Die Vision von Industrie 4.0

Eine Maschine stellt dank ihrer umfänglichen Sensorik einen Produktfehler fest. Sie entscheidet selbstständig, ob das Werkstück repariert werden kann, ob es entsorgt werden muss oder ob es zunächst von einem Techniker begutachtet werden muss. Die entsprechenden planungsrelevanten Informationen gibt die Maschinensteuerung automatisch an höher gelagerte IT-Systeme weiter. Jetzt kann z.B. das Manufacturing Execution System (MES) die Feinplanung an die neuen Voraussetzungen in Echtzeit anpassen. Maschinen, die im Fertigungsprozess folgen, werden via MES über den Ausfall bzw. die Verzögerung informiert und können ihre Reihenfolgeplanung entsprechend korrigieren. Gleichzeitig kann das Enterprise Resource Planning (ERP-) System im Bedarfsfall Ersatz-Rohware disponieren bzw. Reparaturaufträge erzeugen. Das ERP-System kann auch prüfen, ob durch den Produktfehler Liefertermine verletzt und Kunden entsprechend informiert werden müssen.

So ungefähr sieht sie aus, die Vision von der „Industrie 4.0“. Und sie geht sogar noch deutlich weiter: So sollen Maschinen und IT-Systeme zukünftig aus Fehlern lernen können. Im dargestellten Beispiel würden Menschen, Maschinen und Software derart zusammenarbeiten, dass sich anhand bestimmter Muster die Fehlerursachen ableiten lassen ließen, z.B. eine ungünstige Kombination von Werkstoffeigenschaften und Fertigungsparametern. Mit diesem Wissen kann eine selbstlernende Prozessoptimierung angestoßen werden: Fertigungsparameter können adaptiert, Werkzeuge rechtzeitig erneuert und komplette Maschinen im Bedarfsfall durch modernere Fertigungstechnologien ersetzt werden.

„Industrie 4.0“ ist eine Initiative der Bundesregierung zur Bündelung der Kräfte auf dem Weg zur vierten industriellen Revolution. Wie auch bei den vorherigen industriellen Revolutionen (z.B. die Erfindung der Kraftmaschine oder die Einführung der Arbeitsteilung) soll auch bei der vierten industriellen Revolution ein „Quantensprung“ in der Produktivität erreicht werden, und zwar durch eine Verschmelzung der digitalen und der physischen Welt in der Produktion.

Systeme, deren digitale und physische Welt (Menschen, Maschinen, Produkte etc.) verschmolzen sind, werden auch als „Cyber-physische Systeme“ (CPS) bezeichnet.

Welche IT-Systeme werden zur Realisierung der Vision benötigt?

Eine Produktion im Sinne der „Industrie 4.0“ ist ohne IT nicht denkbar. Die IT muss einerseits die dezentrale Kommunikation der Maschinen und Werkstücke untereinander unterstützen (das sog. „Internet-der-Dinge“). Andererseits bedarf es jedoch auch einer starken zentralen Instanz, um die teilautonomen Einheiten (z.B. Maschinen, Menschen, Werkstücke etc.) im Rahmen der Auftragsabwicklung koordinieren und synchronisieren zu können.

Diese zentrale Aufgabe wird traditionell vom ERP-System erfüllt: Idealerweise verwaltet es als datenführendes Kernsystem alle Stamm- und Bewegungsdaten redundanzfrei und ermöglicht deren konsistente Nutzung für sämtliche Anwendungen entlang der Auftragsabwicklung, z.B. Kundenverwaltung (Customer Relationship Management), Service (SMS), Produktion (Produktionsplanung und -steuerung), Manufacturing Execution System, Faktura (Rechnungswesen, Finanzbuchhaltung) oder Berichtswesen (Business Intelligence, Management Information System). Es liegt daher nahe, dass das ERP-System seine angestammte Rolle als informationstechnisches Rückgrat des Unternehmens auch in Zukunft weiter wahrnimmt. .

Neue Anforderungen an ERP-Systeme

Aus der Aufgabe, die wesentlichen Funktionen eines cyber-physischen Systems zu unterstützen, entstehen neue Anforderungen an das ERP-System, die sich in den Themenfeldern mobile Verfügbarkeit, Massendatenfähigkeit, Vernetzung, Mensch-Maschine-Interaktion und Agilität zusammenfassen lassen.

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Mobile Verfügbarkeit

etabliert sich heute bereits als Bestandteil von ERP-Lösungen und eine wachsende Anzahl ist für den mobilen Einsatz mit Smartphone oder Tablet aufgestellt. Eine aktuelle Markterhebung zeigt, dass aktuell knapp zwei Drittel der untersuchten ERP-Produkte zumindest eine der am Markt vertretenen Mobil-Plattformen unterstützen. Allerdings ist fast die Hälfte der “mobilen” ERP-Lösungen auf eine Mobilplattform beschränkt (z.B. iOS oder Windows Mobile oder Android). Angesichts der Vielfalt an Endgeräten, die erfahrungsgemäß aus der weit verbreiteten Strategie des „Bring Your Own Device“ (BYOD) resultiert, kann man dies durchaus als relevante Einschränkungen der mobilen Nutzbarkeit betrachten.

Massendatenfähigkeit bedeutet, dass sehr große Mengen von zum Teil unstrukturierten Daten („BigData“) mit hohen Geschwindigkeiten verarbeitet werden können. In der Regel stellen die in ERP-Systemen verarbeiteten strukturierten Daten (z.B. Artikel- und Kundenstamm, Arbeitspläne und Stücklisten) den kleineren Teil der anfallenden Informationen. Doch gerade diese Daten und deren Beziehungen untereinander beschreiben am deutlichsten die Geschäftslogik und die Geschäftsprozesse. Idealerweise ist für diese wichtigen Daten das integrierte ERP-System die „Single Source of Truth“, da hier die gültigen Schlüssel und Klassifikationen vergeben und geführt werden.

ERP-Systeme müssen zukünftig verstärkt die Verarbeitung großer Datenmengen unterstützen und beispielsweise jedem Werkstück eine Ident-Nummer zuordnen können. Weiterhin müssen Log-Daten bestmöglich verdichtet werden können. Die geforderten Verarbeitungsgeschwindigkeiten können beispielsweise durch Anwendung der in-memory-Technologie erreicht werden.

Unter Vernetzung wird die Integrationsfähigkeit von ERP-Lösungen entlang der inner- und überbetrieblichen Prozessketten ebenso wie die An- bzw. Einbindung von Daten und Datenquellen wie Sensor- und Steuerungsdaten aus Maschinen und Produkten, Content und Dokumenten sowie externe Informationsservices (z.B. Wirtschafts- oder Produktdatenbanken) verstanden.

Mit dem Ziel, dass alle Systeme Daten gegenseitig in Echtzeit austauschen und nutzen können, soll letztlich eine durchgängige Prozessunterstützung erreicht werden. Hierfür ist es notwendig, Schnittstellen zwischen den Softwaresystemen zu harmonisieren und zwar im Hinblick auf die genutzten Integrationsplattformen und Systemarchitekturen ebenso wie bezüglich der Datenformate und der Syntax. Dass in den letzten Jahren bzgl. der Connectivity von ERP-Lösungen einiges passiert ist, zeigt die Trovarit-Studie „ERP in der Praxis“, bei der die Anwender unter anderem ihre Zufriedenheit mit den Schnittstellen ihrer ERP-Lösung bewertet haben: Demnach schneiden moderne ERP-Lösungen auf aktuellem Release-Stand deutlich besser als ältere Software-Installationen.

Dieser positive Trend ist auf offenere Strukturen der ERP-Systeme zurückzuführen und schlägt sich vor allem beim Austausch strukturierter Daten nieder. Eine noch weitgehend neue Herausforderung stellt dagegen die Öffnung der ERP-Systeme gegenüber den unstrukturierten Daten der Social Media, des Collaboration Management sowie aus dem Bereich des Enterprise Content Management dar.

Die zunehmende Digitalisierung der Geschäftsprozesse – nicht zuletzt auch getrieben durch immer umfassendere und leistungsfähigere ERP-Lösungen – birgt erhebliche Herausforderungen für den Anwender bei der Mensch-Maschine-Interaktion, denn mit den wachsenden Möglichkeiten geht eine deutlich steigende Komplexität der Software einher. Insbesondere neuen Mitarbeitern sowie „gelegentlichen Nutzern“ fällt da die Orientierung schwer.  Es wundert daher nicht, dass ERP-Lösungen von ihren Anwendern in der Vergangenheit immer wieder schlechte Noten für die „Usability“ bekamen. Aber auch hier zeigen sich in den letzten Jahren deutliche Verbesserungen: Mit dem Ziel einer neuen „User Experience“ investieren die ERP-Hersteller verstärkt in neue Ansätze wie z.B. eine benutzerzentrierte, rollenbasierte Oberflächengestaltung, Workflows zur besseren Anwenderführung und die „App“lifizierung komplexer Business Software.

Und diese Anstrengungen scheinen sich auszuzahlen, denn Anwender mit modernen ERP-Lösungen auf aktuellem Release-Stand bewerten die Anwenderfreundlichkeit ihrer ERP-Lösung deutlich besser als Anwender mit älteren Software-Installationen.

Agilität

also die Fähigkeit, flexibel, aktiv und anpassungsfähig auf veränderliche Rahmenbedingungen und Störungen zu reagieren, kann in ERP-Systemen durch die Anwendung kybernetischer Prinzipien umgesetzt werden. Wie bei einem Regelkreis erfasst das ERP-System z.B. Produktqualität, Kosten und Durchlaufzeiten und vergleicht die Ist-Werte mit den Planvorgaben. Um daraus sinvolle Maßnahmen ableiten zu können, müssen zudem Veränderungen von Randbedingungen (z.B. Werkzeugzustand, Reparaturen usw. ) berücksichtigt werden. Für ERP-Systeme bedeutet dies die Abkehr von der etablierten MRP-Logik mit ihren langen Planungsiterationen. Stattdessen müssen sie APS-Funktionalitäten unterstützen und z.B. eine engpassorientierte Planung ermöglichen, um in Echtzeit auf Veränderungen reagieren zu können.

Evolution statt Revolution

Die Vision von der Industrie 4.0 ist reizvoll, bieten die damit verbundenen Produktivitätssprünge doch erhebliches Potenzial zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit, insbesondere auch in den Hochlohnländern Europas. Dennoch muss man angesichts der großen Herausforderungen an Organisation, Mensch und (IT-)Infrastruktur davon ausgehen, dass der eingeleitete Umstellungsprozess eher 20 als fünf Jahre in Anspruch nehmen wird. Insofern handelt es sich sich eher um eine Evolution als um eine Revolution.

Autoren:

Dipl.-Ing. Maik Schürmeyer
Leiter Fachgruppe Produktionsplanung im Bereich Produktionsmanagement
Forschungsinstitut für Rationalisierung (FIR) e.V. an der RWTH Aachen

Dr.-Ing. Karsten Sontow
Vorstand
Trovarit AG

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