Die hochwertigen Armbänder für Uhren, die der Kärntner Familienbetrieb Hirsch  fertigt, bekommen Zwillinge, digitale Zwillinge. Genauer gesagt: Der Produktionsprozess der Armbänder bekommt ein virtuelles Abbild. Die Herstellung der Armbänder ist bei Hirsch zum größten Teil Handarbeit, und das soll auch so bleiben. Trotzdem wagt das Unternehmen einen großen Automatisierungsschritt.

"Das Ziel ist, dass wir Wartezeiten minimieren und auf Störfälle optimal und möglichst schnell reagieren können."

Matthäus Hirsch, Hirsch AG

Der Produktionsprozess wird mit Sensoren, etwa RFID-Chips an den Materialien und Maschinen, ausgestattet und soll so kontinuierlich vermessen und überwacht werden. Die Chips werden laufend Daten sammeln, etwa darüber, welche Werkstücke sich gerade wo befinden, welche Arbeitsschritte ein Armband schon durchlaufen hat, welche Maschinen im Einsatz sind und wo es Probleme gibt. Die Daten, die dabei entstehen, sollen dann in ein digitales Modell übertragen werden – so entsteht allmählich ein digitaler Zwilling. Mit Hilfe dieses Datenzwillings wird dann eine Künstliche Intelligenz (KI) trainiert werden, die den Produktionsprozess je nach den gegebenen aktuellen Anforderungen  optimiert. Die KI wird zum Beispiel Vorschläge machen, welche Arbeitsschritte wann erfolgen sollten, damit die Produktion möglichst schnell, effizient und ressourcenschonend abläuft. Die KI wird Störfälle antizipieren und die Produktion so weit flexibilisieren, dass zum Beispiel unvorhergesehene Bestellungen vorgereiht werden können. Das System wird dann in der Lage sein sofort, in Echtzeit, die Planung zu ändern.

Die Fertigung der hochwertigen Armbänder für Uhren ist bei der Hirsch AG Handarbeit und soll durch auch weiterhin Handarbeit bleiben. Ab 2023 wird ein digitaler Zwilling die Produktionsabläufe optimieren. - © Hirsch AG
Die Fertigung der hochwertigen Armbänder für Uhren ist bei der Hirsch AG Handarbeit und soll durch auch weiterhin Handarbeit bleiben. Ab 2023 wird ein digitaler Zwilling die Produktionsabläufe optimieren. - © Hirsch AG

Spiegelwelten  und digitale Zwillinge, digitale Verdopplungen der materiellen Welt, werden bereits seit 1970er Jahren in industriellen Produktionsprozessen und in der Forschung eingesetzt. Ausgefeilte Sensortechnik, schnellere Netze, leistungsstarke Computernetzwerke und Fortschritte im Bereich KI ermöglichen es heute, kontinuierlich die entsprechenden Daten zu generieren, die digitale Zwillinge zum Optimierungsinstrument schlechthin machen. Alles lässt sich mit Daten und künstlicher Intelligenz optimieren: die Spracherkennung im Smartphone ebenso wie ganze Stromnetze.

Heute ist es möglich, die Daten noch während sie entstehen, zu analysieren und wieder in die Prozesse zurückzuspielen, die sie verbessern sollen.

Für die produzierende Industrie bergen digitale Zwillinge und digitale Schatten – so werden die Echtzeit-Kopien genannt – enorme Chancen: hocheffiziente Auslastung der Maschinen, weniger Ausfälle, eine agile Produktion Just in Time und ressourcenschonend, individualisierte Fertigung bis zur Losgröße Null usw. usf – die Liste der Versprechen des Industrial Internet of Things (IIoT), zu dem digitale Zwillinge und Schatten gehören, ist lang. Vor allem aber soll das IIoT Kosten reduzieren.

Unternehmer rechnen damit, dass die Implementierung von KI insbesondere in den Bereichen Lieferkettenmanagement und Fertigung die Kosten um über 25 Prozent senken kann.

Das ist zumindest das Ergebnis einer Umfrage des Beratungsunternehmens McKinsey. Die Versprechungen der Datenwirtschaft sind also verlockend. Immer mehr kleine und mittlere Unternehmen steigen jetzt in diese datenbasierte Automatisierungswelle ein.

Kritischer Faktor Zeit

Matthäus Hirsch will das traditionelle Handwerk durch Künstliche Intelligenz ergänzen. Die Hirsch AG ist ein Familienbetrieb und bekannt für hochwertige Uhrenarmbänder. - © Hirsch AG
Matthäus Hirsch will das traditionelle Handwerk durch Künstliche Intelligenz ergänzen. Die Hirsch AG ist ein Familienbetrieb und bekannt für hochwertige Uhrenarmbänder. - © Hirsch AG

Die schöne neue Welt der Daten ist beim Familienbetrieb Hirsch derzeit noch in der Entwicklungsphase. "Unsere Kunden sind sehr verschieden und haben unterschiedliche Produkte, die unterschiedliche Arbeitsschritte benötigen, und jeder Auftrag hat andere Losgrößen", erläutert Matthäus Hirsch, Leiter der Technik und Supply Chain. Hirsch, 1765 gegründet, hat sich für die digitale Transformation Unterstützung geholt und sich an der Stiftungsprofessur Industrie 4.0 Adaptive und Vernetzte Produktionssysteme der Alpen Adria Universität Klagenfurt  beteiligt. "Das Ziel ist, dass wir Wartezeiten minimieren und auf Störfälle optimal und möglichst schnell reagieren können."

Ein internes Team bei Hirsch, das sich aus Mitarbeitern aus den Bereichen Produktionssteuerung und Produktion sowie aus Personen, die bei Hirsch für die Umsetzung von Digitalisierungsprojekten zuständig sind, zusammensetzt, arbeitet gemeinsam mit den Forschern der Universität Klagenfurt an der Realisierung des digitalen Zwillings. Zeit ist bei dem Traditionsbetrieb zu einem wichtigen Faktor geworden: "Unsere Industrie wird immer flexibler. So waren auch wir gefordert, unser Unternehmen so auszurichten, dass das Produkt schneller beim Kunden ist." Hirsch erwartet, dass die Umsetzung des digitalen Zwillings bis 2023 oder sogar früher gelingt.

"Man könnte aus Bequemlichkeit alle Entscheidungen an die Technologie abgeben, aber dann fehlt die Erfahrung der Mitarbeiter."

Martin Gebser, Universität Klagenfurt

Der aus Berlin stammende Martin Gebser hat seit 2018 den Lehrstuhl für Industrie 4.0 inne. Es ist eine gemeinsame Stiftungsprofessur der Universität Klagenfurt und der Technischen Universität Graz, die in Klagenfurt am Institut für Angewandte Informatik angesiedelt ist. Einige kleine und große Unternehmen, darunter die Hirsch AG, aber auch Technologieunternehmen wie Infineon, beteiligen sich und bringen mit wissenschaftlicher Hilfe das Industrial Internet of Things zum Leben.

Maschinen können das Handauflegen nicht ersetzen, nur verbessern

Die KI-basierte Produktionssteuerung könnte man als Fortsetzung und Vertiefung früherer Automatisierungsprozesse sehen, doch der Informatiker Martin Gebser betont, dass der Prozess bei Hirsch nicht vollautomatisiert ablaufen kann und auch nicht darauf abzielt, Menschen durch Maschinen zu ersetzen. Die Technologie böte vielmehr die Grundlage, mit Komplexität umzugehen und informierte Entscheidungen zu treffen: "Digitale Zwillinge und Künstliche Intelligenz können nur eine Unterstützung bieten. Natürlich könnte man aus Bequemlichkeit alle Entscheidungen an die Technologie abgeben, aber dann fehlt die Erfahrung der Mitarbeiter", so Gebser.

Jochen Borenich ist Chief Operating Officer von Kapsch BusinessCom. Die Technologien des Industrial Internet of Things sind auch für mitelständische Unternehmen erschwinglich geworden, meint er. - © citronenrot OG Gerlinde Gorla
Jochen Borenich ist Chief Operating Officer von Kapsch BusinessCom. Die Technologien des Industrial Internet of Things sind auch für mitelständische Unternehmen erschwinglich geworden, meint er. - © citronenrot OG Gerlinde Gorla

Weit davon entfernt, Menschen überflüssig zu machen, ist die Erfahrung der Mitarbeiter sogar essenziell, damit das IIoT überhaupt funktioniert, denn Algorithmen machen Fehler. "Perfekt ist nichts, auch keine Maschine. Der Algorithmus wird auch nicht immer richtig liegen." Um fehlerhafte Vorschläge der KI und die mögliche Frustration bei den Mitarbeitern in Grenzen zu halten, sei es notwendig, die Systeme so transparent wie möglich zu gestalten, meint Gebser. "Es ist ganz wichtig zu wissen, wie eine Empfehlung zustande gekommen ist", sagt er. Letztlich seien die Vorgänge der agilen Produktion ein "ewiger Kreislauf zwischen dem Generieren von Vorschlägen und einer Anpassung durch den Menschen".

Dass das IIoT nicht bedeutet, dass der Mensch aus der Produktion verschwindet, betont auch Jochen Borenich. Er ist Chief Operating Officer des IT-Systementwicklers und IT-Dienstleisters Kapsch BusinessCom.

Kapsch BusinessCom entwickelt unter anderem Plattformen, die Big Data-Anwendungen in Industriebetrieben ermöglichen. Borenich weiß, dass gute Werksmeister auf ihr Bauchgefühl und implizites Wissen vertrauen und in der Praxis "oft mit Handauflegen und Ohrenanhalten" herausfinden, wo es bei einer Anlage hakt. Borenich sieht die Sensoren, die Schall-, Temperatur- oder Druckdaten liefern, als Ergänzung und Erweiterung des menschlichen Erfahrungswissens. Sensoren nehmen zum Beispiel anders als der Menschen auch jene allerkleinsten Veränderungen wahr, die auf eine baldige Abnutzung eines Maschinenteils hinweisen. So wird es möglich, im Sinne der vorausschauenden Wartung (Predictive Maintenance) ein Teil auszutauschen oder zu reparieren, bevor es zu einem Stillstand der Maschine kommt.

"Auch Mittelständler sind plötzlich fähig einen digitalen Zwilling zu machen. Das war früher Großunternehmen vorbehalten."

Jochen Borenich, Kapsch BusinessCom

Seit rund drei Jahren ist der Einsatz von IIoT-Anwendungen laut Jochen Borenich auch für mittelständische Betriebe leistbar geworden, weil viele der Instrumente von der Sensorik über die Netzwerke bis hin zu den Plattformen nun als Standardkomponenten am Markt verfügbar seien.

Das Industrial Internet of Things wird leistbar

Jochen Borenich verweist auf zwei Mittelständler, die sich digitale Zwillinge zugelegt haben: Das steirische Unternehmen BHDT, das Komponenten für Hochdrucktechnik herstellt, hat im Retrofitting ältere Anlagen mit Sensoren ausgestattet und die gewonnenen Daten in ein digitales Setting befördert: "Sie haben mit dem digitalen Zwilling ihre Produktionsplanung verbessert, Schwachstellen analysiert, die Basis für eine höhere Auslastung geschaffen und dafür gesorgt, dass Abnutzungen frühzeitig erkannt werden", berichtet Borenich. Die Firma Fröling  aus Oberösterreich, ein Anbieter von Heizsystemen, hat ihren Heizkesseln digitale Zwillinge verpasst. Vermittelt durch diese lassen sich die Heizkessel jetzt per App steuern. Borenich: "Daran sieht man, dass auch Mittelständler plötzlich fähig sind, einen digitalen Zwilling zu machen. Das war früher Großunternehmen vorbehalten."

Auch Wolfgang Leindecker, Vorstandssprecher der TTTech Industrial Automation AG, die Industriebetriebe bei der Einführung von digitalen Zwillingen mit einer Software-Infrastruktur unterstützt, betont den Nutzen für den Mittelstand. TTTech Industrial arbeitet im Zusammenhang mit IIoT derzeit vor allem für Maschinenbauer und sorgt dafür, dass deren Anlagen in Echtzeit miteinander kommunizieren und aus der Ferne gesteuert und aktualisiert werden können.

Fertigung einer Karosserie des VW Passat in Emden, Deutschland. Die Autobauer haben in den letzten Jahren kräftig in die vernetzte Produktion investiert und werden auch von den Zulieferern erwarten, dass diese etwa über digitale Zwillinge ihrer Prozesse und Produkte verfügen. - © APAweb / dpa, Jörg Sarbach
Fertigung einer Karosserie des VW Passat in Emden, Deutschland. Die Autobauer haben in den letzten Jahren kräftig in die vernetzte Produktion investiert und werden auch von den Zulieferern erwarten, dass diese etwa über digitale Zwillinge ihrer Prozesse und Produkte verfügen. - © APAweb / dpa, Jörg Sarbach

TTTech Industrial setzt auf den offenen Interoperabilitäts-Standard OPC-UA over TSN und gehört mit B&R Automation zu den beiden Gründungsunternehmen der sogenannten Shapers-Initiative, die sich seit 2016 für einen einheitlichen Standard für die Übertragung und semantische Beschreibung der Daten einsetzt. Das herstellerübergreifende Kommunikationsprotokoll OPC-UA over TSN verringert den Aufwand für die Schaffung von Schnittstellen und ermöglicht Kommunikation aller Anwendungen über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg. TTTech hat erhoben, dass inzwischen 90 Prozent der Automatisierungs-Anbieter auf dem Weltmarkt bei OPC-UA over TSN dabei sind. Zu der Gruppe der Shapers gehören etwa auch ABB, Bosch Rexroth, Cisco  , Rockwell Automation, Schneider Electric und Siemens .

Leindecker glaubt, dass jetzt immer mehr Industriebetriebe in IIoT und digitale Zwillinge investieren werden. Besonders die Erfahrungen aus der Corona-Krise würden viele zum Handeln antreiben: "Die Produktionsstopps, die jetzt schon zwei Monate dauern, bringen ein Umdenken mit sich." Viele Systeme seien nicht flexibel genug, um etwa Anlagen rasch auf ein anderes Produkt umzurüsten. Das lässt sich durch digitale Zwillinge bzw. Schatten und das IIoT verbessern, indem sie neue Fertigungsprozesse entwerfen, Maschinen aus der Ferne aktualisieren und mit neuen Programmen ausstatten.

"Bisher sind Firmen Experten für das, was sie herstellen oder anbieten. Jetzt müssen sie auch Experten für ihre Daten werden."

Sabine Lindstaedt, Know-Center

Die Krux: einheitliche Daten

So viel versprechend das alles auch klingen mag: Die Krux liegt im Detail. Stefanie Lindstaedt, CEO des Know-Centers, einem Forschungszentrum für Data-Driven Business und Artificial Intelligence an der TU Graz, betont, dass eine qualitativ hochwertige Datenbasis entscheidend ist, damit ein digitaler Zwilling funktioniert – und daran hakt es oft.

Daten würden oftmals in unterschiedlichen Messgrößen erhoben, berichtet Lindstaedt. So misst eine Maschine die Temperatur in Celsius, eine andere misst sie in Fahrenheit – ohne Vereinheitlichung der Messgrößen könne der beste Algorithmus aber nichts aus diesen Daten machen, meint die Expertin. Deshalb sei der erste Schritt auf dem Weg zum IIoT die Datenanalyse: "Bisher sind Firmen Experten für das, was sie herstellen oder anbieten. Jetzt müssen sie auch Experten für ihre Daten werden." Dieser Schritt entscheidet darüber, ob das volle Potenzial der Daten ausgeschöpft werden kann und sie vielleicht sogar verkauft werden können.

Digitale Zwillinge und die digitale Vernetzung über die Grenzen des eigenen Betriebs hinweg, werden in Zukunft immer wichtiger, ist Lindstaedt überzeugt. So würden große Unternehmen vermehrt von ihren Zulieferern erwarten, dass sie mit digitalen Zwillingen arbeiten, um die Produktion besser steuern zu können.

Firmen sollten zu Experten für ihre Daten werden: Stefanie Lindstaedt, Leitern des Know-Centers der TU Graz, sieht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für digitale Zwillinge und Big Data. Auch für KMU. - © Know-Center
Firmen sollten zu Experten für ihre Daten werden: Stefanie Lindstaedt, Leitern des Know-Centers der TU Graz, sieht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für digitale Zwillinge und Big Data. Auch für KMU. - © Know-Center

Für Maschinenbauer ergeben sich neue Aufgaben, wenn die Käufer von Maschinen künftig auch gleich den digitalen Zwilling dieser Maschine haben wollen. Digitale Zwillinge zu bauen, kann sich speziell für Maschinenbauer aber ohnedies lohnen, etwa im Marketing und im Verkauf: "Wenn ich einen digitalen Zwilling habe, kann ich die Maschine auch in Augmented oder Virtual Reality (VR) darstellen", sagt Lindstaedt. Die digitale Verdopplung habe den Vorteil, Maschinen für den Käufer erfahrbar zu machen und ihm etwa über eine VR-Brille zu zeigen, wie die Maschine funktioniert.

Eine andere Frage, die sich Maschinenbauer im Zuge des IIoT stellen müssen, ist die nach neuen Geschäftsmodellen. Wenn der Verschleiß auf die Sekunde genau bestimmt werden kann, kann es für industrielle Anwender unter Umständen lohnender sein, Maschinen zu leasen oder zu mieten.

Mit den neuen Möglichkeiten wachsen auch die potenziellen Gefahren – zuallererst im Bereich der IT- und Datensicherheit. Sind Prozesse, Produkte und Maschinen vernetzt, multiplizieren sich die Angriffsflächen für Hacker. Daten können gestohlen und Maschinen zum Absturz gebracht werden. Risiken, die vom Start weg mitgedacht werden müssen, wie Lindstaedt betont: "Die Security-Sicht muss von Anfang an mit eingeplant werden und darf nicht erst am Ende draufgeklebt werden."

Data Scientists nicht immer notwendig

Was ist in einem mittelständischen Betrieb an Umstellungen nötig, um einen digitalen Zwilling zu implementieren? Martin Gebser von der Uni Klagenfurt verweist darauf, dass ein großes Unternehmen meist eigene IT-Abteilungen hat und somit für diese Unternehmen auch das hoch qualifizierte Personal verfügbar ist, das nach entsprechender Einarbeitung einen digitalen Zwilling weitgehend in Eigenregie betreiben und warten kann. Bei nicht direkt im IT-Bereich angesiedelten KMU könnten nationale und regionale Kompetenzcluster einen niedrigschwelligen Beitrag bei der Einführung digitaler Zwillinge und Innovationen im Allgemeinen leisten, meint Gebser.

In diesen Clustern geht es vor allem um Wissenstransfer und den Aufbau von Kooperationen. Gebser verweist etwa auf die österreichweite Plattform Industrie 4.0, die Fraunhofer Austria Research GmbH  oder den auf Kärnten ausgerichteten  Digital Innovation Hub Süd. Eigene Experten für IT-Systeme, Data Science und KI hält Gebser für die meisten KMU nicht für praktikabel und zielführend: "Vielmehr werden umfassende Vernetzung, Kooperationen und die gegenseitige Vermittlung von Kompetenzen eine herausragende Rolle dabei spielen, dass Digitalisierungsprojekte angegangen und erfolgreich gemeistert werden."

Das glaubt auch Jochen Borenich von Kapsch BusinessCom: Sobald der digitale Zwilling sauber implementiert ist und es um das Management und die Auswertung der Daten gehe, sei ein Prozesswissender, also ein Domain-Experte mit Mathematik- und IT-Verständnis ausreichend. Wenn die gesamte Produktionsbelegschaft, also zum Beispiel Maschinenbetreuer, die Instandhaltung und die Wartung, mit dem digitalen Zwilling arbeiten soll, muss sie allerdings entsprechende Anwenderschulungen erhalten. Im Mittelstand mache es erst dann Sinn, Data Scientists zu etablieren, wenn die Daten für tiefergehende komplexe Analysen herangezogen werden sollen und die Optimierungen auch fachbereichsübergreifend angewandt werden, so Borenich.

Im Reinraum von Chiphersteller Infineon in Villach, Kärnten. Sensortechnologie ist eine Schlüsseltechnologie des Industrial Internet of Things. Betriebe, die Newcomer in der Welt datengestützten Produktion sind, können an der Universität Klagenfurt mit dem Chiphersteller gemeinam an Projekten arbeiten. - © APAweb / Gert Eggenberger
Im Reinraum von Chiphersteller Infineon in Villach, Kärnten. Sensortechnologie ist eine Schlüsseltechnologie des Industrial Internet of Things. Betriebe, die Newcomer in der Welt datengestützten Produktion sind, können an der Universität Klagenfurt mit dem Chiphersteller gemeinam an Projekten arbeiten. - © APAweb / Gert Eggenberger

Stefanie Lindstaedt vom Know-Center hat die Erfahrung gemacht, dass es in den meisten Unternehmen bereits Mitarbeiter mit einer Affinität für Datennutzung und -auswertung gibt, die auch schon erste Projekte ausprobiert haben. Allerdings kommunizieren sie ihre Expertise nicht immer ans Management. Es gelte also, genau diese Mitarbeiter in der eigenen Firma zu suchen.

Jochen Borenich ist überzeugt, dass digitale Zwillinge und das IIoT die Wettbewerbsfähigkeit von Mittelständlern steigern können. Mit einer Investition von 50.000 Euro ließe sich bereits ein Pilotprojekt installieren, mit dem sich sehr gut beurteilen lasse, ob sich die flächendeckende Einführung auszahlt, meint er. Für die Installation eines digitalen Zwillings einer Produktionsanlage müssen Betriebe von einem Aufwand von zehn bis 50 Personentagen ausgehen.

"Die Produktionsstopps, die jetzt schon zwei Monate dauern, bringen ein Umdenken mit sich."

Wolfgang Leindecker, TTTech Industrial Automation AG

Wieviel Arbeit investiert werden muss, hängt stark vom konkreten Detaillierungsgrad und Anwendungsfall ab. Investitionen würden sich aber schon innerhalb von ein bis zwei Jahren rechnen.

Das scheint sich noch nicht ausreichend herumgesprochen zu haben. Auch Borenich sieht sehr viel Potenzial zur Steigerung der betrieblichen Effizienz bei den KMU, das derzeit brach liegt. Der COO von Kapsch BusinessCom erwartet, dass die Corona-Krise zu einer Beschleunigung bei der Implementierung von IIoT-Projekten führt. Viele Unternehmen würden jetzt erkennen, dass sie ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern müssen.

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Ein Beitrag zum Schwerpunktthema "Data Governance" aus der "Digitalen Republik", ein Verlagsprodukt aus der Content Production der "Wiener Zeitung".