Strukturplanung zukünftiger Produktionssysteme - Die erforderliche Transformation für die Planung und den Betrieb der Smart Factory

Samuel Horler und Egon Müller

Aus der aktuellen Diskussion verfestigt sich mit der Smart Factory ein Konzept, welches die intelligent vernetzte Fertigung der Zukunft beschreibt. Diese wird sich auf den gesamten Lebenszyklus einer Fabrik, im Schwerpunkt aber auf die Fabrikplanung sowie den -betrieb, auswirken. Klassische wie auch aktuellere Fabrikplanungsansätze stoßen durch die neuartigen Anforderungen an ihre Grenzen. Besonders die Individualisierung von Produkten sowie die freie Vernetzung und Selbstorganisation der Cyber-Physischen Fabrikobjekte tragen dazu bei, dass die Gültigkeit bestehender Planungsprinzipien angezweifelt werden kann. Dieser Beitrag identifiziert die inhaltlichen Anforderungen, welche für die zukünftige Fabrikstrukturplanung von Bedeutung sind, und stellt anhand einer Betrachtung von Planung und Betrieb vor, weshalb der Bedarf nach einer ganzheitlichen virtuellen Absicherung der Fabrikstruktur besteht. Weiterhin wird ein methodischer Ansatzpunkt für die Lösung der Herausforderungen adressiert.

Hinter der aktuell in Forschung und Industrie im Fokus stehenden und umfassend diskutierten vierten industriellen Revolution verbirgt sich eine neue Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette. Neue innovative Geschäftsmodelle entstehen, das etablierte Internet der Menschen wird durch das Internet der Dinge und Dienste ergänzt. Cyber-Physische Objekte (CPS) und Cyber-Physische Produktionssysteme werden als digitaler Schatten der Produktion fungieren [1, 2].
Diese Entwicklungen geschehen nicht zum Selbstzweck. Ziel ist es, den sich fortwährend verschärfenden Marktbedingungen zu begegnen. Gerade der Wunsch des Kunden nach individuellen Produkten setzt immer kürzere Produktentwicklungs- und Produktionszeiten voraus [3].
Das Konzept der Smart Factory beschreibt den Ort der zukünftigen Wertschöpfung und ist durch eine vernetzte, agile und adaptive Produktion in der realen und virtuellen Welt gekennzeichnet. Es entsteht eine Umgebung, in der Fertigungsobjekte und Logistiksysteme ihre Umwelt verstehen und sich ohne menschliche Eingriffe weitgehend selbst organisieren [4]. Technische Voraussetzung sind Cyber-Physische Systeme, welche auf Grundlage des Internets der Dinge miteinander kommunizieren [5, 6]. Die Produktion der Zukunft kann demnach als vernetzt und selbstorganisiert charakterisiert werden.
Zur Realisierung des Konzepts der Smart Factory wurden diverse technologische Lösungen mit Fokus auf den operativen Fabrikbetrieb entwickelt. Weiterhin entstanden, durch verschiedenste Institutionen und Unternehmen geprägt, Rahmen- und Architekturmodelle, welche abhängig von den Herausgebern und Adressaten verschiedene Verständnisse und Ziele verfolgen. In diesem Zusammenhang sind beispielhaft das Modell der „Cyber-Physical Systems mit verteilten Diensten“ des VDI [7] oder die durch SAP entstandene „HANA Cloud Plattform (HCP)“ [8] zu nennen. Seit 2014 entwickeln der Führungskreis des ZVEI und die Plattform Industrie 4.0 das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0). In diesem werden für das Konzept von Industrie 4.0 zwei grundlegende Modelle (Architektur Industrie 4.0, Industrie 4.0-Komponente) beschrieben, welche zukünftig als Basis weiterer Architekturen dienen [9].


Bild 1: Aspekte der Smart Factory mit Auswirkung auf den Fabriklebenszyklus.

Auswirkungen auf den Fabriklebenszyklus

Unternehmen agieren klassisch im Spannungsfeld zwischen den Faktoren Zeit, Kosten und Qualität [10]. So ist die Maximierung der Wirtschaftlichkeit das übergeordnete Ziel der Produktionsentwicklung und bestimmt das Zielsystem der Produktion [11]. Auch zukünftige innovative Konzepte und zu entwickelnden Ansätze werden an diesen Größen gemessen.
Die Smart Factory wirkt sich nicht nur auf den Betrieb der vernetzten selbstorganisierenden Produktion aus, sondern auf deren gesamten Lebenszyklus. Bild 1 zeigt diesen in Anlehnung an Schenk u. a. [12] sowie die darauf wirkenden neuartigen Aspekte, welche auf seine Phasen Einfluss nehmen. Für die in diesem Beitrag fokussierte Strukturbetrachtung des Produktionssystems werden sowohl die Planung als auch die Betriebsphase der Fabrik als besonders relevant angesehen und vertieft, da in jenen zukünftig die wesentliche Gestaltung der Fabrikstruktur erfolgt.
Dabei gilt es, zum einen in der Planungsphase die für den Betrieb nötigen Voraussetzungen hinsichtlich der Anforderungen der Smart Factory bereitzustellen. Zum anderen wirken sich Daten aus der Betriebsphase auf die operative und taktische kontinuierliche Anpassung des Systems aus. Auch ergibt sich zukünftig die Möglichkeit einer erleichterten Bereitstellung und Nutzung von Prozessdaten aus der Betriebsphase für die Hebung von Potenzialen der mittel- und langfristigen Planung [13]. Insgesamt kann attestiert werden, dass eine ganzheitliche Betrachtung von Planung und Betrieb in der künftigen Smart Factory unausweichlich erscheint.

Produktionssystemplanung

Zielgerichtete und methodisch klare Prozesse sind für die Fabrikplanung von entscheidender Bedeutung [14]. Um die effektive und effiziente Aufgabenbewältigung zu unterstützen, wurden in der Vergangenheit Vorgehensmodelle entwickelt. Dazu galt es, den Fabrikplanungsablauf in inhaltlich-methodisch abgrenzbare und logisch strukturierte Planungsphasen zu untergliedern. Schuh u. a. stellen einen Überblick sowohl über klassische [14, 15] als auch jüngere [16-18] Fabrikplanungsvorgehen im Vergleich zusammen.
Obwohl sich die in der Literatur bekannten Planungsvorgehen in der Anzahl der vorgesehenen Planungsphasen sowie deren Inhalt und Detaillierung unterscheiden, sind dennoch zentrale Gemeinsamkeiten vorhanden. Die Ausgangsbasis für die Planung bildet eine überwiegend definierte Produktion nach Art, Menge sowie Zeitpunkt der Herstellung der Produkte. Die qualitative Bestimmung des Produktionssystems, d. h. der Produktionsprozesse, erfolgt auf der Grundlage definierter Fertigungsreihenfolgen und Technologiezuordnung. Daraus leitet sich zudem die quantitative Bestimmung der Prozessmittel ab; es besteht ein funktionaler Zusammenhang. In der Planung wird demnach von einem hinsichtlich Material-, Energie- und Informationsfluss vorbestimmten Flusssystem ausgegangen. Wesentliches Augenmerk bei der Optimierung gilt dem Materialfluss.


Bild 2: Neuartige Anforderungen an klassische Planungsschritte.

Neuartige Anforderungen an die Fabrikstrukturplanung

Der eigentliche Lösungsentwurf des zukünftigen Produktionssystems erfolgt in der Grobund insbesondere auch in der Strukturplanung. In diesem Planungskomplex liegt der innovative Schwerpunkt im Fabrikplanungsablauf [14]. Dadurch begründet wird die Strukturplanung herangezogen, um die neuen Anforderungen der vernetzten, selbstorganisierenden Produktion aufzuzeigen. Definitorisch beschreibt die Fabrikstruktur die Art und Anzahl der technischen und personellen Ressourcen eines Fabriksystems sowie deren funktionelle und physische Beziehungen zueinander [19, 20]. Als Planungsschwerpunkte sind demnach zu nennen:
• Einsatz von Fertigungstechnologien
• Dimensionierung der Ressourcen
• Zeitliche Struktur (Prozesse)
• Räumliche Struktur (Layouts)
In Bild 2 werden die Kernfunktionen der Fabrikstrukturplanung nach VDI 5200 [21] den neuartigen Anforderungen und potenziellen Planungsinhalten der Smart Factory gegenübergestellt.
Als Auszug aus Bild 2 ergeben sich im Schwerpunkt folgende Diskrepanzen. Im Gegensatz zu klassischen Vorgehen kann zukünftig von stark individualisierten Produkten (z. B. Online-Konfiguration) ausgegangen werden; im Extremfall gleicht kein Produkt einem anderen. Angesichts der resultierenden künftig vielfältigen Produktvarianten gilt es, die technologische Absicherung des Produktspektrums zur Abdeckung der Variantenvielfalt sicherzustellen [18]. Es wird nicht mehr möglich sein, die Prozessfolgen exakt vorherzusagen, da sich für die Herstellung der Produktvarianten quasi eine unüberschaubar hohe Anzahl ergibt. Auch sind diese durch die inhärente Systemintelligenz fortan variabel, resultierend aus der Variantenvielfalt, aber auch aus der autonomen Selbstorganisation. Kapazitätsbedarfe der Produktionsmittel lassen sich nicht sicher prognostizieren, woraufhin die Prozesskapazitäten nur unzureichend planbar sind. Zudem steht die Dimensionierung der Flusssystemelemente und Arbeitskräfte im direkten Zusammenhang mit der dezentralen, selbstorganisierenden Produktion. In der Smart Factory kann der Materialfluss nicht mehr als deterministisch angesehen werden [18]. Damit bleibt die optimale Fertigungsstruktur nicht bestehen. Zusätzlich zur eigentlichen Fertigungsstruktur entstehen auch Auswirkungen auf die gestalterische Feinplanung des Produktionssystems.
In der Betrachtung der Fabrikstruktur der Smart Factory spielt neben der Planung auch der Fabrikbetrieb eine wesentliche Rolle. Resultierend aus der Selbstorganisation des Systems werden Strukturverbesserungen direkt durch inhärente Prozesse vorgenommen oder Potenziale aufgezeigt. Durch diese verbesserten Reaktionsmöglichkeiten verliert das vorherige Planungsvorgehen an Bedeutung [22]. Insgesamt bleibt also der statische Charakter der Fabrikstruktur durch die internen und externen Einflüsse nicht bestehen. Die gesamte Fabrikstruktur ist einem kontinuierlichen Wandel ausgesetzt, sodass für die wirtschaftliche Nutzung ein hoher Grad an Flexibilität nötig wird.

Ansatzpunkte für die zukünftige Fabrikstruktur

Die Anwendung digitaler Fertigungsmodelle in der Planung ermöglicht es, die Produktion frühzeitig abzusichern. Produktionsprogramme können so auf deren Umsetzbarkeit und Produktionseffizienz bewertet werden [10]. In der Produktentwicklung stellt in diesem Zusammenhang das Digital Mock-Up (DMU) eine bewährte Methode dar, um aus geometrischer und funktionaler Sicht Produkteigenschaften durch die virtuelle Absicherung zu gewährleisten. Wie die Absicherung einer Gesamtfabrik aus geometrischer Sicht gestaltet und umgesetzt werden kann, beschreibt König [23] am Beispiel der Automobilindustrie. Gerade in Hinblick auf die ausgeführten Anforderungen der Smart Factory erscheint eine Absicherung der Fabrikstruktur aus funktionaler Sicht im Sinne eines Struktur-DMU als notwendig.
Um eine ganzheitliche Absicherung zu ermöglichen, sollen drei grundsätzliche Phasen unterschieden werden (Bild 3). Den Kern bilden virtuelle Strukturmodelle, welche im Sinne einer durchgängigen digitalen Repräsentanz noch stärker als bisher Unterstützung leisten. Mit deren Hilfe lassen sich Strukturlösungen anforderungsgerecht entwickeln sowie Ereignisse und Ergebnisse virtuell vordenken.
Für die künftige Strukturplanung besteht entsprechend Forschungsbedarf nach der Ausgestaltung eines Planungsvorgehens zur Absicherung einer initialen Planungslösung. Dafür sind geeignete Modelle zu entwickeln, in denen insbesondere externe und interne Einflüsse berücksichtigt werden. Den Metaprozessen zur Selbstorganisation der Smart Factory kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Noch mehr als bisher sind dafür in der Planung Flexibilitätspotenziale der technischen und personellen Ressourcen vorzusehen. Die Ausgestaltung der sogenannten Basisflexibilität des Systems muss dabei unter neuen Gegebenheiten Beachtung finden. Die Basisflexibilität beschreibt die Flexibilität eines Fabriksystems, welche ohne Änderung der Art, Anzahl und räumlichen Konstellation der einzelnen Strukturelemente auskommt [20]. Die Kommunikationsstrukturen der vernetzten Produktion (Meta-Prozesse) rücken weiter in den Fokus und stellen zukünftig einen wesentlichen Teil der Strukturplanung dar. Die Optimierung gilt also nicht mehr nur dem Materialfluss, sondern insbesondere auch dem Informationsfluss.


Bild 3: Methodischer Ansatzpunkt für die ganzheitliche virtuelle Absicherung der Fabrikstruktur.

Die Absicherung der Fabrikstruktur in der Betriebsphase wird mit dem Ziel verfolgt, den effizienten Herstellungsprozess von individuellen Produkten zu gewährleisten. Das virtuelle Strukturabbild wird im Sinne einer quasi Echtzeitsimulation und für die Bewertung von Produktionsvorhaben genutzt – der Einfluss neuer Anforderungen wird vorgedacht. Zudem muss die Datenerhebung sowie die Erkennung von Adaptionspotenzialen in der Betriebsphase spezifiziert werden. Hierbei sind neue Bewertungsmethoden zu entwickeln. Die Basisflexibilität wird durch das Produktionssystem selbstorganisiert ausgeschöpft.
Genügt die Basisflexibilität des Systems nicht, um alle Anforderungen zu erfüllen, bzw. werden umfassendere Optimierungspotenziale erkannt, so wird eine Strukturadaption im Sinne einer Ad-hoc-Anpassung angestoßen. Dabei wird die erweiterte Flexibilität des Systems ausgenutzt und die Struktur durch planerische Eingriffe modifiziert. Im Gegensatz zur Basisflexibilität kann die erweitere Flexibilität nur durch Veränderungen des Systemaufbaus der einzelnen Strukturelemente wirksam gemacht werden [20]. Impulse liefern hier die aus der Betriebsphase gewonnen Potenziale, welche mithilfe des digitalen Strukturabbilds zu bewerten sind – es erfolgt die Retrospektive auf zurückliegende Betriebszustände. Neben der klassischen Strukturbewertung kann hier auch die Auswertung von Informationsflüssen entscheidende Hinweise liefern. Übersteigen die Anforderungen den inhaltlichen Umfang der Adaption, so muss eine generelle Umplanung stattfinden.
Die Simulation wird als eine wesentliche Methode angesehen, um die beschriebenen Ziele zu erreichen. Dabei sind besonders die physische und virtuelle Modellierung der CPS aus Struktursicht zu untersuchen. Zudem rücken die prozessuale und technische Schnittstellengestaltung zwischen Struktur-DMU und Smart Factory in den Fokus. Mit RAMI 4.0 wurde bereits ein lösungsneutrales Referenzarchitekturmodell vorgestellt, welches als Voraussetzung für die Absicherung der Strukturplanung verstanden werden kann. Gleiches gilt für andere Ansätze, wie z. B. dem PLUG+PRODUCE-Prinzip, welches die Modularisierung und Standardisierung technischer Ressourcen einer Fabrik bzgl. ihrer Wandlungsfähigkeit fokussiert [19].
Zukünftige Anwendungsfälle des zu detaillierenden Ansatzes finden sich damit in der Planungsund in der Betriebsphase der Fabrik wieder. Besonders in der variantenreichen Stückgutproduktion kann der Ansatz dazu beitragen, neben der technologischen Implementierung der Smart Factory, auch deren fabrikplanerische Auslegung sicherzustellen. Der Planer wird damit in die Lage versetzt, seine Fähigkeiten zur Gesamtsystemoptimierung besser zu nutzen.

Fazit

Die Smart Factory als der Ort der vernetzten selbstorganisierenden Produktion stellt ein neues Konzept dar, das die konventionelle Produktion nachhaltig verändern wird. Auch die Planung dieser Produktionsstätten muss an die neuen Anforderungen angepasst werden. Klassische Planungsvorgehen können diesen nicht gerecht werden. Im vorliegenden Beitrag wurde gezeigt, welche Einflüsse das Konzept der Smart Factory auf die Strukturplanung ausübt. Da die Strukturlösungen über den Fabriklebenszyklus wechselnden Anforderungen ausgesetzt sind, müssen insbesondere die Planung und der Betrieb integriert Betrachtung finden. Als planerisch- inhaltliche Herausforderungen wurden u. a. identifiziert:
• technologische Funktionserfüllung für hohe Produktindividualisierung
• zunehmend dynamische Dimensionierung der Flusssystemelemente
• Modellierung der Prozesslogiken der Informations-, Kommunikations- und Materialflüsse
• räumliche Verortung der Flusssystemelemente unter wechselsenden Anforderungen
Als ein erster methodischer Lösungsansatz wurde im Sinne eines Struktur-DMU die ganzheitliche, virtuelle Strukturabsicherung mit den Phasen Planung, Betrieb und Adaption vorgestellt. Diese verfolgt das Ziel, eine anforderungsgerechte Fabrikstruktur zur Verfügung zu stellen sowie Anpassungspotenziale zu erkennen und umzusetzen.
Forschungsfelder resultieren demnach hinsichtlich der Ausgestaltung von zentralen Modellen und konkreten Vorgehensweisen für diese Phasen. Dabei sind technische und personelle Ressourcen insbesondere hinsichtlich deren Funktion, Dimension und Struktur zu betrachten. Als notwendige Prämisse wird die Frage angesehen, wie künftige Fabrikstrukturen im Sinne eines Struktursystems planerisch zu modellieren sind. Gerade in Hinblick auf die zunehmende Relevanz von Informationsflüssen gilt es außerdem zu untersuchen, wie neue Kennzahlen Transparenz über die Metaprozesse der Smart Factory gewährleisten können. In diesem Zusammenhang sollten Referenzprozesse geschaffen und nutzbar gemacht werden. Unterschiedliche Reifegrade der Smart Factory sind hinsichtlich des Umfangs ihrer Absicherung zu differenzieren. Außerdem ist zu untersuchen, wie durch die Integration von Ansätzen des Daten- und Wissensmanagements sowie des Process Minings [24] die Absicherung der Struktur unterstützt werden kann. Bereits bestehende Ansätze rund um die Industrie 4.0-Produktion sowie bekannte Strukturplanungsansätze adressieren die beschriebenen Herausforderungen nur unzureichend. Deren relevante Aspekte sind dennoch aufzugreifen, um den dargestellten Lösungsansatz zu detaillieren.

Schlüsselwörter:

Smart Factory, Fabrikplanung, Strukturplanung, Industrie 4.0, Simulation

Literatur:

[1] Bauernhansl, T.: Die vierte Industrielle Revolution – Der Weg in ein wertschaffendes Produktionsparadigma. In: Bauernhansl, T.; ten Hompel, M.; Vogel-Heuser, B. (Hrsg): Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik. Anwendung, Technologien, Migration. Wiesbaden 2014.
[2] Reinhart, G.; Engelhardt, P.; Geiger, F.; Philipp, T. R.; Wahlster, W.; Zühlke, D.; Schlick, J.; Becker, T.; Lockelt, M.; Pirvu, B.; Stephan, P.; Hodek, S.: Cyber- Physische Produktionssysteme. Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerung durch die Vernetzung intelligenter Systeme in der Fabrik. In: wt Werkstattstechnik 103 (2013) 2, S. 84-89.
[3] Piller, F. T.: Mass Customization. Ein wettbewerbsstrategisches Konzept im Informationszeitalter, 4. Auflage. Wiesbaden 2006.
[4] Gruhn, V.: Cyber-Physical Systems. Intelligenz ist eine Summe von Eigenschaften. In: Industrie 4.0 Management 32 (2016) 6, S. 7-11.
[5] acatech (Hrsg): Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0. Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0. 2013.
[6] Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) (Hrsg): Industrie 4.0 – Innovationen für die Produktion von morgen. Bonn 2015.
[7] Verein Deutscher Ingenieure e.V.: Cyber-Physical Systems. Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation, Thesen und Handlungsfelder. 2013.
[8] IDC Central Europe GmbH: Internet of Things als Wegbereiter der digitalen Transformation. Sind Sie bereit für das Internet der Dinge? Frankfurt 2016.
[9] Deutsches Institut für Normung e.V.: Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0). DIN SPEC 91345. Berlin 2016.
[10] Bullinger, H.-J.; Spath, D.; Warnecke, H.-J.; Westkämper, E.: Handbuch Unternehmensorganisation. Strategien, Planung, Umsetzung, 3. Auflage. Berlin Heidelberg 2009.
[11] Verein Deutscher Ingenieure: VDI 3633 - Simulation von Logistik-, Materialfluss und Produktionssystemen. Blatt 1: Grundlagen. 2014.
[12] Schenk, M.; Wirth, S.; Müller, E.: Fabrikplanung und Fabrikbetrieb. Methoden für die wandlungsfähige, vernetzte und ressourceneffiziente Fabrik, 2. Auflage. Berlin u. a. 2014.
[13] Bauernhansl, T.: Industrie 4.0: Entwicklungsfelder für den Mittelstand. Aktuelle Hemmnisse und konkrete Bedarfe. Stuttgart 2016.
[14] Grundig, C.-G.: Fabrikplanung. Planungssystematik – Methoden – Anwendungen, 5. Auflage. München 2015.
[15] Wiendahl, H.-P.: Fabrikplanung. Grundlagen der Fabrikplanung. In: Eversheim, W.; Schuh, G. (Hrsg): Produktion und Management 3. Gestaltung von Produktionssystemen. Berlin Heidelberg 1999.
[16] Schuh, G.; Gottschalk, S.; Lösch, F.; Wesch, C.: Fabrikplanung im Gegenstromverfahren. In: wt Werkstattstechnik 97 (2007) 4, S. 195-99.
[17] Kampker, A.; Burggräf, P.; Krunke, M.; Voet, H.; Backs, M.: Das Aachener Fabrikplanungsvorgehen. Agile Fabrikplanung im turbulenten Umfeld. In: wt-online 104 (2014) 4, S. 192- 96.
[18] Aurich, J. C.; Steimer, C.; Meissner, H.; Menck, N.: Einfluss von Industrie 4.0 auf die Fabrikplanung. Auswirkungen der besonderen Charakteristika cybertronischer Produktionssysteme auf die Fabrikplanung. In: wt Werkstattstechnik 105 (2015) 4, S. 190-94.
[19] Hildebrand, T.: Theoretische Grundlagen der bausteinbasierten, technischen Gestaltung wandlungsfähiger Fabrikstrukturen nach dem PLUG+PRODUCE Prinzip. Chemnitz 2005.
[20] Kobylka, A.: Simulationsbasierte Dimensionierung von Produktionssystemen mit definiertem Potential an Leistungsflexibilität. Dissertation, TU Chemnitz. In: Wissenschaftliche Schriftenreihe des IBF, Heft 24. Chemnitz 2000.
[21] Verein Deutscher Ingenieure: Fabrikplanung – Planungsvorgehen. VDI 5200, Blatt 1. Berlin 2011.
[22] Gronau, N.: Der Einfluss von Cyber-Physical Systems auf die Gestaltung von Produktionssystemen. In: Industrie 4.0 Management 31 (2015) 3, S. 16-20.
[23] König, A.: Entwicklung eines digitalen Fabrikgesamtmodells und dessen Integration in die Fabrikstrukturplanung eines Automobilherstellers. Dissertation, Clausthal 2013.
[24] van der Aalst, W.: Process mining. Discovery, conformance and enhancement of business processes. Berlin Heidelberg New York 2011.