Vorgehen und innovatives Denken eine IT-Struktur zu entwickeln, die zur Umsetzung der Use Cases im Nahbereich befähigt, aber auch für spätere Use Cases geeignet ist. Dies muss im Bewusstsein geschehen, dass die benötigte IT-Struktur selbst noch keine Benefits generiert. Deshalb wird der Fokus direkt im Anschluss darauf gelegt, die Effizienz- bzw. Optimierungspotenziale zu identifizieren und zu heben, um einen positiven ROI zu erreichen. Im letzten Schritt konzentriert man sich darauf, die Flexibilität in der Produktion zu erhöhen. Dabei verfolgen wir das Ziel, die erreichte Effizienz nachhaltig abzusichern und die Ergebnisse der Produktionsorganisation robuster gegen störende Einflüsse wie Nachfrageschwankungen zu machen.

Wo liegen die besonderen Herausforderungen bei der Umsetzung? Trotz eines klaren Plans und möglicher Use Cases ist die Umsetzung eines I4.0-Projekts alles andere als trivial. Die Ursache dafür bestehen in der Abhängigkeit von den individuellen Gegebenheiten und dem derzeitigen Stand der Technik im Unternehmen. Dabei ist eine besondere Herausforderung, dass der Teufel häufig im Detail steckt. IIoT-Lösungen sind technisch durchaus komplex und sollen sich trotzdem nahtlos in die unternehmensweite IT-Landschaft einfügen. Um nicht nur die Katze im Sack zu kaufen und später festzustellen, dass die gewünschten Effekte mit der gewählten Lösung nicht realisiert werden können, bedarf es eines tiefgehenden Verständnisses der bestehenden technischen Gegebenheiten, sowie der Eigenschaften zukünftiger Plattformen. Sowohl das initiale Umsetzungsprojekt wie auch spätere Erweiterungen beinhalten das Entwickeln und Anpassen von IT-Lösungen, deren konkrete Form zu Anfang noch unklar ist. Hier hilft es einen Ansatz zu wählen, der in iterativen Schritten zu einer bedarfsgerechten Lösung führt und genug Raum zum Ausprobieren und Lernen bietet. Ein weiterer Faktor ist die Kultur im Unternehmen, die Umsetzungen sowohl positiv wie auch negativ beeinflussen kann. Da IIoT-Lösungen oftmals mit prozessualen Anpassungen im operativen Betrieb der Fabrik einhergehen, ist hier ein frühes Einbeziehen der relevanten Stakeholder eine wichtige Maßnahme, um die nötige Akzeptanz zu erreichen. Bleibt dieser wichtige Schritt aus, läuft man Gefahr eine Lösung zu entwickeln, die von der Belegschaft nicht genutzt wird.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, bedienen wir uns in jeder der einzelnen Projektphasen verschiedener Methoden. In der Explorationsphase eines typischen Projekts wenden wir beispielsweise Kreativitätstechniken wie Design Thinking an oder halten thematisch passende Break-out Sessions, um unsere Kunden zu inspirieren. Ebenso häufig beziehen wir die relevanten Teile der Belegschaft frühzeitig und aktiv in die Lösungsfindung ein, um gemeinschaftliches Ergebnis zu erreichen. In der darauffolgenden Solution Design Phase wenden wir systematisches Requirements Engineering an, sowie agile Methoden zur Softwareentwicklung. Um Entscheidungen über die Auswahl und Umsetzung einzelner Use Cases fundiert treffen zu können, führen wir unter anderem auch Business Cases und SWOT Analysen durch. Schließlich gehört neben unterschiedlichen Projektmanagementmethoden auch Stakeholder-management zu unseren Kompetenzen.

Fazit und Ausblick

Tatsächlich wissen wir aus unseren Projekten, dass immer mehr Unternehmen IIoT-Lösungen in der täglichen Praxis anwenden. Die methodische und IT-gestützte Verwertung von Informationen, motiviert sie dazu, die darin liegenden wirtschaftlichen Potenziale zu heben. Dabei ist die Adoptionsrate und ihre Entwicklung teilweise abhängig von der Branche, in denen Regulierungsgrad und Wettbewerbsintensität für unterschiedliche Dynamiken sorgen. Dennoch lassen sich immer mehr konkrete Anwendungsszenarien identifizieren und erschließen, die zu großen Effizienzgewinnen verhelfen. Auf der anderen Seite zeigt ein breites Angebot von IIoT-Plattformen, dass die Lösungen und Technologien inzwischen auf Industriestandard angekommen sind.  Zwar erwarten wir, dass sich dieser Markt noch konsolidieren wird, dennoch deuten die vielen namhaften Anbieter auf die hohe Relevanz und wirtschaftlichen Potenziale hin, die in diesem Themenfeld liegen.

Wir bei Zielpuls begleiten Sie gerne auf Ihrem Weg in die Zukunft, indem wir Sie bei der Planung und Umsetzung ihrer IIoT-Technologiestrategie unterstützen. Dabei helfen wir Ihnen gerne mit unserer Projekterfahrung und unserem breiten Spektrum an Kompetenzen in digitalen Technologien, um ein für Sie optimal passendes Konzept zu entwickeln und in den operativen Betrieb zu bringen.

Autoren: Dr. Johannes Unglert, Ilja Stucken, Ben Carl

Autor: Anita Völk Allgemein, News,