4.0 Transformationsprogramme

Das European 4.0 Transformation Center (E4TC) verbindet die praktische Digitalisierungserfahrung anhand der e.GO Mobile AG mit den interdisziplinären Living Demonstrator Projekten am RWTH Aachen Campus in einzigartiger Weise.  Daraus resultieren:
Damit geben wir Industrieunternehmen einen direkten Einblick und einen unverstellten Weg für die rasche und agile Umsetzung ihrer eigenen digitalen Transformation.

Der acatech Industrie 4.0 Maturity Index  zeigt, dass die Latenzzeiten von der Sammlung von Erkenntnissen über die Ursachenanalyse bis zur Fällung von Entscheidungen und schließlichen Umsetzung signifikant reduziert werden können.

acatech Industrie 4.0 Maturity Index: Less latency helps improve faster

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Der Geschäftsnutzen der 4.0 Transformation liegt in der leichteren und schnelleren Schließung von Regelkreisen über das gesamte Industrieunternehmen hinweg.  Derartige Regelkreise finden sich unter anderem in der agilen Produktentwicklung, im Echtzeit-Produktionsmanagement und im Nutzungszyklus von Produkten.  Diese Perspektive wird im Bezugsrahmen des Internet of Production aufgezeigt:

Internet of Production

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Im Internet of Production gliedern in der horizontalen Ebene der Development Cycle, Production Cycle und User Cycle (mit Marketing, Vertrieb, Nutzung und Service) die verschiedenen Bereiche für Regelkreise im Unternehmen.  Die vertikale Dimension umfasst drei Schichten:

  • Die untere Schicht verweist auf die verfügbaren Daten sowohl aus IT Applikationen und ihren Datenbanken wie etwa Product Life Cycle Management (PLM), Enterprise Resource Planning (ERP) und Customer Relationship Management (CRM) als auch Monitoring-Daten aus Prototypen, Anlagen, konnektierten Produkten und anderen Quellen.
  • Die mittlere Schicht verweist auf die Zugänge zu diesen Datenquellen sowie die Sammlung und Analyse basierend auf den Anforderungen aus konkreten abteilungsinternen und -übergreifenden Anwendungsfällen. Für die Verarbeitung im Echtzeitbereich werden Technologien für das Internet der Dinge erforderlich, die Konnektivität, Middleware sowie stetigen Datenfluss und Datenanalyse ermöglichen.
  • Die obere Schicht verweist auf die Präsentation von Ergebnissen für die Beurteilung durch Anwender, die Herbeiführung von Entscheidungen und die Einsteuerung von Reaktionen. Beispiele für Anwendungsfälle mit digital geschlossenen Regelkreisen sind:
    • Rückmeldung von Testergebnissen an die Entwicklung bei enger Verknüpfung mit den PLM-Daten
    • Anpassung von Auftragsreihenfolgen und -freigaben bei geänderten Bedarfen
    • Analyse von Mustern der Produktnutzung im Vergleich zu bestehenden Annahmen im Anforderungsmanagement
    • Kenngrößen für die rechtzeitige Einplanung von Wartungsaktivitäten zur Vermeidung von Stillstandszeiten.

Der Ansatz des Internet of Production macht Daten auch für abteilungsübergreifende Anwendungsfälle verfügbar.  Die hergebrachten sequentiellen Prozess- und IT-Architekturen werden so um nachvollziehbare Datenrückführungen in Regelkreisen ergänzt.

Das Elektroauto-Startup e.GO Mobile realisiert das Internet of Production auf agile Art und Weise und zeigt dies sowohl in der Demonstrationsfabrik (DFA) am RWTH Aachen Campus als auch unter Serienbedingungnen in seinem Werk 1.

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Länger etablierte Produktionsunternehmen verfügen über gewachsene Prozess- und IT-Landschaften, die sich manchmal auch durch Akquisitionen verbreitern.  Daraus ergeben sich Herausforderungen durch abteilungsspezifische Datenformate und -modelle, heterogene Systeme, beschränkte Offenheit und Interoperabilität. Dies führt in der Regel zu kostenträchtigen Anstrengungen, zusätzliche Anwendungsfälle mit IT zu realisieren.  In der Folge gibt es oft Abläufe, die lediglich mit Dateien, beispielsweise in Form von Tabellenkalkulationen, unterstützt werden und nicht mit einer soliden Basis in der IT-Landschaft verankert sind.  Die Anzahl solcher Dateien kann einen Indikator ausmachen für den Grad der erreichten bzw. noch nicht erreichten Digitalisierung mit entsprechenden Folgen für Effizienz und Managementqualität.  In diesem Zusammenhang bieten insbesondere aktuelle Internet der Dinge-Technologien neue Möglichkeiten durch vereinfachte Konnektivität und flexiblere Unterstützung von Anwendungsfällen mit kostengünstigen Apps oberhalb der klassischen IT Applikationen.

Um diese neuen Chancen zu nutzen und den bestehenden Herausforderungen in einem firmenspezifischen, konstruktiven Weg zu begegnen, empfiehlt sich die Diskussion und Bearbeitung anhand der Realize Digital Transformation Roadmap des E4TC.

Realize Digital Transformation Roadmap

Die Umsetzung visionärer Zielsetzungen, wie z.B. die Verwirklichung digitaler Zwillinge, erfordert eine umfassende Grundlagenarbeit, um nachhaltig und skalierbar zum Geschäftserfolg beitragen zu können. Diese Grundlagenarbeit erstreckt sich über das Maß hinaus, das von pilothaften Implementierungen bekannt ist.  Aus diesem Grund wird die Realize Digital Transformation Roadmap von unten nach oben erläutert.

4.0 Transformation Opportunity Scan (4TOS)

4TOS
Jede Roadmap benötigt einen klar verstandenen Ausgangspunkt:  Dazu eignet sich eine kurze anschauliche Erkundung darüber, wie im konkreten Einzelfall die Abläufe und Systeme tatsächlich aussehen. Im ersten Schritt betrachtet dies die konkrete Wertschöpfung im Unternehmen von der F&E über die Produktion hin zu den kundenorientierten Aktivitäten und wie diese bereits von digitalen Prozessen und Anwendungsfällen unterstützt werden.  Dies erfordert Deep-dives an wesentlichen Standorten, um die gelebte Praxis und deren digitales Abbild direkt zu verstehen.  Im zweiten Schritt folgt die gemeinsame Bewertung der vorgefundenen Stärken und Schwächen und ihrer geschäftlichen Relevanz, woran sich eine Zieldefinition anschließt.  Im dritten Schritt wird ein relevantes Portfolio und 4.0 Transformationsprojekte definiert, um der jeweiligen Zielausprägung des Internet of Production nachzukommen.

 Dadurch ergeben sich folgende Vorteile:

  • Kombination aus physischer und digitaler Standortbestimmung
  • Rasches und klares Verständis durch Vor-Ort-Durchsicht
  • Tangible Darstellung des Zielbildes und seines Nutzens für die verschiedenen Anspruchsgruppen im Unternehmen
  • Klarer Fokus für den Weg nach vorne.

Seamless Application Landscape

Aus der Perspektive des gesamten Produktionsunternehmens sind bestehende IT-Landschaften oft das Ergebnis einer abteilungsweisen Historie. Dabei sind oftmals bestehende Anforderungennoch nicht umgesetzt und es bestehen Inkonsistenzen zwischen den maßgeblichen Domänen. Darüber hinweg hilft meist der Austausch von Informationen im Dateiformat wie etwa in Form von Tabellenkalkulationen, dessen Intensität ein guter Gradmesser für den tatsächlich erreichten Stand der Digitalisierung ist. Zielszenarien für eine stärker durchgängige Landschaft variieren nach Branche und Geschäftsart. Im Fall von e.GO haben sich drei Schwerpunkte herausgebildet:

  • Agile Design, Protoyping and Testing
  • Digital Shopfloor and Intralogistics
  • Digital Customer Journey.

Agile Design, Prototyping, Testing

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Vorteile:

  • Projekte bis zu 2x schneller
  • Projekte bis zu 90% günstiger
  • Erfahrungsaufbau mit agilen Methoden in der Organisation
  • Verbesserungen in Datenqualität, Prozessmanagement und Dokumentation
  • Verbesserungen in der Zusammenarbeit mit internen und externen Beteiligten aller Disziplinen

Digital Shopfloor and Intralogistics

Digital-Shopfloor
Vorteile:

  • Nahtlose Auftrags- und Produktionsplanung
  • Visibilität der Produktionsaufträge für alle Beteiligten aus der gleichen Quelle
  • Zielgerichtete Information
  • Steuerung von Betriebsmitteln wie Schraubern und fahrerlosen Transportern
  • Automatische und manuelle Rückmeldung von Istwerten aus der Produktion und deren weitere Nutzung
  • Störungsmanagement
  • Nahtlose Anbindung des Warehouse Management
  • Spezifische Umgebung für Qualitätsmanagement mit Prüfplänen, -werkzeugen, -fällen, -ergebnissen und Lieferantenkollaboration
  • Signifikante Reduzierung papier- und dateibasierter Kommunikation

Digital Customer Journey

Digital-Customer-Journey
Vorteile:

  • Direkter und stark skalierbarer Zugang zu Endkunden mit den entsprechenden Interaktionsmöglichkeiten
  • Einheitliche Vertriebsplattform für verschiedene Go-to-Market-Ansätze und verschiedene Produkte
  • Hochauflösende Nachfrageanalysen
  • Ausgangspunkt für die Versorgung anderer Unternehmensprozesse mit Kundeninformationen
  • Einfaches und umfassendes Berichtswesen
  • Skalierbar von Start-ups bis zu großen Organisationen
Für alle Bestandteile der Realize Digital Transformation Roadmap gilt: Ein Lösungsbaustein ist erst vollständig durch das Zusammenspiel der konkreten physischen Gegebenheiten mit den digitalen Fähigkeiten und den sogenannten weicheren Faktoren in den Bereichen Mensch und Führung.  Siehe dazu auch den Abschnitt Erfolgsfaktoren für die 4.0 Transformation.

Aligned BOM Structures and Data Models

Der volle Nutzen datengetriebener Anwendungsfälle hängt davon ab, ob man den Gegenstand genau kennt, auf den sich die Daten beziehen.  Im Fall von variantenreichen Produkten oder auch bei auftragsspezifischer Entwicklung wird der Gegenstand durch die Darstellung einer Produktstruktur beschrieben.  Jedoch variieren auch die Darstellungen von Produktstrukturen zwischen den Arbeitsbereichen im Unternehmen:

  • Im Development Cycle beherbergt das Product Lifecycle Management System (PLM) eine konfigurierbare Engineering Bill of Material (eBOM), welche versionierte Entwicklungsdaten aus verschiedenen CAD-Systemen und damit verbundene beschreibende Informationen wie Attribute, Anforderungen, Testdaten, Versionierungs- und Freigabestände auf allen Gliederungsebenen abspeichert. Der Hauptzweck besteht im Management der Inhalte und der treibenden Prozesse für die Entwicklung und Änderungen am Produkt. Dies bildet den Ausgangspunkt für die Konsistenz und Qualität produktbezogener Informationen und zugehöriger Monitoring-Daten im gesamten Unternehmen. Dazu gehört auch die gut ausgeprägte Fähigkeit, in einem Unternehmen gemeinsame digitale Entwicklungsmethoden, z.B. an den CAD-Systemen, zu definieren und umzusetzen, etwa durch Ausbildung und Führungsverhalten.  In weniger weit gediehenen Fällen fehlt die “Single Source” bzw. eine einheitliche Methodik für die Produktentwicklung und verursacht dadurch erhebliche Mehraufwände in den nachfolgenden Aktivitäten.
  • Im Manufacturing Cycle gilt der Fokus den Transaktionen bzw. Bestellungen von Kundenseite sowie gegenüber Montage, Fertigung und Zulieferern. Die dafür zuständigen Produktionsplanungs- und Steuerungssysteme (PPS bzw. ERP) benötigen Stammdaten in Form von Stücklisten und Arbeitsplänen.  Verwendet werden auch die Begriffe Manufacturing Bill of Materials (mBOM) und Bill of Processes. Um diese verfügbar zu machen, werden eBOM-Daten herangezogen und strukturell transformiert, damit die Strukturen, Inhalte, Datenmodelle und Konfigurationsregeln zu den ERP-Systemen passen, da diese anders aufgebaut sind als die im Gesamtprozess vorhergehenden PLM-Systeme.
  • Produktstrukturen im User Cycle reichen von Ersatzteillisten bis zu Vertriebskonfiguratoren, die es erlauben, kundenspezifische Varianten zusammenzustellen, wiederum auf der Basis eigener Ausdrucksformen für Produktstrukturen und Konfigurationsregeln.
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Aus diesen Gründen erstellen und verwalten Industrieunternehmen abteilungsweise fünf bis acht verschiedene Darstellungsweisen von Produktstrukturen, jedoch meist mit wenig Abstimmung und Nachvollziehbarkeit untereinander.  Auf der detailliertesten Ebene der Teile können demzufolge untereinander vergleichbare Bezeichnungs- und Beschreibungsweisen vorhanden sein oder fehlen.

Diese interne Komplexität erschwert die gemeinsame Nutzung von produktstrukturbezogenen Informationen über das Unternehmen hinweg und limitiert dadurch die Möglichkeit der fallspezifischen Nachvollziehbarkeit und Auswertbarkeit gesammelter Daten wie etwa aus konnektierten Produkten.

Deshalb empfiehlt sich ein übergreifend unternehmensweiter Ansatz zur Abstimmung der unvermeidlich verschiedenen Domänen und zur durchgängigen Befolgung bei der Erstellung von Produktstrukturen und Datenmodellen. Das ist eine Aufgabe für die Unternehmenszentrale und sollte mit entsprechender Durchsetzungsfähigkeit organisiert werden.

Realtime Data Platform and Analytics

Die heutigen Technologien für das Internet der Dinge erlauben die Sammlung und Aggregation von Daten aus verschiedenen konnektierten Quellen, seien es Systeme oder Produkte.  Dies eröffnet neue Wege für:

  • Gestaltung von Anwendungsfällen mit spezifischen Daten aus verschiedensten Quellen
  • Darauf bezogene Analysen und Auswertungen
  • Echtzeit-Berichte und Steuerung
    • Nutzung von Daten und Ergebnissen über rollenspezifische Apps
    • App-geführte Interaktionen in Prozessen und mit Systemen
  • Reduzierung von Budgets für Systemanpassungen und Apps für rein interne Zwecke

Die Bereitstellung von Echtzeit-Möglichkeiten kann agil erfolgen und setzt die beiden vorhergehenden Ebenen “Seamlessness” und “Structures” in der Realize Digital Transformation Roadmap nicht zwingend voraus, kann also parallel angegangen werden. Dadurch können neue Anwendungsfälle effizient bereitgestellt werden wie etwa App-unterstützte Produkt- und Service-Leistungsmerkmale, das Management der Datenqualität, Management Cockpits, Smart Factory Apps für das Echtzeit-Produktionsmanagement, Echtzeit-Produkt-Monitoring, Energie-Monitoring, vorbeugende Wartung, um nur einige zu nennen.

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Vorteile:

  • Zugang zu verschiedensten Datenquellen
  • Echtzeit-Fähigkeit
  • Wiederverwendung von Plattform und Konnektoren
  • Freie Kombinationsmöglichkeiten für die herangezogenen Daten und abgeleiteten Analysen
  • Schnelle und flexible Konfiguration von Apps
  • Schneller Start mit Visibilitätsthemen (lesend) und weitere Schritte zur Steuerung aus Cockpit Apps (schreibend)
  • Minimierung von Latenzzeiten in der Ablauforganisation von Geschäftsprozessen
  • Agiler Weg für die 4.0 Transformation, der ohne Greenfield-Voraussetzungen auskommt.

Differentiated and AR-supported Interactions

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Differentiated and AR-supported Interactions bezeichnen die nächsthöhere Ebene der Realize Digital Transformation Roadmap.  Augmented Reality (AR) ermöglicht neue Formen der Unterstützung zwischen physischen und digitalen Prozessen.  Sie profitiert dabei von den Vorarbeiten auf den vorhergehenden Ebenen der Roadmap. Damit können arbeiten in F&E, Produktion und Service unterstützt werden.

In der Schnittmenge von Development Cycle und Manufacturing Cycle liegt die Gestaltung der Produktionsabläufe.  Die Prozessentwicklung kann sich für gewöhnlich nicht auf das für die Produktentwicklung etablierte Niveau der digitalen Unterstützung stützen, weil es kaum vergleichbare Gestaltungswerkzeuge und Datenmanagement-Lösungen gibt.  Dieser Herausforderung steht die sehr große Chance aus der besseren Verzahnung von Produkt- und Prozessentwicklung gegenüber.  Deshalb stellt diese Verzahnung ein weiteres Beispiel für eine differenzierende Interaktion dar, weil im selben System die Engineering und Manufacturing BOMs und ihre Änderungen verfolgt und synchron gehalten werden können, bevor sie für eine bestimmte Gültigkeit oder Konfiguration in die Stammdaten des ERP-Systems freigegeben werden.

Joint Product and Process Engineering

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Vorteile:

  • Produkt- und Prozessentwicklung arbeiten auf der gleichen Datenbasis
  • Datenmanagement für die Inhalte der Arbeitsvorbereitung auf Basis von ineinander überführ-, versionier- und konfigurierbaren  Produkt- und Prozessstrukturen
  • Nachvollziehbare Transformation der Engineering BOM- in die Manufacturing BOM-Struktur
  • Bill of Processes für Fertigung und Montage als Basis für Arbeitspläne und Arbeitsanweisungen
  • Freigabe der Manufacturing BOM und Bill of Processes aus dem PLM ins ERP
  • Überbrückung und Agilisierung des Übergangs von der F&E hin zu Produktion und Logistik
Im Production Cycle sind die Abläufe, Systeme und Infrastrukturen oft vielschichtig; Visibilität wird zu einer Herausforderung.  Das Internet der Dinge erlaubt über Produktionslinien und -standorte hinweg Anbindung und Monitoring von Werteflüssen, Betriebsmitteln, Teilen und anderen potentiellen Produktivitätsengpässen.  Die benötigten Echtzeit-Berichte und -Steuerungsmöglichkeiten, wie etwa OEE-Kenngrößen und ihre Bestandteile, können in zweidimensionalen Cockpit Apps oder dreidimensionalen Smart Factory Apps zur Verfügung gestellt werden. Letztere nutzen digitalisierte Standorte, Linien und Betriebsmittel als spiegelbildliche Navigationshilfen zwischen den verschiedenen Beobachtungspunkten.
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Im User Cycle kommt es zu vielfältigen differenzierenden Interaktionen mit Kunden, Servicepartnern und anderen. Kunden können dabei von zusätzlichen durch Konnektivität ermöglichten Leistungsmerkmalen profitieren.  Servicefälle und Ersatzteilbestellungen können über globale Service Apps abgewickelt werden. Durch diese enge Anbindung entsteht ein größeres Verständnis für die tatsächliche Beschaffenheit von Fahrzeugen oder Maschinen in der installierten Basis.

Customer and Service Partner Platforms

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Disruptive Capabilities

Die Charakterisierung als disruptiv bezieht sich auf fundamentale Veränderungen in Geschäftsfeldern oder deren Umfeld.  Ob die Bezeichnung disruptiv angebracht ist, hängt also von der strategischen Situation ab.  Potentiale auf der technischen Seite bergen zum Beispiel digitale Zwillinge für Produkte, Anlagen oder Werke und darauf bezogene Möglichkeiten für Geschäftsmodelle und Abläufe.  Auf der kommerziellen Seite ist der Übergang vom Produktverkauf zur Abrechnung nach Nutzung oft disruptiv, da die sogenannte Subscription Economy die klassischen Beziehungen zwischen Herstellern, Händlern und Kunden stark verändert.

Erfolgsfaktoren für die 4.0 Transformation

Die erfolgreiche Umsetzung der eigenen Realize Digital Transformation Roadmap liegt nicht nur an der strategischen Ausrichtung und der Betreuung durch das Top Management sondern auch an einem ausreichend tiefen Verständnis der Ausgangspunkte, wie in den Schritten des 4.0 Transformation Opportunity Scan erarbeitet.

In unserer Praxis sind zwei weitere Faktoren hervorzuheben, weil sie abweichen von gewohnten Mustern bei Systemeinführungen und -migrationen und dem damit verbundenen Management organisatorischer Veränderungen.

Die agile Einführung digitaler Fähigkeiten stellt sich als zwingend für erfolgreiche Prozessinnovationen heraus, weil im sogenannten Wasserfallmodell, der stark sequentiellen Abarbeitung von Anforderungen, Spezifikation und Umsetzung, die detaillierte Bekanntheit des Themas vorausgesetzt wird. In neueren Feldern wie dem Internet der Dinge kann dies nicht gegeben sein und das Lernen durch Iterationen bestimmt die Geschwindigkeit.  Damit ändern sich auch die situativ angemessenen Managementansätze wie etwa:

  • Führen nach Zielen statt detaillierten Spezifikationen
  • Frühzeitige Technologieentscheidungen zur Verprobung in agilen Iterationen
  • Risikoreduzierung durch kurzzyklische Sprints mit überschaubaren Projektumfängen, die in ihrer Überschaubarkeit auch verteidigt werden
  • Anwenderbeteiligung von Anfang an
  • Kontinuierliche Managementbeteiligung an den Iterationen und den darin erforderlichen Entscheidungen.

Ein einfaches Beispiel für die agile Vorgehensweise kann man der Website von e.GO entnehmen, wenn man die Konfiguratoren von e.GO Life und e.GO Kart vergleicht.

Agility example – from e.GO Kart Configurator and Webshop to e.GO Life

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Um den agilen Ansatz auch in länger bestehenden Organisationen anzuwenden, ist der Blick auf einen weiteren Erfolgsfaktor erforderlich, der bewussten Strukturierung des Spielfeldes für die Umsetzung von Projekten im Rahmen der eigenen Realize Digital Transformation Roadmap.

Define your business playing field for agile realization

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Diese Diskussion wird bestimmt von den relevanten Haupthebeln der 4.0 Transformation (Prozesse, Produkte, Geschäftsmodelle) und den verfügbaren Umfeldern.  Oft werden Chancen für einen Greenfield-Ansatz übersehen, weil Entscheidungen über neue Produkte oder Standorte nicht auf das Potential für die Realize Digital Transformation Roadmap Bezug nehmen.