NTT DATA: PLM als Enabler für Industrie 4.0

PLM als Enabler für Industrie 4.0

Ein NTT DATA Whitepaper

Stand: Mai 2015
Copyright © 2015 NTT DATA EMEA Ltd.

Inhalt

  • Vorwort
  • Einleitung
  • Definitionen
  • Handlungsfelder: PLM und Industrie 4.0
  • 01 : Digital Models
  • 02 : Smart Products
  • 03 : Smart Factories
  • 04 : Smart Service
  • Schlussfolgerungen und Empfehlungen
  • NTT DATA Framework für PLM Strategie
  • NTT DATA Technology Foresight
  • Weiterführende Informationen

Vorwort

Wir freuen uns, Ihnen in diesem Whitepaper die NTT DATA Vision für das Product Lifecycle Management (PLM) in Zeiten von Industrie 4.0 und dem „Internet der Dinge“ (IoT) vorstellen zu können. Eine klare Vision ist Grundlage für eine effektive PLM-Strategie.

Für Unternehmen der Fertigungsindustrie ist PLM in den letzten 25 Jahren von einem administrativen System zur Verwaltung von Produktdaten zu einem übergreifenden Managementkonzept und einem Eckpfeiler der Unternehmens-IT geworden. Eine umfassende PLM- Vision deckt das Management der Produktdaten über den gesamten Produktlebenszyklus im Unternehmen und bei Partnern ab.

Zur Umsetzung von Industrie 4.0 muss die etablierte PLM-Vision in Teilen erweitert und vorhandene Konzepte neu priorisiert werden.

Wir sind überzeugt davon, dass Ihnen dieses Whitepaper wertvolle Impulse zur Weiterentwicklung Ihrer PLM-Vision und –Strategie gibt.

Kai Staffeldt
Vice President
Head of Discrete Manufacturing

Frank Schmidt
Competence Center Manager
Innovation & Product Lifecycle Management

Jens Krüger
Competence Unit Manager
PLM Plattformen, Strategie & Architektur

Einleitung

Führende Unternehmen der Fertigungsindustrie haben in den letzten Jahren ihre PLM-Methoden und - Systeme ausgebaut, um eine höhere Abdeckung des Produktlebenszyklus und eine stärkere Integration der Prozesse entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu realisieren.

In Zeiten von Industrie 4.0 und dem „Internet der Dinge“ gibt es neue Herausforderungen:

  • die Entwicklung von „Smart Products“
  • die Planung von „Smart Factories“
  • die Integration und digitale Vernetzung von Prozessen
  • das Design neuer Geschäftsmodelle, insbesondere neuer Serviceangebote

Globale Fertigungsunternehmen müssen sich lokalen Marktanforderungen stellen und differenzierende Angebote entwickeln. Gartner hat die dabei wirkenden Technologietrends im „Hype Cycle für die Fertigungsindustrie und PLM 2014“ wie folgt zusammengefasst:

  1. Digitalisierung und das Zusammenwachsen von physikalischer und digitaler Welt
  2. Software-unterstützte Produkte und Systeme wie zum Beispiel das Internet der Dinge (IoT) und Maschinen-zu-Maschinen Kommunikation (M2M) Interagierende Effekte aus Social, Cloud, Mobile und Big Data / Analytics
  3. 3D Printing

Diese Trends wirken auf die Produktentwicklung genauso wie auf die Produktion. Mit Industrie 4.0 fokussiert die deutsche Bundesregierung auf Ableitungen für die Zukunft der Produktion. Diese soll gekennzeichnet sein durch individualisierte Produkte, eine flexible Produktion, die Integration von Geschäftspartnern und (End-)Kunden in die Unternehmensprozesse sowie die Kopplung von Produkten und Produktion mit Dienstleistungen. Wie kann PLM unter Nutzung der zuvor genannten Trends Beiträge zu Industrie 4.0 inklusive IoT liefern? Und was muss sich in der Produktentwicklung ändern, um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen?

Dazu liefert dieses Whitepaper Antworten und Denkanstöße.

  1. Was ist PLM?
  2. Was ist Industrie 4.0?

Definitionen

Product Lifecycle Management als Management-Konzept

Product Lifecycle ConceptProduct Lifecycle Management ist ein Management- Konzept für integrierte Prozesse über den Produktlebenszyklus, das durch IT-Systeme unterstützt wird. Eine Kernfunktion ist das Prozessmanagement

  • wie z.B. Änderungen, Freigaben
  • unter Integration der beteiligten Funktionen und Systeme

Eine andere Kernfunktion ist das Management der Produktdaten

  • wie z.B. CAD-Modelle, Stücklisten, Software, Anforderungen
  • über den gesamten Produktlebenszyklus
  • über Abteilungen, Standorte und Partnerunternehmen

Von Zeichnungsverwaltung zu PLM

Eine NTT DATA-Bestandsaufnahme

PLM hat sich in den letzten 25 Jahren von einem ein- fachen Zeichnungsverwaltungssystem zu einem Eckpfeiler der Unternehmens-IT – neben ERP, CRM und SCM – entwickelt. Anfangs lag der Fokus noch auf der Abbildung der komplexen Produktdatenstrukturen und der Integration von CAD-Systemen für die mechanische Konstruktion. Mit Funktionen für die standort- übergreifende Zusammenarbeit und den Datenaustausch konnten weltweit verteilte Entwicklungsprozesse (Global Collaborative Engineering) unterstützt werden.

Treiber für diese Entwicklung sind einerseits die wachsenden Anforderungen der Kunden wie zum Beispiel das Systems Engineering zur Entwicklung und Absicherung mechatronischer Produkte oder das Digital Manufacturing zur integrierten Planung und Entwicklung von Produktionsprozessen, Werkzeugen und Logistikprozessen. Andererseits wächst aber auch das PLM-Verständnis, so dass auch die frühen Phasen des Produktlebenszyklus – im Sinne von Innovationsmanagement sowie Ziele- und Anforderungsmanagement – als auch die späten Phasen wie Service und Recycling abgedeckt werden. Durch After-Sales-PLM können zum Beispiel aktuelle Produktdaten für den Kundendienst und die technische Dokumentation bereitgestellt werden, aber auch neue Serviceangebote realisiert werden.

Anbieter von PLM-Software stellen sich für diese Entwicklung durch Erweiterung ihres Produktangebotes auf. So ist der PLM-Markt in den letzten Jahren durch Merger & Acquisitions gekennzeichnet. Schwerpunkte waren dabei Lösungen zum Systems Engineering (Requirements Management, Application Lifecycle Management, System-Modellierung und -Simulation), zum Digital Manufacturing inklusive Manufacturing Execution und zum Service Lifecyle Management (Technische Dokumentation, Ersatzteil-Management, Wartungsplanung). In jüngster Zeit sind außerdem verstärkte Investitionen in Lösungen für das „Internet der Dinge“ zu beobachten, zum Beispiel zur Entwicklung von Embedded Software, Apps und Backend-Systemen.

Industrie 4.0 als Business Scenario

Industrie 4.0 als Business-Szenario

Industrie 4.0: Evolution oder Revolution?

Eine NTT DATA-Bestandsaufnahme

Der Lenkungskreis der durch die deutsche Bundesregierung initiierten Plattform Industrie 4.0 hat 2013 eine begriffliche Darstellung und Vision von „Industrie 4.0“ abgestimmt:

„Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend individualisierten Kundenwünschen und erstreckt sich von der Idee, dem Auftrag über die Entwicklung und Fertigung, die Auslieferung eines Produkts an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen. Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten. Durch die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen entstehen dynamische, echtzeitoptimierte und selbst organisierende, unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie bspw. Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.“

Aus unserer Sicht ist Industrie 4.0 keine Revolution. „Die Produktionstechnik und damit auch die Prozesse ändern sich nicht radikal, der Wandel wird sich evolutionär vollziehen. Ebenso wenig lässt sich vorhersagen, wann sich Industrie 4.0 durchsetzt, denn bis heute gibt es kein Komplettszenario. Zurzeit fokussieren die meisten Projekte auf einzelne Facetten.“ (Dr. Andreas Pauls, Geschäftsführung itelligence Deutschland, NTT DATA Gruppe). Wo Industrie 4.0 die Technologietrends IoT, Mobile, Cloud und Big Data für die Produktion umsetzt, nutzen Smart Products die gleichen Technologien in den Endprodukten. In der Kombination sind durchgängige Prozesse vom Hersteller bis zum Endkunden mit neuen Geschäftsmodellen möglich.

Handlungsfelder: PLM und Industrie 4.0

01: Digital Models

Für die integrierten, digital vernetzten Prozesse in einem Industrie 4.0 Szenario sind digitale Modelle vom Produkt und der Produktion, aber auch von der Lieferkette und den Serviceprozessen, eine nötige Voraussetzung. PLM stellt diese digitalen Modelle aktuell und bedarfsgerecht über den gesamten Produktlebenszyklus zur Verfügung.

Modelle sind digitale Abbilder der Realität – von realen Objekten und Prozessen. Sie erlauben eine integrierte Entwicklung und Absicherung von komplexen Syste- men. Modelle sind die Basis für eine Integration der virtuellen und der realen Welt, zum Beispiel mit Crash- Simulationen von Fahrzeugen, mit Abtaktungen von Montageprozessen auf Basis von Arbeitszeit- und Produktions-/Logistikmodellen oder mit 3D CAD- Modellen als Input für das 3D-Printing.

Da Modelle ein vereinfachtes Abbild der Realität sind, dienen Sie hervorragend zur Kommunikation zwischen den Prozesspartnern, zum Beispiel bei der Nutzung 3D-CAD durch den Endkunden in einem Produktkonfigurator oder bei der grafisch unterstützten Ersatzteil-Bestellung. Die effiziente Auswertung von Daten (Analytics) erfordert ein Datenmodell inklusive Beziehungen zwischen Objekten.

PLM stellt einerseits Autorensysteme für verschiedene Teilmodelle (Geometrie, Elektrik / Elektronik, Funktion, Montage, Haltbarkeit etc.), andererseits die Plattform zur Verwaltung der Modelle. Die Königsdisziplin ist derzeit das modellbasierte Systems Engineering (MBSE), d.h. die Integration verschiedener Teilmodelle auf Systemebene. Dabei soll das virtuelle Systemmodell alle Disziplinen wie Mechanik, Elektrik, Elektronik und Software inklusive Wechselbeziehungen enthalten.

In einem Industrie 4.0-Szenario ist die Vision eine durchgängige digitale Kette von der Produktentwicklung über die Produktionsplanung, Produktion, Logistik bis in den Service. Dadurch könnten auch Simulationen von ganzen Geschäftsmodellen oder Gesamtkosten möglich werden. Die Herausforderungen bei der Integration von Teilmodellen sind vielfältig. So können Systeme zwar zum Beispiel mit SysML modelliert werden. Wenn aber neben Produktmodellen auch die Produktion, Logistik und Service integriert werden sollen, fehlen Standards und eine durchgängige, unternehmensübergreifende Semantik. Von der Plattform Industrie 4.0 werden daher im FuE-Whitepaper 2014 Standards für durchgängige Semantik und eine bessere Werkzeugunterstützung gefordert. Der ProSTEP iViP Verein arbeitet an solchen Standards.

02: Smart Products

Intelligent werden Produkte vor allem durch Software, durch Vernetzung im Internet der Dinge (IoT) sowie durch zusätzliche Services. Die Wertschöpfung von Fertigungsunternehmen verschiebt sich dadurch in Richtung Software, Cloud und Services und erlaubt völlig neue Geschäftsmodelle. Die Produktentwicklung und somit das PLM umfasst dadurch neben der Hardware auch Embedded Software, Apps, Backend-Systeme und Services. Systems Engineering stellt Methoden zur Entwicklung dieser Systeme und zum Management der Komplexität bereit.

Moderne Produkte sind nicht nur reine Hardware, sondern komplexe Systeme mit Mikroprozessoren, Sensoren, Kommunikations-Schnittstellen, Embedded Software und zugehörigen Apps. So soll sich die Anzahl der Connected Cars von derzeit 23 Millionen auf 152 Millionen in 2020 versechsfachen (IHS Automotive). Smart Products können individualisiert werden, sie werden fernbedienbar und erlauben neue Services wie Remote Update / Upgrade und Monitoring. Das Internet der Dinge (IoT) vernetzt diese Dinge untereinander und mit dem Internet. Es kombiniert technologische Fortschritte in der IT (Speicherkapazität, Prozessorleistung, Kommunikationsinfrastruktur, Social, Mobile, Big Data, Cloud) mit Trends aus der Informationsgesellschaft (Power of the Individual, Knowledge Society, Always-On).

Für Hersteller bedeutet dies, dass die herkömmlichen Produkte zunächst „smart“ gemacht werden müssen, d.h. Entwicklung mechatronischer Systeme. Die Methoden zur Entwicklung und Absicherung solcher Systeme stellt das Systems Engineering. Allerdings müssen Hersteller für die Vernetzung der Smart Products auch in die Cloud investieren, insbesondere in die sichere Anbindung und die Entwicklung spezieller Cloud Services für erweiterte Produktfunktionen. Diese Investitionen lohnen sich, wenn nach dem Produktverkauf weitere Umsätze mit Services realisiert werden können. Dafür müssen neue Geschäftsmodelle entwickelt werden, die Erträge über den gesamten Produktlebenszyklus maximieren und ggf. neue Partner einbeziehen.

PLM verwaltet zunächst die Produktdaten und steuert Prozesse wie zum Beispiel Anforderungsmanagement, Änderungsmanagement und Freigabe. Für die oben beschriebenen Systeme müssen allerdings auch Apps und Benutzeroberflächen für die Smart Products, Cloud Services inklusive Backend-Systemen, Geschäftsmodelle mit Fokus auf Dienstleistungen sowie Big Data-Lösungen zur Analyse der zurückfließenden Daten entwickelt werden mit einem integrierten System.

03: Smart Factories

Intelligente Fabriken zeichnen sich im Industrie 4.0-Szenario durch sogenannte Cyber-Physische Systeme (CPS) aus, also autonome, vernetzte Systeme, die mit Sensoren und Aktoren unmittelbar auf Ihre Umgebung einwirken können. Dadurch werden hohe Flexibilität und kleine Losgrößen für kunden-individuelle Produkte möglich. PLM stellt mit Methoden und Tools für das Digital Manufacturing die Basis für Fabrik- und Prozessplanung.

Der Arbeitskreis Industrie 4.0 definiert Smart Factories wie folgt: „Einzelnes oder Verbund von Unternehmen, das bzw. der IKT (Informations- und Kommunikationstechnologie) zur Produktentwicklung, Engineering des Produktionssystems, Produktion, Logistik und Koordination der Schnittstellen zu den Kunden nutzt, um flexibler auf Anfragen reagieren zu können. Die Smart Factory beherrscht Komplexität, ist weniger störanfällig und steigert die Effizienz in der Produktion. In der Smart Factory kommunizieren Menschen, Maschinen und Ressourcen selbstverständlich wie in einem sozialen Netzwerk.“

Flexibilität und Individualisierung werden auch hier durch Elektronik / Software sowie Vernetzung der Produktionsmittel erreicht, die Cyber-Physischen Systeme (CPS). Gegenüber den Smart Products kommen aber in der Produktion weitere Aspekte hinzu, zum Beispiel die Selbstoptimierung von Komponenten und Systemen, Mensch-Maschine-Schnittstellen und Energieeffizienz. PLM bietet für die Realisierung von Smart Factories zunächst einmal die klassischen Methoden und Tools für die digitale Fabrik (Digital Manufacturing), angefangen von der Fabrikplanung über die Montage-planung bis hin zu Ergonomie-Simulationen und CNC-Programmierung für die Robotersteuerung. Zur Entwicklung und Absicherung von CPS werden hier neue Ansätze benötigt. Auch das 3D-Printing ist eine Möglichkeit zur Flexibilisierung und Individualisierung der Produktion. PLM stellt die dafür nötigen 3D-Modelle in aktueller Form bereit.

An Herausforderungen ist an erster Stelle die Produktion von Smart Products zu nennen, zum Beispiel die Software-Logistik zum Flashen von Steuergeräten am Band mit aktueller, kompatibler Software. Die Produkte bestehen nicht mehr nur aus in der Produktion gefertigter Hardware, so dass sich Qualitätsmanagement und Logistik auch auf Aspekte wie Apps, Services und Kommunikationsinfrastruktur erstrecken müssen, um ein komplettes System zu liefern. Schließlich ist für die reibungslose Kommunikation in der Smart Factory eine tiefere Integration von PLM, ERP, MES und SCM nötig. Der Abschied von 2D-Zeichnungen zu Gunsten von 3D-Modellen ist hier nur ein Anfang.

04: Smart Service

Intelligenter Service bringt Kunden einen Mehrwert gegenüber dem reinen Produkt. Dem Hersteller werden neue Geschäftsmodelle ermöglicht, um Gewinn und Kundenbindung zu steigern und Gewährleistungskosten zu senken. Insbesondere Smart Products ermöglichen neue Service-Angebote. Das After Sales-PLM sorgt für eine integrierte Entwicklung der Services sowie der Serviceprozesse während der Produktentwicklung. Außerdem stellt es Produktdaten für die Technische Dokumentation, das Ersatzteil-Management oder die Wartungsplanung zur Verfügung.

Smart Products ermöglichen Smart After Sales-Service: das Monitoring der Produktnutzung und die Auswertung der Daten erlauben präventive Wartung, eine Optimierung der Ersatzteil-Logistik und der Entwicklung sowie die sachgemäße Bearbeitung von Gewährleistungsfällen. Durch Remote Updates können Fehler behoben werden, aber auch neue Funktionen – zum Beispiel als kostenpflichtiges Upgrade bzw. „online Zubehör“ – in die Produkte gebracht werden.

Hersteller können sich durch den richtigen Mix von Produktfunktionalität, Mobilen Online Diensten und Vernetzung mit anderen Systemen differenzieren. Die Kundenbindung wird maßgeblich erhöht, da der Kunde nun ein komplettes System nutzt und die Anzahl der Interaktionen mit dem Hersteller während der Produktnutzung steigt.

After Sales-PLM bringt PLM-Funktionalitäten aus der Entwicklung in die After Sales Prozesse. Mit einem PLM-Backbone werden Produktdaten auch in der technischen Dokumentation im Sinne eines integrierten Content Managements genutzt. Auf dieser Basis kann die Planung von Ersatzteilen, Wartungsaktivitäten, Serviceangeboten und Upgrades während des Produktlebenszyklus simultan mit der Produkt- und Prozessentwicklung erfolgen.

Als Herausforderungen in diesem Szenario sind die starken Veränderungen in der Serviceorganisation und in den Prozessen zur Bereitstellung von Services zu nennen. Durch präventive Wartung und Remote Updates wird weniger Servicepersonal im Feld benötig, dafür müssen die Mobilen Online-Dienste inklusive Backend-Systemen entwickelt werden. Bei der Verarbeitung von kundenbezogenen Daten sind hohe Standards bzgl. der IT-Security zu beachten. Schließlich ist zur effektiven Auswertung von Servicedaten in der Entwicklung eine Vereinheitlichung von Diagnose- und Fehlerdaten über verschiedene Produkte und Serviceorganisationen hinweg nötig.

Schlussfolgerungen und Empfehlungen

Ausrichtung der PLM-Vision und -Strategie an Industrie 4.0

Industrie 4.0 inklusive IoT ist kein kurzfristiger Hype, sondern eine Zukunftsvision, die in vielen kleinen Schritten umgesetzt werden kann. Auch wenn die Ergebnisse rückblickend revolutionär erscheinen können, ist die Umsetzung von Industrie 4.0 eher evolutionär. In diesem Whitepaper wurden in vier Handlungsfeldern die Beiträge von PLM zu Industrie 4.0 beleuchtet, aber auch die bestehenden Herausforderungen identifiziert. Nach dieser Analyse wird deutlich, dass PLM ein Enabler für Industrie 4.0 ist. PLM stellt digitale Modelle für die integrierte Entwicklung von Produkt, Produktion und Services bereit. Die Entwicklung von Smart Products bedeutet neben Systems Engineering für mechatronische Produkte auch die Entwicklung von Connectivity, Backend-Applikationen, Services und Geschäftsmodellen. Die Vision ist eine durchgängige digitale Kette von der Produktentwicklung über die Produktionsplanung, Produktion, Logistik bis in den Service.

Struktur der Handlungsfelder

Als Empfehlung bleibt damit die Ausrichtung der PLM- Strategie an Industrie 4.0 als einem der umfassendsten Business-Szenarien für die Produktion, aber auch für die Produktentwicklung und den Service. Dabei sind Technologietrends wie Digitalisierung und IoT zu berücksichtigen und ein zu enger Fokus auf reine Produktions-Szenarien zu vermeiden. Die PLM-Strategie muss nun endgültig den kompletten Produktlebenszyklus umfassen, um durchgängige Prozesse zu ermöglichen und eine entsprechende Bebauung der IT-Landschaft zu planen. Einzelne Vorhaben in der PLM-Roadmap mögen zu Gunsten einer besseren Durchgängigkeit neu priorisiert werden. Die Integration der betroffenen IT-Systeme wird wichtiger, so dass Konzepte wie SOA* und OSLC* ebenso wie IT-Security mehr Bedeutung gewinnen. Nutzen Sie das NTT DATA Framework für die Entwicklung von PLM-Strategie und –Bebauung, um Business-Szenarien wie Industrie 4.0 systematisch in die nötigen Transformationen umzusetzen. Mit unseren Analysen im Rahmen der NTT DATA Technology Foresight können Sie die relevanten Trends für die Informationsgesellschaft und Technologien beobachten.

* SOA: Service-orientierte Architektur

* OSLC: Open Services for Lifecycle Collaboration

PLM Strategie

Weiterführende Informationen:

NTT DATA Technology Foresight

NTT DATA Blog (Stichworte: PLM oder Industrie 4.0)

PLMportal: Nachrichten und Wissen rund um PLM (Ulrich Sendler)

Der ProSTEP iViP Verein treibt Harmonisierung und Standards im PLM-Umfeld

Open Services for Lifecycle Collaboration – Enterprise IT Integration mit loser Kopplung

BMBF Zukunftsprojekt Industrie 4.0

Die „Plattform Industrie 4.0“

BMWI Autonomik Industrie 4.0

Contact:

Jens KrügerNTT DATA Deutschland GmbH
Competence Center Innovation & Product Lifecycle Management
Jens Krüger
Hans-Döllgast-Str. 26
80807 München
jens.krueger@nttdata.com oder info_de@nttdata.com
Tel. 089 / 9936-0

© PLMportal

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