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Die Smart Factory ist eine sich selbst organisierende, automatisierte Produktion.
Bisher wurden Maschinen eher als hochentwickelt denn als intelligent konzipiert. Jedes kleine Detail und jeder Prozess wurde von Menschen geplant und umgesetzt. Die Automatisierung entwickelte sich von mechanischen Getrieben über elektronische Ablaufprogramme mit einfachen, aber verzweigten Wenn-Dann-Beziehungen bis hin zu dynamischen Regelstrategien, z. B. einem PID- oder Zustandsregler, der Unebenheiten oder Störgrößen elektronisch ausgleicht. "Smart" bezieht sich auf jede andere Form solcher Mechanismen, die ebenfalls Intelligenz in die Fabrik bringen. Hier geht es jedoch nicht um fertigungsspezifische Technologien.
Bisher waren es die Menschen, die Intelligenz und Organisation in die Fertigung brachten, während der größte Teil der Wertschöpfung bereits von Maschinen übernommen wurde. In einer "Smart Factory" wird nun auch der wesentliche Unterstützungsprozess automatisiert. Dies wird dadurch erreicht, dass nicht nur die Produkte, die in einer Produktionsstätte entstehen, sondern auch alle damit verbundenen Informationen automatisiert über Software verarbeitet werden. Das Ergebnis der Verarbeitung wirkt sich wiederum direkt auf die Produktion und Entwicklung von Produkten aus.
Ein Produktionsunternehmen ist nicht unbedingt erfolgreicher, nur weil die Fabrik intelligent ist. Es ist die Anpassungsfähigkeit an schwankende Materialqualität, die Verhinderung von zuvor unvorhersehbaren Ereignissen und die Möglichkeit zu schnellen Produktänderungen entsprechend der sich ändernden Marktsituation, die erhöht wird. Diese Anpassungsfähigkeit sichert den Erfolg, aber nicht die Intelligenz per se. Der Begriff "smart" beschreibt in diesem Zusammenhang eine erfolgreich angewandte Intelligenz.
Künstliche Intelligenz (KI) ist der naheliegende Weg, um Fabriken intelligent zu machen. Sie ist die mathematische Nachahmung der kognitiven Informationsverarbeitung und kann alle informationsverarbeitenden Tätigkeiten ersetzen, die der Mensch bisher durchgeführt hat. Sie kann aber auch für Probleme eingesetzt werden, die von Menschen nicht ohne erheblichen Aufwand kognitiv bewältigt werden können. So wie Maschinen durch Dimensionierung bereits beliebig große Umformkräfte aufbringen können, kann eine KI durch Rechenleistung jede Menge komplexer Informationen in Sekundenschnelle verarbeiten. KI kann auch zur automatisierten Optimierung im Sinne des Ausgleichs von Störgrößen oder der erweiterten Diagnose für nicht alltagskonforme Probleme mit bisherigen regelbasierten Warn- und Störungsmeldungen eingesetzt werden. Für den Einsatz von künstlicher Intelligenz müssen die Informationen jedoch zunächst digitalisiert und vernetzt werden. Die Digitalisierung und Vernetzung von Informationen sind daher wesentliche Unterscheidungsmerkmale zwischen einer Smart Factory und einer bisherigen Fabrik.
Während Automatisierungssysteme noch eine minimale Codebasis im Sinne von Blockschaltbildern haben, entsteht beispielsweise mit der Einführung des fahrerlosen Güterverkehrs mit automatischer Routenfindung ein informationstechnisches System, dessen Komplexität in der Entwicklung derjenigen der Mechanik und Elektrik einer Maschine entspricht. Bei einer solchen Bilanz des Entwicklungsaufwands und bei gegenseitiger Gestaltungsbeeinflussung von Software und Hardware spricht man von einem cyber-physischen System (CPS). Eine intelligente Fabrik kann daher auch in ihrer Gesamtheit als CPS betrachtet werden, obwohl einzelne Maschinen wie Roboter, Fahrzeuge und Flugzeuge typischerweise als CPS angesehen werden.
Eine intelligente Fabrik bezieht sich ausschließlich auf die Fabrik, d. h. auf einen Ort, an dem Rohstoffe und Halbfertigprodukte in Produkte umgewandelt werden. Die Industrie hingegen ist ein größeres Thema. Die "4.0" bezieht sich im Allgemeinen auf die Implementierung von Software in einer bisher sehr materiell orientierten Industrie. Gemeint ist dasselbe wie bei CPS. Der Anteil der Software, gemessen am Gesamtaufwand, steigt auf ein vergleichbares Niveau und die IT wird damit zwangsläufig zu einer Kernkompetenz. Anders als bei CPS wird hier aber explizit nicht von einer hochintegrierten, symbiotischen Kombination von Hard- und Software ausgegangen, sondern eher von einem Add-on, mit dem Fabriken aufgerüstet werden können, um neue Features zu implementieren und Fehler zu beseitigen, wie es bei Software-Updates üblich ist. Der Software-Aspekt bezieht sich im Wesentlichen auf die Komponente der Vernetzung im Dreiklang mit der Digitalisierung von Informationen und deren Verarbeitung, so dass es oft eher um Themen der Standardisierung von Datenmodellen und Kommunikationsprotokollen sowie den Aufbau von Netzwerkarchitekturen bis hin zur Cloud geht.
Während es bei Industrie 4.0 noch um die Vernetzung im Allgemeinen und übergreifend geht, beschreibt das Industrial Internet of Things (IIOT) die direkte Vernetzung von Maschinen über das Internet, also als Anteil alle direkten Teilnehmer des Internets, die keine in Rechenzentren laufende Software oder von Menschen aktiv genutzte Geräte darstellen. Während das Thema Fertigung traditionell innerhalb einer Fabrikwand gedacht wird, zielt IIOT darauf ab, die gesamte Wertschöpfungskette zu betrachten, die über mehrere Fabriken und Unternehmen verteilt sein kann.
Ein ERP-System (Enterprise Resource Planning), das häufig durch Produkte von SAP repräsentiert wird, automatisiert die Geschäftsprozesse, d.h. alle Aspekte der Fertigungsprozesse in einer Fabrik. Eine Smart Factory kann auf eine Anbindung und Durchgängigkeit zu diesen Systemen nicht verzichten, ohne dass diese hier zentrale Funktionen einer Smart Factory übernehmen müssen. Das ERP ist sowohl Informationslieferant als auch Adressat, zum Beispiel für die automatisierte Erstellung von Wartungsplänen und Tickets.
Ein MES (Manufacturing Execution System) sorgt für eine automatisierte Auftragssteuerung und Maschinenauslastung. Die Logistikprozesse werden mit den Fertigungsprozessen einer Fabrik verschmolzen und die Prozesssteuerung wird zentralisiert. Eine intelligente Fabrik kommt nicht ohne Intelligenz für die Logistik aus, für die ein MES eine Plattform bietet. Neben der Steuerung wird ein MES zum Teil auch zur Aggregation von Daten aus den Werken genutzt.
Die SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) führt eine regelbasierte Automatisierung durch. Aktoren werden auf der Grundlage von Sensoreingängen gesteuert. Viele, wenn auch bei weitem nicht alle, Informationen aus der direkten Fertigung sind hier bereits verfügbar. Im Gegensatz zu ERP und MES handelt es sich nicht um einen Unterstützungsprozess, sondern um eine direkte Wertschöpfung. Allerdings ist die SPS nicht der einzige Informationslieferant. Daten zur Produktqualität liegen in der Regel nicht in den Automatisierungsdaten vor und müssen zusätzlich inline erfasst oder aus Labordaten automatisch eingetragen werden.
Eine Smart Factory erfordert in der Regel eine rigorose Planung und setzt umfangreiches IT-Know-how voraus. Das modulare System PANDA|DRIFT stellt eine Plattform für den Einsatz von Künstlicher Intelligenz direkt in der Fabrik dar, mit der sich jeder einzelne Fertigungsschritt optimieren lässt. Neben den Komponenten der Digitalisierung von Sensordaten und Algorithmen der Künstlichen Intelligenz basiert es auf den Prinzipien und Standards von Industrie 4.0 und kommuniziert auf diese Weise nahtlos mit anderen Komponenten einer Smart Factory wie ERP, SPS und MES, die keine Plattformen für den Betrieb von KI in Echtzeit bieten.
