Vom starren System zur beweglichen Fabrik

Die Produktionstechnologie muss sich auf volatilere und immer schlechter planbare Märkte einstellen. Die nötige Flexibilität lässt sich allein durch Software-defined Manufacturing erreichen.

In der Sprache der Unternehmensberater erfährt die Unsicherheit über die Entwicklungen in der Welt und auf den Märkten gerade noch eine Steigerung. War bislang von VUCA die Rede, was für volatility/Volatilität, uncertainty/Unsicherheit, complexity/Komplexität und ambiguity/Unklarheit steht, so kommt nun das Akronym BANI in Mode: Brittleness/Zerbrechlichkeit, Anxiety/Unsicherheit, Non-linearity/Nicht-Linearität, Incomprehensibility/Unverständlichkeit.

Die resultierende Herausforderung für die produzierende Industrie ist aber unverändert und sehr einfach zu beschreiben: Fertigung und Automation müssen auf maximale Flexibilität getrimmt werden, natürlich bei maximaler Effizienz. Ebenso klar und – theoretisch – einfach ist der Weg dahin: Weg von Systemen, in denen vor allem die Hardware bestimmt, was und wie produziert werden kann – und hin zu Lösungen, bei denen sich möglichst viele Änderungen durch relativ einfache Softwareanpassungen realisieren lassen. Software-defined Automation (SDA) und Software-defined Manufacturing (SDM) lauten die Schlagworte.

Werden nämlich die Eigenschaften einer Maschine oder Anlage vor allem durch Software festgelegt, lässt die Maschine sich viel einfacher an neue Anforderungen anpassen oder auf dem aktuellen Stand halten, als wenn die Eigenschaften durch Hardware festgelegt wären. Einfacher bedeutet hier vor allem schneller und kostengünstiger – beides sind gerade in volatilen Zeiten und bei hohem Wettbewerbsdruck entscheidende Vorteile. Als Parade-Beispiel wird hier oft das Smartphone angeführt: Die gleiche Hardware kann je nach installierten Apps ganz unterschiedliche Funktionen haben. 

Die Wettbewerbsfähigkeit steht auf dem Spiel

Dass es dabei nicht um ein Randthema geht, sondern Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit auf dem Spiel stehen, machte jüngst eine Untersuchung im Auftrag des Unternehmens Schneider Electric deutlich: Geschlossene Systeme, bei denen Hard- und Software eine schwer trennbare Einheit bilden, verursachen bei mittelgroßen Unternehmen jährlich "versteckte Kosten" in Höhe von 11,3 Mio. US-Dollar, was rund 7,5 % des Umsatzes entspreche. Die unnötigen Kosten entstünden "durch Ausfallzeiten, Ineffizienzen und teure Compliance-Nachrüstungen", ermittelte die Analyse- und Beratungsfirma Omdia in einer Umfrage unter mehreren hundert Unternehmensvertretern. Oft würden Unternehmen diesen Aufwand als unvermeidbare Betriebskosten betrachten.

In der Studie habe sich gezeigt, dass mit den heute verbreiteten Automatisierungssystemen ein großer Zeit- und Ressourcenaufwand nötig sei, um Produktionsprozesse zu ändern. Selbst kleinere Anpassungen erforderten üblicherweise das Umprogrammieren von Steuerungen, neue Verkabelung von I/O-Systemen oder den Austausch von Hardware-Komponenten. Das Ganze werde umso komplexer, je mehr Hersteller mit ihren Produkten im Automatisierungssystem vertreten seien.

Die Handlungsempfehlung liefert Omdia gleich mit: Umstellung auf softwaredefinierte Automatisierungssysteme, bei denen Software und Hardware entkoppelt sind. "Hardware-agnostische" Software lautet hier das Schlagwort, das auch in anderen Branchen immer häufiger zu hören ist – etwa in der Automobilindustrie, die große Hoffnungen mit dem softwaredefinierten Fahrzeug verbindet und auch in der Software-gesteuerten Produktion sehr aktiv ist.

Software muss auf offenen Standards basieren

Wenn Steuerungslogik und Hardware getrennt seien, könne die Software auf jeder – für eine solche offene Architektur konzipierten – Hardware "laufen" und sei nicht auf spezielle eingebettete Funktionen der Hardware angewiesen. Ergebnis: die Produktionsprozesse lassen sich allein durch eine Softwareanpassung ändern.

Dass die Experten von Omdia hier immer wieder den Begriff der "offenen" softwaredefinierten Automatisierung verwenden hat seinen guten Grund. Im Prinzip kann man eine softwaredefinierte Automatisierung auch innerhalb der proprietären Lösung eines Anbieters realisieren. Dabei bleibt der Anwender immer noch auf die speziellen Lösungen dieses Herstellers und möglicherweise die spezielle Unterstützung dieses Herstellers angewiesen.

Einfach proprietäre Controller-Hardware durch eine ebenfalls proprietäre Software innerhalb eines weiterhin geschlossenen Systems zu virtualisieren, sei daher keine wirkliche Lösung. Der Anwender sei immer noch an herstellerspezifischen Code, entsprechende Entwicklungs-Tools und Kommunikationsprotokolle gebunden. Damit bleibe es beim "vendor lock-in", was Agilität und Flexibilität bei der Anpassung von Produktionsprozessen untergrabe. Ein echter Systemwechsel erfordere hingegen Steuerungslogik, die auf offenen Standards wie IEC 61131-3, IEC 61499, OPC UA, OPC UA FX, Margo, MQTT und verwandten Protokollen basiere.

Den praktischen Unterschied zwischen starrer und softwaredefinierter Produktion beschreiben Expertinnen und Experten des IT-Dienstleisters und Beratungsunternehmens MHP mit dem Beispiel von Roboterarmen in einer Produktionsanlage: In einem starren System würde jeder Roboterarm von einer physischen SPS gesteuert, die genau für diesen Roboterarm und das aktuelle Produkt programmiert wurde. Solle ein anderes Produkt hergestellt werden, müsse der Roboterarm "aufwendig umprogrammiert oder ersetzt werden. Diese Softwareupdates müssen aktuell lokal und oft mithilfe von externen Wartungsfirmen durchgeführt werden."

Schnell und einfach umprogrammieren

Beim Software-defined Manufacturing hingegen werde der Roboterarm von einer zentralen und flexiblen Softwareplattform gesteuert, die es erlaube, den Roboter schnell und einfach für ein geändertes Produktdesign umzuprogrammieren. Möglicherweise muss noch das am Roboterarm montierte Greif- oder Montagewerkzeug getauscht werden. 

In diese Richtung arbeiten auch Automatisierungsanbieter, Siemens etwa bietet als Alternative zur klassischen SPS seit einiger Zeit auch virtuelle Speicherprogrammierbare Steuerungen (vSPS) an, hardwareunabhängige Software, die alle Aufgaben einer Hardware-Steuerung erfüllt. Audi hat vSPS von Siemens mit Sicherheitsfunktion vor knapp einem Jahr zunächst in der Karosserieproduktion in den "Böllinger Höfen" eingeführt, wo kleine Stückzahlen produziert werden. Geplant ist ein Ausrollen auf weitere Standorte.

Die Machbarkeit von Software-defined Manufacturing hat auch Bosch in einem Forschungsprojekt mit 30 Partnern bewiesen. Im Forschungscampus ARENA2036, der sich speziell der Produktion in der Automobilindustrie widmet, wurde ein spezieller Schritt in der Produktion eines Lenksystems durch reine Softwareanpassung von Schrauben auf Clipsen umgestellt. Dabei setzten die Forscher einen Digitalen Zwilling der Anlage ein, in dem die Änderung virtuell geplant und umgesetzt wurde, bevor sie an der realen Maschine zum Einsatz kam. Zudem entwickelten sie auch den Prototypen einer virtuellen Steuerung, die nicht mehr im Schaltschrank, sondern in einer "Edge-Cloud" läuft. Also in einer lokalen Cloud im Produktionswerk.

"Das Stichwort lautet virtualisierte Steuerung – eine softwarebasierte Steuerungslösung, die die Funktionen einer herkömmlichen, hardwarebasierten Steuerung in einer virtualisierten Umgebung auf Standard-Computersystemen bereitstellt, ohne auf spezialisierte Hardware angewiesen zu sein", erläutert Patrick Wiener, Aktivitätsleiter "Industrial Edge Control" bei Bosch Research in einem Bericht über das Projekt.

Technologie steckt noch in den Kinderschuhen

Dass dieses Forschungsprojekt erst vor knapp einem Jahr beendet wurde, zeigt auch, dass Software-defined Manufacturing noch in den Kinderschuhen steckt. Als eine zentrale Erkenntnis der Messe SPS im November formulierten die Produktionsexperten von Omdia zwar: Die SPS 2025 "zeigte einen Wandel hin zu softwaredefinierten Architekturen, die die Steuerungslogik von proprietärer Hardware entkoppeln. Anbieter setzen auf virtuelle programmierbare Steuerungen (vPLCs), Abstraktionsschichten auf Betriebssystemebene, schaltschrankfreie Systeme und app-basierte Ökosysteme, da diese als Grundlage für langfristige betriebliche Flexibilität dienen."

Allerdings sind Strategie- und Produktvorstellungen auf Messen und die Realität auf dem Shopfloor unterschiedliche Welten. Denn die Omdia-Experten stellten auch fest, dass echte Implementierungen von Software-defined Manufacturing sich meist noch auf Pilotprojekte beschränkten. Und auf Anbieterseite finde man stark unterschiedliche Definitionen und Ansätze: von Herstellern mit einem einzelnen virtualisierten Gerät bis zu jenen, die umfassende SDM-Ökosysteme vorantreiben wollen.

Nicht nur auf die Investitionskosten schauen

Auf Anwenderseite gebe es auch keinen Run auf SDM. Das Bewusstsein für die Technologie und ihre Vorteile seien begrenzt. Eine Hürde dürfte der Aufwand sein: "Die anfänglichen Investitionskosten können erheblich sein, und die Vorteile zeigen sich erst nach einer gewissen Zeit. Ein Umdenken von Investitionskosten (Capex) hin zu Gesamtbetriebskosten ist erforderlich", appellieren die Omdia-Experten. Eine Hürde dürfte auch in den Köpfen und den Organisationsstrukturen liegen. Denn die Einführung von Software-defined Manufacturing bedeutet auch einen Schwenk von den Leitgedanken der OT (Operational Technology) zu der völlig anders gearteten Philosophie der IT-Welt.

So warnen auch die Experten von MHP davor, solche Projekte blauäugig anzugehen. Die Umstellung auf SDM sei ein umfangreicher Prozess, der in drei großen Phasen erfolge: "1. Hardware und deren Software entkoppeln, 2. Process Orchestration Layer (POL) implementieren, 3. Lokales Optimierungstool einschalten". Und damit nicht genug: "Für die technische Umsetzung von Software-Defined Manufacturing sind fünf entscheidende Building Blocks erforderlich", betont man bei MHP.

Jeder Einzelschritt bringt Effizienzverbesserungen

Zu diesen technischen Voraussetzungen zählt beispielsweise, eine nahtlose Kommunikation sicherzustellen, indem die zahllosen 1:1-Schnittstellen zwischen Anlagen, Maschinen und Systemen durch ein zentrales und einheitliches Bussystem ersetzt werden. Daten aus den verschiedensten Quellen und in unterschiedlichen Formaten müssten in einer Cloud zusammengeführt, dort extrahiert, strukturiert und mit Kontextwissen angereichert werden, damit sie optimal genutzt werden können. Für die Beschreibung von Produkt, Prozess und Ressourcen müssten standardisierte Modelle eingeführt werden, um Transparenz zu erreichen. Schließlich müssten eine effiziente Prozesssteuerung installiert sowie IT und OT standardisiert und integriert werden.

Doch vor diesem Berg an Aufgaben sollten Unternehmen nicht zurückschrecken. Denn die gute Nachricht der MHP-Experten lautet: Schon auf dem Weg zum großen Ziel werden Verbesserungen erreicht. Auch wenn man nur einen der Building Blocks umsetzt, ergeben sich Effizienzsteigerungen. "Kombiniert man sie, potenzieren sich die Vorteile. Dieser modulare Ansatz ermöglicht es Unternehmen, unmittelbar Optimierungspotenziale zu heben, während sie sich schrittweise einer langfristig flexiblen und effizienten Produktionsumgebung annähern."