Ein praktischer Leitfaden für Hersteller, die industrielle Automatisierung, Modernisierung oder die Integration von Anlagensystemen planen, ohne dabei die betriebliche Komplexität zu erhöhen.
Harsh Joshi
Co-founder & Technical Director
Hersteller benötigen Automatisierung selten um der Automatisierung willen. Sie benötigen einen höheren Durchsatz, weniger Stillstände, eine gleichbleibendere Qualität, mehr Sicherheit oder die Möglichkeit, die Produktionsmenge zu steigern, ohne dass sich die Komplexität des Betriebs in gleichem Maße erhöht.
Daher sind Lösungen für die industrielle Automatisierung eine ingenieurtechnische Entscheidung und nicht bloß ein Gerätekauf. Die erfolgreichsten Konzepte gehen von dem teuersten Engpass in der Anlage aus und verknüpfen dann Verfahrenstechnik, mechanische Systeme, Steuerungen, Produktionsdaten und Arbeitsabläufe der Bediener mit einem messbaren Ergebnis.
In diesem Leitfaden wird erläutert, wie Sie diese Arbeiten planen können – ganz gleich, ob Sie eine neue Produktionslinie errichten, eine bestehende Anlage nachrüsten oder Anlagensysteme miteinander verbinden, die in verschiedenen Phasen entstanden sind.
Was sollte in der industriellen Automatisierung als Erstes verbessert werden?
Bevor Sie sich für einen Roboter, eine SPS, einen Sensor oder eine Fertigungssoftwareplattform entscheiden, sollten Sie das betriebliche Problem in messbaren Größen definieren.
Eine Pflanze könnte versuchen:
- Steigerung des Durchsatzes auf einer ausgelasteten Produktionslinie
- Ungeplante Ausfallzeiten reduzieren
- Verbesserung der Erstdurchlaufausbeute und der Produktkonsistenz
- Wiederkehrende oder unsichere manuelle Tätigkeiten beseitigen
- Die Transparenz der Produktion über alle Schichten hinweg erhöhen
- Kapazitäten ausbauen, ohne eine komplett neue Anlage zu errichten
- Verbesserung der Rückverfolgbarkeit zur Erfüllung von Qualitäts- oder behördlichen Anforderungen
- Verbinden Sie Daten aus der Fertigung mit Planungs-, Instandhaltungs- oder Unternehmenssystemen
Die Priorität ist entscheidend, da unterschiedliche Probleme unterschiedliche technische Lösungen erfordern. Ein Durchsatzproblem erfordert möglicherweise einen Linienausgleich oder eine Neugestaltung des Materialflusses. Ein Problem mit Ausfallzeiten erfordert möglicherweise eine bessere Diagnose, die Integration von Steuerungssystemen, Wartungsdaten oder mechanische Verbesserungen. Ein Qualitätsproblem erfordert möglicherweise industrielle Bildverarbeitung, eine strengere Prozesssteuerung oder einen anderen Validierungsansatz.
Das beste Automatisierungsprogramm setzt bei dem Engpass an, der die deutlichsten geschäftlichen Kosten verursacht.
„Neue Automatisierung“ und „Modernisierung“ sind unterschiedliche Programme.
Ein Automatisierungsprojekt auf der grünen Wiese bietet von Anfang an mehr Spielraum. Das Engineering-Team kann das Layout, die Versorgungsleitungen, die Steuerungsarchitektur, das Datenmodell, das Sicherheitskonzept und die Benutzererfahrung gemeinsam festlegen.
Ein Modernisierungs- oder Nachrüstungsprojekt beginnt mit Einschränkungen. Vorhandene Maschinen, SPSen, Netzwerke, Sicherheitssysteme, Produktionspläne und undokumentierte Behelfslösungen beeinflussen alle die Planung. Das Ziel besteht in der Regel nicht darin, alles zu ersetzen, sondern die Leistung zu verbessern und gleichzeitig die Produktionskontinuität zu gewährleisten.
Diese Unterscheidung hat Auswirkungen auf die ersten Fragen, die Sie stellen sollten:
| Programmtyp | Grundlegende technische Frage | Hauptrisiko |
|---|---|---|
| Neue Produktionslinie oder Anlage | Welche Architektur wird den Zielprozess unterstützen? | Ein System entwerfen, das zwar theoretisch funktioniert, dessen Inbetriebnahme oder Betrieb jedoch schwierig ist |
| Nachrüstung oder Modernisierung | Was lässt sich verbessern, ohne den laufenden Betrieb zu beeinträchtigen? | Neue Technologien mit Altgeräten verbinden, ohne instabile Schnittstellen zu schaffen |
| Anlagen-System-Integration | Wie sollten Daten und Entscheidungen zwischen den Systemen ausgetauscht werden? | Erstellung von Dashboards, die zwar Aktivitäten anzeigen, aber keine Verbesserungen der Maßnahmen bewirken |
Die fünf technischen Ebenen einer zuverlässigen Automatisierung
Die industrielle Automatisierung wird schwierig, wenn jede Ebene isoliert voneinander entwickelt wird. Eine zuverlässige Lösung verbindet von Anfang an alle fünf Ebenen miteinander.
Verfahrenstechnik
Die Prozessgestaltung legt fest, wie der Arbeitsablauf durch das Werk verlaufen soll. Sie umfasst die Abfolge der Arbeitsschritte, die erwarteten Takt- oder Zykluszeiten, den Materialfluss, Qualitätskontrollpunkte, die Aufgaben der Bediener sowie produktionstechnische Einschränkungen.
Ohne diese Ebene kann die Automatisierung dazu führen, dass ein ineffizienter Prozess zwar schneller abläuft, die Anlage jedoch mehr unfertige Erzeugnisse produziert, Engpässe in nachgelagerte Bereiche verlagert oder neue Probleme bei der Prüfung und Wartung verursacht.
Beginnen Sie damit, den aktuellen Prozess zu erfassen und festzustellen, wo sich Zeitverlust, Abweichungen, Nacharbeit und Wartezeiten ansammeln.
Maschinenbau
Der Maschinenbau bestimmt, wie sich Maschinen, Vorrichtungen, Werkzeuge, Förderanlagen, Gehäuse und Materialtransportsysteme unter realen Betriebsbedingungen verhalten.
Bei der Konstruktion müssen Zugänglichkeit, Wartbarkeit, Toleranzen, Ergonomie, Sicherheit, Vibrationen, Umgebungsbedingungen sowie die Art und Weise, wie Bediener mit den Anlagen interagieren, berücksichtigt werden. Mechanische Entscheidungen wirken sich zudem auf die Zuverlässigkeit von Sensoren, Aktuatoren, Robotik und Prüfsystemen aus.
An dieser Stelle können Produktentwicklung und Fertigungsreife direkt mit der Anlagenplanung verknüpft werden. Eine Maschine oder ein Produktionssystem lässt sich leichter automatisieren, wenn die bauliche Gestaltung einen wiederholbaren Betrieb und eine wiederholbare Wartung ermöglicht.
Steuerungs- und Automatisierungstechnik
Die Steuerungstechnik setzt den Prozess in ein abgestimmtes Maschinenverhalten um. Dazu gehören SPS-Logik, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Antriebe, Sicherheitssysteme, Ablaufsteuerung, Alarme, Verriegelungen und die Kommunikation zwischen den Anlagen.
Ein Steuerungsprogramm sollte nicht nur für die Erstinbetriebnahme konzipiert sein. Es sollte auch die Fehlerbehebung, die Versionsverwaltung, zukünftige Änderungen und den Wissenstransfer an das Anlagenpersonal unterstützen.
Die moderne Fertigungsanlagenplanung verbindet Automatisierung und Digitalisierung zunehmend miteinander. Siemens beschreibt diese Konvergenz als einen Weg, um Betriebstechnik, Informationstechnologie, Prozesse, Systeme und Daten über den gesamten Lebenszyklus einer Fertigungslinie hinweg miteinander zu verknüpfen. In den Leitlinien werden zudem Simulation und virtuelle Inbetriebnahme als Möglichkeiten hervorgehoben, die Automatisierungslogik vor der Installation zu testen. Weitere Einzelheiten finden Sie in den Leitlinien von Siemens zur Fertigungsanlagenplanung.
Daten- und Softwareentwicklung
Die Automatisierung liefert Daten, doch Daten allein schaffen noch keinen betrieblichen Mehrwert. Das Werk benötigt ein klares Modell dafür, welche Daten erfasst werden sollen, wo sie gespeichert werden sollen, wie sie interpretiert werden sollen und welche Entscheidungen sie verbessern sollen.
Zu den relevanten Systemen können Maschinenprotokollsysteme, Fertigungssteuerungssysteme, industrielle IoT-Plattformen, Qualitätssysteme, Instandhaltungsanwendungen, Analysetools und Unternehmenssoftware gehören. Die Integration sollte dazu beitragen, die Produktionsbedingungen besser zu verstehen, und nicht dazu führen, dass ein weiteres, isoliertes Dashboard entsteht.
Rockwell Automation beschreibt Manufacturing Execution Systems (MES) als Brücke zwischen IT und OT, die Unternehmen Einblick in Produktionsergebnisse, Steuerungssysteme, Arbeitsanweisungen und Anlagenressourcen gewährt. Die MES-Übersicht des Unternehmens ist eine nützliche Orientierungshilfe bei der Beurteilung, wie Anlagendaten mit geschäftlichen Entscheidungen verknüpft werden sollten.
Weitere Informationen zu einer ähnlichen Herausforderung im Bereich der Fertigungsdaten finden Sie im Leitfaden von Monarch Innovation zur Automatisierung von Stücklisten in der Fertigung, in dem erläutert wird, wie synchronisierte Komponentendaten die Koordination zwischen Entwicklung, Beschaffung und Produktion verbessern können.
Die digitalen Engineering-Dienstleistungen von Monarch Innovation erweitern diesen Bereich auf Softwarearchitektur, Data Engineering, KI, Cloud, DevOps und Sicherheit. Diese Kombination ist entscheidend, wenn im Rahmen eines Anlagenmodernisierungsprogramms physische Abläufe mit skalierbaren digitalen Systemen vernetzt werden müssen.
Betrieb und Mitarbeiter
Die letzte Ebene bildet das Betriebsmodell. Die Mitarbeiter müssen in der Lage sein, das System zu verstehen, zu nutzen, zu warten und zu verbessern, nachdem das Projektteam das Unternehmen verlassen hat.
Dazu gehören:
- Klare Arbeitsabläufe und Anweisungen für das Bedienpersonal
- Praktische Alarmgestaltung
- Wartungszugang und Diagnose
- Schulung und Wissensvermittlung
- Klar definierte Zuständigkeiten für Daten und Systemänderungen
- Eskalationswege bei Qualitäts-, Sicherheits- und Produktionsproblemen
- Ein Verfahren zur Überprüfung, ob die Automatisierung das beabsichtigte Ergebnis erzielt hat
Ein technisch hochentwickeltes System, dem die Bediener kein Vertrauen schenken oder das die Wartungsteams nicht diagnostizieren können, ist kein erfolgreiches Automatisierungssystem.
So bewerten Sie vorhandene Anlagen vor der Integration
Alte Geräte stellen nicht automatisch ein Problem dar. Der erste Schritt besteht darin, ihren Zustand und ihre Schnittstellen zu erfassen.
Rezension:
- Steuerungshardware und -software: Ermitteln Sie SPS-Familien, Firmware-Versionen, Programmierumgebungen und verfügbare Dokumentation.
- Kommunikationsschnittstellen: Erfassen Sie industrielle Protokolle, die Netzwerktopologie, Gateways und Daten, auf die zuverlässig zugegriffen werden kann.
- Maschinenzustand: Bewerten Sie den mechanischen Verschleiß, die Zuverlässigkeit der Sensoren, die Sicherheitssysteme und wiederkehrende Fehlerarten.
- Datenqualität: Überprüfen Sie, ob die Tags einheitlich benannt sind, die Zeitstempel zuverlässig sind und die Produktionsstatus interpretiert werden können.
- Betriebliche Abhängigkeiten: Dokumentieren Sie manuelle Ausweichlösungen, undokumentierte Einstellungen und schichtbezogene Vorgehensweisen.
- Sicherheit und Einhaltung von Vorschriften: Stellen Sie sicher, dass die erforderlichen Sicherheitsfunktionen und die geltenden Normen durch die Änderungen gewahrt bleiben.
- Anforderungen an den Umrüstvorgang: Machen Sie sich damit vertraut, wie die Anlage mit neuen Produkten, Rezepturen, Werkzeugen und Produktionsplänen umgeht.
Diese Bewertung schafft eine Faktengrundlage für die Entscheidung, was beibehalten, was miteinander verknüpft, was neu gestaltet und was ersetzt werden soll.
Wo Robotik, Bildverarbeitung und industrielles IoT zum Einsatz kommen
Diese Technologien sind dann von Nutzen, wenn sie eine bestimmte Prozess- oder Informationslücke schließen.
- Die Robotik kann bei geeigneten Aufgaben die Wiederholgenauigkeit, die Materialhandhabung, die Ergonomie und die Zykluszeit verbessern.
- Die industrielle Bildverarbeitung kann bei der Prüfung, Positionierung, Messung und Rückverfolgbarkeit helfen, wenn Beleuchtung, Bildqualität und Abnahmekriterien kontrolliert werden.
- Das industrielle IoT kann Maschinen und Sensoren mit Überwachungs-, Wartungs-, Analyse- und Produktionssystemen verbinden.
- Mithilfe von digitalen Zwillingen und Simulationen können Teams Layouts, Abläufe und das Verhalten von Automatisierungssystemen bereits vor der physischen Inbetriebnahme testen.
- KI und prädiktive Analysen können Muster in Produktions- oder Anlagendaten erkennen, setzen jedoch zuverlässige Daten und klare operative Maßnahmen voraus.
Die Technologie sollte den Prozessanforderungen entsprechen. Die Einführung einer neuen Technologie nur deshalb, weil sie verfügbar ist, ist ein gängiger Weg, die Kosten zu erhöhen, ohne die Anlagenleistung zu verbessern.
Ein meilensteinorientierter Weg zur Modernisierung der Anlage
Ein praxisorientiertes Programm zur industriellen Automatisierung durchläuft in der Regel folgende Phasen:
Erkundung und Ausgangslage
Definieren Sie das operative Problem, die aktuelle Leistungsfähigkeit, die Einschränkungen, die Beteiligten und die Erfolgskennzahlen. Erfassen Sie ausreichend Basisdaten, um den zukünftigen Zustand mit dem aktuellen Zustand vergleichen zu können.
Prozess- und Systembewertung
Erfassen Sie den Prozess, die Anlagen, die Steuerungen, die Datenflüsse, die Sicherheitsanforderungen und die Arbeitsabläufe der Bediener. Ermitteln Sie Abhängigkeiten, die die Produktionskontinuität beeinträchtigen könnten.
Zielarchitektur und Marktstudien
Vergleichen Sie die verschiedenen Umsetzungsoptionen. Entscheiden Sie, was automatisiert, integriert, neu gestaltet oder unverändert belassen werden soll. Bewerten Sie Kosten, Risiken, Wartbarkeit, Skalierbarkeit und die Zeit bis zur Wertschöpfung.
Detaillierte technische Planung
Entwickeln Sie die mechanische Konstruktion, die Steuerungsarchitektur, das Netzwerk- und Datenmodell, die Softwareschnittstellen, das Sicherheitskonzept, den Testplan und die Umsetzungsreihenfolge.
Simulation, Prototypenentwicklung und Validierung
Testen Sie die Annahmen mit dem höchsten Risiko vor der vollständigen Inbetriebnahme. Nutzen Sie, soweit möglich, Simulationen, funktionsfähige Prototypen, digitale Modelle oder eine schrittweise Inbetriebnahme, um Überraschungen in der Produktion zu vermeiden.
Installation und Inbetriebnahme
Die Umsetzung sollte in kontrollierten Schritten mit klaren Rückfallplänen, Mitarbeiterschulungen, Dokumentation und Abnahmekriterien erfolgen.
Produktionsunterstützung und -optimierung
Das Ergebnis messen, Probleme beheben, das System optimieren und die nächste Verbesserungsmöglichkeit ermitteln. Das Programm sollte dem Werk eine nachhaltig betreibbare Grundlage hinterlassen, nicht nur eine fertiggestellte Anlage.
Häufige Fehler bei der Automatisierung, die die Komplexität erhöhen
Bei der Ausrüstung ansetzen statt beim Engpass
Eine Diskussion, bei der die Ausrüstung im Vordergrund steht, kann zu einem technisch beeindruckenden System führen, das jedoch den kostspieligsten Engpass der Anlage nicht berücksichtigt.
Die Integration als letzten Schritt betrachten
Anforderungen hinsichtlich Steuerung, Mechanik, Daten, Sicherheit und Bedienung sollten die Architektur bereits in einer frühen Phase prägen. Eine erst am Ende vorgenommene Integration führt in der Regel zu mehr Nacharbeit.
Austausch von Altsystemen ohne deren Bewertung
Einige bestehende Systeme sind zuverlässig und können angebunden oder verbessert werden. Eine Erneuerung sollte auf fundierten Erkenntnissen beruhen und nicht allein vom Alter abhängen.
Dashboards erstellen, ohne Entscheidungen zu treffen
Jeder wichtige Datenpunkt sollte eine bestimmte Maßnahme begründen, wie beispielsweise die Anpassung eines Prozesses, die Planung von Wartungsarbeiten, die Untersuchung von Qualitätsschwankungen oder die Änderung eines Produktionsplans.
Unterschätzung des Wissenstransfers
Ein Anlagen-Team muss verstehen, wie sich das System verhält, wie Fehler behoben werden können und wie künftige Änderungen bewältigt werden. Dokumentation und Schulungen sind Teil der technischen Leistungen.
Die Messung der Abschlussquote statt des Ergebnisses
Ein Projekt kann zwar termingerecht abgeschlossen werden, aber dennoch sein betriebliches Ziel verfehlen. Legen Sie vor Beginn der Arbeiten Kennzahlen wie Durchlaufzeit, Ausfallzeit, Erstausbeute, Umrüstzeit, Energieverbrauch oder Reaktionszeit des Wartungsdienstes fest.
So wählen Sie einen Partner für industrielle Automatisierungstechnik aus
Suchen Sie nach einem Partner, der das gesamte technische Problem im Blick hat und nicht nur eine einzelne technische Ebene abdeckt.
Frage:
- Kann das Team die Anforderungen in Bezug auf Prozesse, Mechanik, Steuerungen, Daten und den Betrieb gemeinsam bewerten?
- Lässt sich das mit bereits vorhandenen Geräten und Technologie-Stacks kombinieren?
- Wie werden Meilensteine, Risiken, Entwurfsentscheidungen und Abnahmekriterien dokumentiert?
- Was passiert nach der Inbetriebnahme?
- Kann das Team sowohl die Anforderungen im Bereich Anlagenbau als auch im Bereich Digital Engineering erfüllen?
- Wie wird durch dieses Engagement die Kontinuität der Produktion und das betriebliche Know-how gesichert?
- Verfügt der Partner über Erfahrung in Branchen, in denen Zuverlässigkeit, Sicherheit und die Einhaltung von Vorschriften eine wichtige Rolle spielen?
Monarch Innovation stützt sein globales Engineering-Modell auf funktionsübergreifendes Engineering, meilensteinorientierte Projektabwicklung und Unterstützung über den gesamten Produkt- und Anlagenlebenszyklus hinweg. Die richtige Lösung hängt jedoch weiterhin von den spezifischen Prozessen, Systemen, Einschränkungen und den gewünschten Ergebnissen der jeweiligen Anlage ab.
Fazit
Lösungen für die industrielle Automatisierung schaffen nachhaltigen Mehrwert, wenn sie das wichtigste betriebliche Problem einer Anlage vereinfachen. Die Arbeit sollte am Engpass ansetzen, Prozess- und Ingenieurdisziplinen miteinander verknüpfen, die Gegebenheiten bestehender Systeme berücksichtigen und den Bedienern sowie den Wartungsteams eine Grundlage bieten, auf die sie nach der Inbetriebnahme zurückgreifen können.
Für Hersteller stellt sich in der Praxis nicht die Frage, ob die Automatisierung modern genug ist. Es geht vielmehr darum, ob das vorgeschlagene System die Produktion zuverlässiger, transparenter, wartungsfreundlicher und anpassungsfähiger macht.
Wenn Sie ein Projekt zur Fabrikautomatisierung, Anlagenmodernisierung oder Integration von Produktionssystemen prüfen, besprechen Sie die technischen Herausforderungen mit dem Team von Monarch Innovation und legen Sie den nächsten Meilenstein fest, bevor Sie sich für eine Technologie entscheiden.
Häufig gestellte Fragen zu Lösungen für die industrielle Automatisierung
Wie kann die industrielle Automatisierung die Effizienz in Fabriken steigern?
Die industrielle Automatisierung kann die Effizienz in Fabriken steigern, indem sie den Durchsatz erhöht, ungeplante Ausfallzeiten reduziert, die Prozesskonsistenz verbessert, sich wiederholende manuelle Aufgaben überflüssig macht und den Teams einen besseren Überblick über die Produktion verschafft. Die richtige Lösung hängt vom jeweiligen Engpass im Werk ab. Linienausgleich, Verbesserungen der Steuerungstechnik, Bildverarbeitung, Robotik, Wartungsdaten und die Neugestaltung von Prozessen können jeweils unterschiedliche Effizienzprobleme beheben.
Wie sollte ein Hersteller ein Projekt zur industriellen Automatisierung planen?
Beginnen Sie damit, das betriebliche Problem zu definieren und eine Ausgangsbasis festzulegen. Bewerten Sie anschließend den aktuellen Prozess, die Anlagen, die Steuerungen, die Daten, die Sicherheitsanforderungen und die Arbeitsabläufe der Bediener. Nutzen Sie diese Bewertung, um die Zielarchitektur zu definieren, Implementierungsoptionen zu vergleichen, den detaillierten technischen Entwurf zu entwickeln, risikobehaftete Annahmen zu validieren und die Umsetzung in kontrollierten Schritten mit klaren Abnahmekriterien durchzuführen.
Lässt sich die industrielle Automatisierung in bestehende Anlagensysteme integrieren?
Ja. Viele Modernisierungsprogramme zielen darauf ab, bestehende Anlagen anzubinden oder zu verbessern, anstatt die gesamte Anlage zu ersetzen. Prüfen Sie vor der Integration die Steuerungshardware, die Softwareversionen, die Kommunikationsschnittstellen, den Zustand der Maschinen, die Datenqualität, die Sicherheitssysteme sowie undokumentierte Workarounds. Dies hilft dabei, zu entscheiden, was beibehalten, angebunden, neu gestaltet oder ersetzt werden sollte.
Wie kann Automatisierung dazu beitragen, Ausfallzeiten in der Fertigung zu reduzieren?
Automatisierung kann Ausfallzeiten reduzieren, indem sie die Anlagendiagnostik verbessert, Betriebsbedingungen überwacht, wiederkehrende Fehlermuster identifiziert, Prozesse standardisiert und die Umsetzung von Wartungsinformationen erleichtert. Das System sollte Ausfallzeitdaten mit einer definierten Reaktion verknüpfen, beispielsweise der Ermittlung der Grundursache, der Planung von Wartungsmaßnahmen oder der Anpassung von Prozessen.
Was sollten Hersteller bei der Auswahl eines Partners für die industrielle Automatisierung beachten?
Suchen Sie nach einem Partner, der die Anforderungen in den Bereichen Prozesse, Mechanik, Steuerung, Daten, Sicherheit und Betrieb gemeinsam bewerten kann. Fragen Sie, wie der Partner Meilensteine, Produktionskontinuität, Tests, Dokumentation, Bedienerschulungen, Cybersicherheit und Support nach der Inbetriebnahme handhabt. Ein Partner sollte in der Lage sein, mit Ihrem bestehenden Technologie-Stack zu arbeiten und zu erläutern, wie die vorgeschlagene Lösung messbare Geschäftsergebnisse verbessern wird.
Inwiefern unterstützen KI und Daten die industrielle Automatisierung?
KI und Produktionsdaten können die vorausschauende Instandhaltung, die Qualitätsanalyse, die Ursachenermittlung, die Produktionsüberwachung und adaptive Prozessentscheidungen unterstützen. Allerdings benötigt das Werk zuverlässige Daten, einen klaren betrieblichen Kontext und eine vereinbarte Maßnahme für jedes wichtige Signal. KI sollte mit einer definierten betrieblichen Entscheidung verknüpft sein und nicht als isolierte Technologiedemonstration hinzugefügt werden.
