Smart Factory: Die Fabrik der Zukunft

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Datum 09.12.2021
Lesezeit 7 Min.

Smart Factory: Die Fabrik der Zukunft

Hinter dem Begriff der Smart Factory steht die Vision einer intelligenten Fabrik, deren Produktionsumgebung vollständig vernetzt ist. Kund:innen erwarten eine Vielfalt an Produktvarianten sowie kurze Lieferfristen. Daneben müssen Unternehmen mehr denn je in der Lage sein, sich schnell an veränderte Markt- und Rahmenbedingungen anzupassen. Die smarte Vernetzung verschiedener Unternehmensbereiche sowie die daraus resultierende hohe Flexibilität bilden den Kern der Industrie 4.0. Produktionsprozesse laufen darin weitgehend autark von menschlichen Eingriffen ab. Was eine Smart Factory ist, welche Bestandteile in ihr wie zusammenarbeiten und welche Effizienzgewinne durch vernetzte Industrieprozesse insgesamt möglich sind, erfahren Sie hier.

Die wesentliche Basis für Smart Factories ist das Industrial Internet of Things (IIoT). Es ermöglicht die Kommunikation zwischen allen Komponenten innerhalb einer Produktionskette. Darunter fallen Produktionsanlagen und Roboter, aber auch Transportsysteme und Bauteile. Durch die komplette Vernetzung sämtlicher Teilbereiche organisiert sich die Smart Factory idealerweise von selbst. In der Praxis ergeben sich allerdings verschiedene Ansatzpunkte, um die Fertigung tatsächlich smart zu machen. Vorteile wie zum Beispiel eine beschleunigte Planung und Entwicklung, smarte Analyseprozesse oder effizientere Produktionsabläufe überwiegen bei Weitem – doch dafür sind gewisse technische und organisatorische Voraussetzungen notwendig.

 

Was ist eine Smart Factory?

Der Begriff „Smart Factory” lässt sich wörtlich mit „intelligente Fabrik“ übersetzen. Dies trifft den Kern der Definition bereits gut. Produktionsprozesse mussten zwar schon immer intelligent organisiert sein, um möglichst effizient und profitabel zu sein. Dies begann historisch bereits in der Aufsplittung von Produktionsabläufen in Manufakturen, setzte sich in der Industrialisierung mit ihren Maschinen fort und kulminierte in automatisierten Produktionsabläufen der Gegenwart. Dreh- und Angelpunkt der Produktionsumgebung war jedoch vor allem der Mensch und dessen Arbeitskraft.

Durch die vollständige Vernetzung der Automatisierung hat sich dies geändert: Sämtliche Anlagen, Prozesse und Produkte sind durch das IIoT miteinander verknüpft. Mithilfe des permanenten Datenaustauschs zwischen Produktionsanlagen und Produkten sowie zwischen Fertigungsanlagen und Logistiksystemen organisiert sich die Smart Factory also grundlegend von selbst. Der Mensch muss diese Abläufe lediglich initiieren, überwachen und auswerten, um Fehler zu beheben oder Optimierungen vorzunehmen.

Doch die intelligente Fabrik endet nicht mit der Erstellung eines Produkts. Auch die Vernetzung und Kommunikation mit anderen Unternehmensbereichen sowie mit Zulieferer:innen und Kund:innen wird durch die Smart Factory möglich. Dies beginnt bei der Auftragsannahme und erstreckt sich bis hin zur Lagerlogistik und Auslieferung.

 

Was macht eine Smart Factory aus?

Die Vision einer Smart Factory besteht aus der intelligenten Vernetzung all ihrer Produktionsbestandteile. Die Grundlage dafür bilden Cyber Physical Systems (CPS). Bei diesen Systemen werden IT-Komponenten und Software mit mechanischen und elektronischen Systemen verbunden. Damit können zwischen diesen nicht nur Daten ausgetauscht werden, sondern es wird die Steuerung und Kontrolle der Infrastruktur des gesamten Produktionsprozesses ermöglicht.

Im Gegensatz zur manuellen Erfassung und Eingabe von Befehlen entfallen Verzögerungen während des Produktionsablaufs: Analyse, Befehlsübertragung und Steuerung von stationären und mobilen Systemen erfolgen in Echtzeit über das IIoT. Produkte oder deren Bauteile werden im Fertigungsprozess via RFID (Radio Frequency Identification) oder Bluetooth angesteuert. Durch die Anpassungsfähigkeit und die individualisierten Produktionsabläufe für alle Bereiche und Branchen stellen CPS eine Kernkomponente der Smart Factory innerhalb der Industrie 4.0 dar.

Ausklappbare Informationsgrafik

Die Investitionen in die Industrie 4.0 haben sich in Deutschland innerhalb von fünf Jahren verdoppelt. Quelle: Statista


Um die ordnungsgemäße Digitalisierung der Fertigungsabläufe und die beschriebene Kommunikation der Komponenten sicherzustellen, sind allerdings einige technische Voraussetzungen nötig:

  • State-of-the-Art-Informationstechnik zur Etablierung des Industrial Internet of Things (u.a. Sensoren, Prozessoren, Funktechnik)
  • Cyber Physical Systems (CPS)
  • RFID-Chips, Bluetooth oder WLAN zur drahtlosen Kommunikation
  • ein leistungsfähiges Datennetz (zum Beispiel 5G)
  • Technologien zur Erfassung von Big Data
  • Cloud-Computing-Services
  • Überwachungs- und Steuerungssysteme (Embedded Systems)

 

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Welche Rolle spielt der Mensch in Smart Factories?

Durch die Etablierung der Smart Factory wandelt sich auch die Rolle des Menschen. Wenn Produktionsprozesse weitgehend automatisiert ablaufen, reduzieren sich vor allem die Routineaufgaben, die vorher nicht durch Maschinen übernommen worden sind. Dennoch spielt der Mensch auch in der Industrie 4.0 noch eine entscheidende Rolle: Digitalisierte und selbststeuernde Abläufe benötigen nach wie vor Kontrolle, gleichzeitig nehmen Mitarbeiter:innen in der Produktion Fehlerdiagnosen und Optimierungen vor.

Daneben obliegt Entwickler:innen das grundlegende Design der Smart Factory. Sowohl die zu automatisierenden Fertigungsabläufe, als auch die Vernetzung mit anderen Unternehmensbereichen sowie externen Systemen benötigen zudem Entwicklung, Überwachung und gegebenenfalls Anpassungen.

Diese Tätigkeiten finden jedoch künftig immer weniger „on site” statt, sondern verlagern sich in den virtuellen Raum. Der Zugriff auf sämtliche Produktionskomponenten und externe Schnittstellen via Augmented Reality (beispielsweise mittels einer Virtual-Reality-Brille) reduziert den physischen Kontakt deutlich. Eine Vor-Ort-Wartung wird allenfalls bei mechanischen oder hardwareseitigen Problemen notwendig.

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Anwendung für die Smart Factory: Der Digital Twin

Bereits bei der Planung von Produktionsprozessen einer Smart Factory kommen Modelle zum Einsatz, die deren Anwendung perfekt simulieren können. Die digitale Darstellung eines physischen Prozesses wird Digital Twin genannt und kann den kompletten Lebenszyklus einer Maschine abbilden. Dies gestaltet sich unabhängig davon, ob die Maschine bereits im Einsatz ist oder erst noch ihre Arbeit aufnehmen soll.

Der Digital Twin bildet die komplette Produktionskette von der Warenanlieferung über die Fertigung bis zur Auslieferung des fertigen Produkts ab. Dies wird mittels der erhobenen Sensor- und Telemetriedaten der in der Smart Factory verbundenen Geräte erfasst und als ganzheitliches Modell simuliert. Dabei entsteht eine transparente Visualisierung der Daten zur Analyse und Weiterentwicklung.

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Ein Digital Twin ermöglicht Unternehmen konkret:

  • Monitoring-Funktion zur Fehleranalyse via Virtual Reality (unter möglicher Einbeziehung externer Sachverständiger)
  • Bessere Planbarkeit und Zukunftsprognosen hinsichtlich neuer oder veränderter Produktionsabläufe
  • Reduktion von Verzögerungen und Optimierung von Workflows zur Effizienz- und Qualitätssteigerung
  • Simulation und Überwachung des Ressourcenverbrauchs
  • Individuelle Anpassungen von Produktionsprozessen in Koordination mit externen Partner:innen und Kund:innen
  • Schulungsinstrument für Mitarbeiter:innen

Beispiel: In einer Autofabrik simuliert ein Digital Twin den Wareneingang durch einen Zulieferer von Komponenten für die Karosserie. Die verwendeten Rohstoffe, deren Weiterverarbeitung an verschiedenen Stationen des Produktionswegs und am Ende deren Integration durch mit Sensoren ausgestattete Roboter in das fertige Fahrzeug werden mit sämtlichen Daten erfasst: Wie lange haben Abläufe gedauert? Wo kam es zu Verzögerungen oder Fehlern? Wie verändert sich die Stückzahl verbauter Einheiten und deren Zeitvolumen? Aus der Vielzahl der gesammelten Daten kann der komplette Produktionsweg analysiert und optimiert werden, um dessen Effizienz und damit die Rentabilität zu erhöhen.




Quelle: YouTube / PlusServer GmbH

 

Die Smart Factory und die Cloud

Eine Smart Factory erfasst in jeder Sekunde eine Vielzahl von Daten. Sämtliche Maschinen und Komponenten senden permanent Informationen, die in einem so genannten Enterprise-Ressource-Planning-System (ERP) gebündelt und weiterverarbeitet werden. Diese Daten müssen an einem Ort für alle am Wertschöpfungsprozess beteiligten Personen zugänglich und gleichzeitig sicher vor unbefugtem Zugriff sein.

Der herkömmliche Weg für Unternehmen war, ihre ERP-Systeme (beispielsweise auf SAP-Basis) lokal zu hosten, beispielsweise in einem eigenen Rechenzentrum oder Serverraum. Dies erzeugte jedoch hohe Betriebskosten und benötigte entsprechende In-House-Expertise. Zugunsten der vollen Kontrolle über die Daten musste also eine eigene, aufwendige IT-Infrastruktur errichtet und unterhalten werden.

Die Verlagerung der ERP-Systeme in die Cloud hat für Unternehmen dagegen jedoch folgende Vorteile:

  1. Kostenersparnis: Die Cloud erspart einem Unternehmen hohe Anschaffungs- und Unterhaltskosten. In Anbetracht immer leistungsfähigerer Komponenten und Applikationen entfallen Investitionen in Hardware-Upgrades und Software-Updates. Durch flexibel anpassbare Lizenzmodelle sind die Betriebskosten für die Cloud und deren gehostete ERP-Systeme betriebswirtschaftlich leicht zu kalkulieren.
  2. Flexibilität: Umfang und Leistung der in der Cloud gehosteten Systeme lassen sich jederzeit anpassen. Veränderungen erfordern wenig Vorplanung, so dass Unternehmen kurzfristig auf neue Entwicklungen oder Anforderungen von Kund:innen eingehen können.
  3. Verfügbarkeit: Die Cloud ist für Mitarbeiter:innen eines Unternehmens jederzeit und von jedem Ort aus erreichbar. Im Zuge von Home-Office und Remote Work („New Work”) sind VPN-Zugänge und die dezentrale Anbindung an die interne Netzwerkarchitektur häufig bereits obligatorisch. ERP-Systeme in der Cloud können hier üblicherweise problemlos integriert werden.
  4. Effizienz: Mit der Cloud steigt die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung. Durch Edge Computing und die Einbindung eines 5G-Campus-Netzes in einer Smart Factory sinken die Latenzen. Daten können dadurch in Echtzeit verarbeitet werden, obwohl sie in der Cloud gehostet werden.
  5. Sicherheit: Viele Unternehmen fürchten um die Sicherheit der eigenen oder der Daten von Kunden in der Cloud. Durch spezialisierte Cloud-Anbieter können die Sicherheitsanforderungen je nach lokalem Standort angepasst werden und ersparen die Beschäftigung eigener Mitarbeiter:innen für diesen Zweck. Auch datenschutzrechtliche Bestimmungen werden hier gemeinhin besser und schneller umgesetzt als bei der aufwendigen Integration in unternehmenseigene Systeme.
  6. Administration: ERP-Systeme in der Cloud automatisieren administrative Aufgaben und entlasten so die unternehmenseigene IT-Abteilung. Darunter fallen beispielsweise das Ausrollen von Updates, die Datenbankverwaltung oder das Reporting weg. Unternehmenseigene Mitarbeiter:innen können sich somit auf die Abbildung der Geschäftsprozesse in den Cloud-Systemen konzentrieren.

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Neue Geschäftsmodelle: Smart Factories as a Service

Das Geschäftsmodell der Smart Factory as a Service (SFaaS) ist ein Angebot externer Dienstleister und ermöglicht produzierenden Unternehmen, ihre gesamte Wertschöpfungskette zu digitalisieren. Dies beginnt bei der automatisierten Produktion durch Roboter, setzt sich über die Vernetzung sämtlicher Komponenten des Produktionsprozesses fort und beinhaltet darüber hinaus auch Finanzierungsmodelle und Risikomanagement.

Unternehmen können sich damit weiterhin auf ihr Kerngeschäft konzentrieren, während die Umwandlung einer klassischen Unternehmensstruktur zu einer Smart Factory ausgelagert wird. Teile der dafür notwendigen Investitionskosten müssen somit nicht selbst getragen werden – gleichzeitig wird dadurch aber die Transformation hin zu einem flexibel anpassbaren Produktionsprozess ermöglicht, der dem Unternehmen die Vorteile einer Smart Factory verschafft.

Die vollständig automatisierte Produktion einer Smart Factory

Die Umstellung auf eine Smart Factory ist mit Investitionen verbunden. Das Geschäftsmodell Smart Factory as a Service (SFaaS) unterstützt Unternehmen bei der Transformation

 

Vorteile einer Smart Factory

Die Smart Factory bietet gegenüber der gewöhnlichen Infrastruktur eines Unternehmen erhebliche Vorteile. Diese resultieren in einem optimierten Wertschöpfungsprozess und besserer Wettbewerbsfähigkeit bei gestiegenen individuellen Anforderungen von Kund:innen.

Zusammengefasst ergeben sich mit einer Smart Factory folgende Vorteile für Unternehmen:

  • Automatisierte Prozesse: Durch die Erkenntnisse von Big Data entstehen sinnvoll vernetzte und voll automatisierte Abläufe. Dadurch entfallen Latenzen und nicht genutzte Arbeitszeit.
  • Höhere Produktivität: Aus diesen optimierten Prozessen heraus entsteht eine höherer Produkt-Output bei gleichem Zeitaufwand.
  • Geringere Fehleranfälligkeit (Predictive Maintenance): Mögliche Fehler oder ein unplanmäßig anstehender Reparaturbedarf werden bereits im Vorfeld erkannt.
  • Niedrigere Produktionskosten: Bedarfsgerechte Ressourcenbeschaffung und kürzere Produktionszeiten resultieren in geringeren Kosten
  • Flexibilität und individuelle Produktion (Losgröße 1): Optimierte Bedarfsplanung innerhalb der automatisierten Prozesse ermöglicht die Produktion von Kleinstmengen zu denselben Stückpreisen wie in der Massenproduktion.
  • Automatisierte Bestell- und Auslieferungsprozesse: Durch den vernetzten Auftragseingang, die Weiterverarbeitung, Produktion und Lieferlogistik läuft ein Auftrag vollständig automatisiert und somit schneller ab.
  • schnellere Produktentwicklung und Markteinführung: Durch Auswertung von Daten und die Simulation von Neuentwicklungen via Digital Twin können Produkte schneller entwickelt und auf den Markt gebracht werden.
  • mehr Informationen: Mittels der konstanten Datenerhebung und Auswertung (Big Data) besitzen Unternehmen in kurzer Zeit mehr Wissen über ihre Produkte und deren Produktionsvorgang. 
  • Nachhaltigkeit: Durch die Optimierung der Wertschöpfung werden weniger Ressourcen (z.B. Energie, Wasser) benötigt und weniger Emissionen erzeugt.

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Herausforderungen für Smart Factories

Die Etablierung von Smart Factories im Rahmen der Industrie 4.0 bedeutet einen grundlegenden Transformationsprozess bisheriger Produktionsformen. Viele der bisher lokal im Unternehmen angesiedelten Teilbereiche werden in die virtuelle Sphäre (Cyber-physical Systems, ERP, Digital Twin) oder sogar zu externen Dienstleistern ausgelagert (Cloud-Services). Gleichzeitig fallen innerhalb der Datenerhebung während des Produktionsprozesses erhebliche Datenmengen an (Big Data), die entsprechend geschützt werden müssen.

Um von den vielfältigen Vorteilen einer digitalisierten, smarten Factory zu profitieren, sind neben den erforderlichen Investitionen folgende drei Themenkomplexe zu berücksichtigen:

  1. Sicherheit: Ein ganz entscheidender Aspekt bei der Errichtung einer Smart Factory ist die Sicherheit der vernetzten Firmeninfrastruktur sowie der im Rahmen von Big Data erhobenen Daten. Es muss gewährleistet sein, dass diese nach den jeweiligen datenschutzrechtlichen Bestimmungen des Standorts verarbeitet werden und gleichzeitig vor dem Zugriff durch Cyber-Kriminelle geschützt sind. Dafür ist die Beschäftigung interner Cyber-Security-Expert:innen und die Auslagerung von Daten zu spezialisierten Cloud-Anbietern zu empfehlen.
  2. Infrastruktur: Eine Produktionskette kann nicht von heute auf morgen automatisiert werden. Teilprozesse sollten zunächst schrittweise und aufeinander abgestimmt digitalisiert werden, beispielsweise durch Cyber-Physical Systems und Embedded Systems. Gleichzeitig muss eine leistungsfähige Netzinfrastruktur zur Etablierung des IIoT errichtet werden, die Big Data durch Cloud-Services und Edge Computing in Echtzeit verarbeiten kann (beispielsweise auf der Basis von 5G-Campus-Netzen).
  3. Ausbildung: Obwohl die Produktion in einer Smart Factory vollständig automatisiert abläuft, steht der Mensch nach wie vor im Mittelpunkt: Ohne Mitarbeiter:innen, die die gesamte Infrastruktur überwachen, können Fehler nicht behoben werden. Gleichzeitig muss ein fortlaufender Optimierungsprozess gewährleistet sein, der bei flexiblen Auftragseingängen und zunehmender Individualfertigung Anpassungen ermöglicht. Auch die Bedienung von Cyber-Physical Systems oder die Abbildung von Prozessen durch einen Digital Twin benötigt entsprechend ausgebildete Mitarbeiter:innen. Die Anforderungen an die in Unternehmen tätigen Fachkräfte steigen in der Smart Factory also mitunter erheblich. Eine angepasste Ausbildung sowie die ständige Weiterbildung dieser Mitarbeiter:innen ermöglicht letztlich erst den erfolgreichen Betrieb einer Smart Factory.

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Welche Vorteile der Smart Factory halten Sie für besonders wichtig? Lassen Sie es uns in den Kommentaren wissen.

 


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