Siemens: Der digitale Zwilling der erweiterten Wertschöpfungskette

Der digitale Zwilling der erweiterten Wertschöpfungskette

München, 5. Juni 2017

Siemens PLM Software ist inzwischen der wohl größte Anbieter von Industriesoftware, seit Kurzem einschließlich einer IoT Cloud-Plattform. Das Angebot umfasst beinahe alles, was die Industrie zur Digitalisierung ihrer Produkte und Prozesse – auch in Richtung auf das Internet der Dinge – benötigt. Gleichzeitig sieht sich Siemens aber nicht mehr nur als Softwareanbieter für das Digital Enterprise.

Siemens Digital Enterprise Software SuiteBild 1: Durchgängiges Siemens Industrie Software Portfolio für das digitale Unternehmen (alle Bilder Siemens)

Im Kontext der vielfältigen Diskussionen zu Industrie 4.0 heißt es oft: Wir müssen die Menschen mitnehmen. Bei Siemens ist diese Aussage kein Lippenbekenntnis. Sie beruht auf der Erkenntnis, dass Digitalisierung dringend mehr erfordert, als Teilprozesse in Silos zu digitalisieren. Eine erhebliche Rolle spielt auch die horizontale Integration aller an der Wertschöpfungskette beteiligten Bereiche. Die Transformation zu einem digitalen Unternehmen wird durch einen ganzheitlichen Ansatz sichergestellt, der alle Aspekte adressiert: Mitarbeiter und Organisation, Produkte und Produktion. Die Veränderung der Prozesse und zunehmend auch der Geschäftsmodelle der Kunden tritt immer mehr in den Vordergrund. Dafür hat Siemens eine eigene Methode der Prozessberatung entwickelt.

Andreas Schäfer Mathias Mond Matthias Schmich

Grundlage

 des Artikels war ein Gespräch mit den Siemens PLM Spezialisten (von links) Andreas Schäfer, Senior Director Marketing Germany, Mathias Mond, Vice President Enterprise Integration, und Matthias Schmich, Vice President Strategic Business (Fotos Sendler). Der Artikel gibt die Position von Siemens PLM Software wieder und wurde von Siemens PLM Software freigegeben.

Industrie 4.0 und Internet of Things (IoT) kamen nicht überraschend

Seit einigen Jahren sprechen alle von der Digitalisierung der Industrie und von dem Wandel, der durch die zunehmende Vernetzung und Autonomisierung der Produkte und die wachsende Bedeutung der Daten ausgelöst wird. Siemens wurde durch diesen aktuellen Trend nicht  wirklich überrascht. Schon seit etlichen Jahren ist der Hersteller mit den Kunden auf diesem  Weg. Bereits bevor es den Namen Industrie 4.0 gab. Industriesoftware und ihr sinnvoller  Einsatz sind dabei eines der zentralen Themen.

Insgesamt hat Siemens seit 2007 rund 10 Milliarden Euro allein in Firmenübernahmen investiert, die alle dasselbe Ziel hatten: Die Kunden aus der Fertigungsindustrie sollen in die Lage versetzt werden, ihre gesamte Wertschöpfungskette durchgängig zu digitalisieren und horizontal zu integrieren. Von der ersten Produktidee bis zur Analyse der Daten aus der Nutzung, die über das Internet zurückgespielt werden, sollen das Produkt, seine Fertigung und die mit dem Produkt angebotenen Dienstleistungen digitale Zwillinge bekommen. Diese Zwillinge sollen den gesamten Produkt- und Produktionslebenszyklus abbilden. Denn nur so werden Industrieunternehmen künftig schnell genug am Markt sein. Nur so werden die Produkte sehr individuell und dennoch wie Massenware verkaufbar sein. Und nur so können aus der Vernetzung smarter Produkte und Systeme Mehrwerte generiert werden.

Smart Engineering bis Smart Service

Bild 2: Siemens Digitalisierung – Mehrwerte durch Verbindung der virtuellen und realen Welt

Systemgetriebene Produktentwicklung

Je wichtiger die Daten, die über Aktoren, Sensoren, Kameras und andere digitale Komponenten während des Produktbetriebs gesammelt und analysiert werden, desto besser passt ein Schwerpunkt, den Siemens dabei seit Längerem verfolgt: Systems Engineering. Es gibt künftig kaum noch Produkte, die nicht softwaregesteuert und vernetzt funktionieren. Seit Jahren ist deshalb das Leitmotto, unter dem Siemens PLM smartes Engineering unterstützt: System Driven Product Development. Vom Management der Anforderungen und der Gestaltung der Systemarchitektur über das Design und die Validierung bis hin zur physischen Realisierung muss das Gesamtsystem im Fokus stehen. Es ist gewissermaßen die Umkehrung herkömmlichen Engineerings, bei dem ein Produkt als Zusammenbau seiner einzelnen Baugruppen und Bauteile betrachtet wurde, die zuerst zu entwickeln und zu fertigen waren.

Und es ist die logische Weiterentwicklung eines mechatronischen Produktmodells, das bei Siemens-Kunden weit verbreitet ist.

Virtuelle Planung

Bild 3: Virtuelle Planung und Absicherung mechatronischer Produktmodelle

Natürlich ist für die Systementwicklung das Management der Daten aus der Softwareentwicklung von zentraler Bedeutung. Hier hat Siemens den renommierten Anbieter Polarion Software übernommen, dessen Schwerpunkt Application Lifecycle Management (ALM) beinhaltet.

Derzeit arbeiten die Forscher – und große Industriekonzerne – auf dem Gebiet virtueller Produktentwicklung an der Methode des Modellbasierten Systems Engineerings (MBSE). Erst kürzlich wurde von Prof. Dr. Martin Eigner, Institut für Virtuelle Produktentwicklung an der TU Kaiserslautern, sowie Urban August und Matthias Schmich von Siemens ein Whitepaper veröffentlicht, das diese Thematik adressiert: "Smarte Produkte erfordern ein Umdenken bei Produktstrukturen und Prozessen – Digitalisierung, Integration, Interdisziplinarität und Föderation". Mit anderen Worten: Es ist nicht einmal damit getan, Systems Engineering und ein wie immer erweitertes V-Modell zu beherrschen. Zumal Systementwicklung in den seltensten Fällen auf der grünen Wiese beginnen kann. Das Systemmodell muss vielmehr das Produkt, seine Produktion und den Betrieb unterstützen. Darauf konzentriert sich Siemens PLM Software in der Weiterentwicklung seines Portfolios.

Im Mittelpunkt steht das PLM-System Teamcenter als Plattform für die multidisziplinäre Zusammenarbeit. Es sorgt für das Management aller zu einem Produkt oder System gehörenden Daten und ordnet ihre Beziehungen untereinander. Die umfassende Verwaltung von Produktdaten und ihrer Beziehungen ist auch die Voraussetzung dafür, dass Unternehmen erfolgreich die Daten von Partnern und Zulieferern in das Systemmodell integrieren können. Und es ist Voraussetzung dafür, dass Daten aus der Nutzung über das Internet zurück in die Unternehmensprozesse fließen können, um ganzheitlich durchgängige Prozessketten aufzubauen. Unabhängig davon, mit welchem Autorensystem im Einzelnen bei den Beteiligten gearbeitet wird. Offenheit ist deshalb eines der wichtigsten Prinzipien für Siemens PLM.

Vom virtuellen zum realen Produkt

Gleichzeitig zielen sowohl Firmenzukäufe als auch die Weiterentwicklung des Portfolios auf eine kontinuierliche Erweiterung der Funktionalität in jedem einzelnen Anwendungsbereich. Andreas Schäfer: "Manche meinen, CAD sei inzwischen Commodity, ein Standard, um den man sich nicht mehr kümmern muss. Das sehen wir ganz anders. Wenn Additive Manufacturing in den Unternehmen sein volles Potential erschließen soll, dann kommt es darauf an, dass die CAD-Modellierung die sich rasant entwickelnden Fertigungsverfahren für Kunststoffe, Metall und Verbundwerkstoffe optimal in einer durchgängigen Prozesskette bis hin zum Shopfloor unterstützt. STL-Dateien gab es schon vor 25 Jahren. Aber jetzt können unsere Kunden mit NX und dem neuen Convergent Modeling die Produktentstehung ganz neu denken: nahtlose Verarbeitung von Scan-Daten im CAD; integrierte Topologieoptimierung und Nutzung von Erkenntnissen aus der Bionik für die Gestaltung neuer Formen und Funktionen; aber auch die automatische Erstellung von Stützstrukturen für den 3D-Druck – das sind Beispiele dafür, dass wir auch im CAx-Bereich ständige Innovation betreiben." Eine Studie der Fraunhofer Gesellschaft bestätigte kürzlich, dass additive Fertigungsverfahren und Industrie 4.0 über hohe Synergiepotenziale in der Umsetzung verfügen.

Additive Manufacturing

Bild 4: Additive Manufacturing – die Produktentstehung neu denken

Erst Mitte April 2017 wurde bekanntgegeben, dass die Technologie von Materialise vollständig in NX integriert ist. Dabei handelt es sich um umfassende Möglichkeiten, die ein Produktdesign für den 3D-Druck vorbereitet. Statt in zwei getrennten Systemen wie bisher können die Anwender dies jetzt ohne Datenübersetzung in einem einzigen realisieren. Neben Materialise gibt es eine breite Palette strategischer Partnerschaften mit Maschinenherstellern wie DMG MORI, Trumpf, EOS, Stratasys und HP, die alle die Additive Manufacturing-Technologie von Siemens – teilweise sogar exklusiv – in ihren 3D-Drucksystemen einsetzen.

Je smarter die Produkte und Systeme sind, desto wichtiger ist die integrierte Elektronik. Die im März 2017 abgeschlossene Übernahme von Mentor Graphics durch Siemens war deshalb ein großer Schritt zur Vervollständigung des digitalen Produkt-Modells. Mechanik, Elektronik, Software, die Kerndisziplinen der Mechatronik, sind auch die Kerndisziplinen für vernetzte und smarte Produktsysteme. Die disziplinspezifischen Daten in einem gemeinsamen Modell zu halten, ist für die Anwender ein entscheidender Wettbewerbsvorteil. Denn dieses Modell dient ja nicht nur der geometrischen Repräsentation.

Es muss auch virtuell auf seine Funktion getestet werden, bevor kostenintensive Hardware ins Spiel kommt. Simulation und Berechnung aller Art – dafür investierte Siemens neben den eigenen Weiterentwicklungen in den vergangenen Jahren unter anderem in LMS und CD-adapco. Multiphysik-Simulation, Strömungsberechnung, Thermoanalyse, Magnetfelduntersuchungen, nichtlineare Berechnung – aus den Ergebnissen können sofort Produkt-Optimierungen abgeleitet werden, vor und vielleicht sogar ganz ohne reale Prototypen. Natürlich können diese Simulationslösungen durch integrierte Test-, Analyse- und Dokumentations-Tools ergänzt werden, um so den Produktentstehungsprozess weiter zu beschleunigen.

Dieselben Methoden, die hier für das Produkt und sein digitales Abbild beschrieben wurden, lassen sich auch auf Produktionsanlagen und ihr Engineering anwenden. Siemens ist auch Anbieter von Software für den gesamten Bereich Manufacturing Execution Systemes (MES) und Manufacturing Operation Management (MOM). Und mit Tecnomatix, dem Portfolio für die digitale Fabrik, ermöglicht Siemens die Planung, Simulation und auch die virtuelle Inbetriebnahme einer Maschine oder Anlage, sogar schon auf Basis von virtuellen Maschinensteuerungen.

Siemens PLM Software ist ein Geschäftsbereich der Siemens Division „Digital Factory“. Deren Angebot ergänzt die Software für Produktentwicklung und Produktions-Engineering um die Software für die reale Steuerung der Automatisierung. Seit einigen Jahren ist auch das Produktions-Engineering unter dem TIA Portal über eine einzige Oberfläche integriert. Die Wertschöpfungskette eines Unternehmens kann also durchgängig und horizontal mit den digitalen Zwillingen für das Produkt und die Produktion abgebildet werden. Entsteht eine Fabrik neu, wird ein Start-up gegründet oder ein firmenübergreifendes Projekt neu aufgesetzt, lässt sich das von vornherein durch vollständige digitale Zwillinge begleiten und absichern.

Durchgängige ProzesseBild 5: Digital durchgängige Prozesse von Anforderungen bis zum Service

Aber die große Mehrheit der Kunden von Siemens hat in langen Jahren ihre Prozesse optimiert und eine vielseitige und meist heterogene IT-Landschaft implementiert. Die Produkte, mit denen sie ihren Umsatz machen, werden mit diesen Prozessen und Tools entwickelt und hergestellt. Diesen Unternehmen hilft die Idealvorstellung der digitalen Zwillinge bei ihrer Innovation. Sie wollen jedoch zunächst sehr konkrete Ansatzpunkte, nächste Schritte, hilfreiche Werkzeuge und Methoden haben, die ihnen auf ihrem weiteren Weg in die digitale Zukunft helfen.

Advantedge

Das ist der Grund, weshalb die Beratung der Kunden eine immer größere Rolle für Siemens PLM Software spielt. Die Komplexität in den Unternehmen, in ihren Prozessen und in ihrer IT- Bebauung, hat einen Grad erreicht, bei dem die Unternehmen vor allem zweierlei suchen: Beispiele von erfolgreichen Unternehmen, an deren "Best Practices" sie sich orientieren können; und Unterstützung bei der Definition und Umsetzung einer Strategie, die ihnen den Weg in die Zukunft öffnet.

Siemens hat hier in einer Vielzahl von Projekten über die Jahre eine eigene Methode entwickelt, mit der diese Anforderungen der Industrie beantwortet werden. Dabei stehen nicht die IT-Systeme im Vordergrund, sondern die strategischen Ziele und die Prozesse der Unternehmen. Mathias Mond erläutert nicht ohne Stolz, dass schon der Name dieser Methode darauf hinweist, dass es sich nicht einfach um Beratung von der Stange handelt: Mit "Advantedge" soll den Kunden genau zu dem Vorteil verholfen werden, mit dem sie sich in der Zukunft vom Wettbewerb absetzen können, mit dem sie sich ganz vorne an der äußersten "Kante" positionieren, die den Unterschied macht.

Methode AdvantedgeBild 6: Die Methode Advantedge (Quelle Siemens PLM Software)

Mathias Mond: "Am Anfang eines Projektes steht die Betrachtung der Ziele des Kunden, seiner Prozesse und seiner IT. Üblicherweise wird dann anhand von Best Practice- Prozessen, die von Siemens aus der langjährigen Erfahrung der Mitarbeiter in den Unternehmen der jeweiligen Branche entwickelt wurden und werden,  ein Vorschlag unterbreitet, der dann bis zum Statement of Work (SOW) mit ihm abgestimmt wird." Die Prozesse stehen an oberster Stelle, sie entsprechend der strategischen Ziele zu formen, wird als vorrangige Aufgabe gesehen.

Erst danach stellt sich die Frage, wie diese Prozesse am besten durch IT Systeme unterstützt werden. Schließlich sollte auch die Organisationsstruktur des Unternehmens betrachtet werden, um die Potenziale der digitalen Zwillinge bestmöglich in der Praxis nutzen zu können. Während Siemens sich für die Prozesse und die IT-Architektur sehr wohl als Hauptansprechpartner sieht, setzt das Haus für die Organisationsberatung zusätzlich auf enge Partnerschaft mit führenden Beratungs- und Systemhäusern, die hier ihre Stärken haben.

Matthias Schmich ergänzt: "Es ist immer die Kombination aus Prozess, Organisation und IT, die beherrscht sein will. Wenn ein Großunternehmen, das über mehr als zehn Jahre ein bestimmtes System beispielsweise für die Raumfahrt entwickelt und hergestellt hat, plötzlich vor der Herausforderung steht, die Kosten um 40 Prozent und das Systemgewicht um 20 Prozent zu senken, dann ist das mit den üblichen Verbesserungsansätzen nicht machbar. Und es sind immer häufiger diese großen Veränderungen, die die Industrie bewältigen muss. Deshalb sind auch immer öfter der CEO oder in jüngster Zeit auch der CDO, der Chief Digital Officer, unsere ersten Ansprechpartner. Nicht mehr so sehr der Entwicklungsleiter oder IT-Verantwortliche wie in der Vergangenheit."

Die Projekte sind eher langfristig angelegt und erstrecken sich nicht selten über etliche Monate und auch Jahre. Nach der Vereinbarung der Ziele wird gemeinsam eine Roadmap für die Umsetzung erstellt. Wenn die künftigen Key-User der neuen Prozesse und Tools eingewiesen und damit vertraut gemacht sind und die Lösung für gut befunden haben, steht schließlich die geordnete Übergabe an die Anwender des Unternehmens auf der Tagesordnung.

Smart Service

Für Kunden und Endverbraucher am deutlichsten sichtbar wird die Digitalisierung der Industrie in der teilweise recht dramatischen Veränderung des Service. Was früher Kundendienst hieß und im Wesentlichen Wartung, Ersatzteilservice und Reparatur meinte, entwickelt sich zusehends zu einem Gebiet, in dem aus Produkt- und Nutzungsdaten neue Geschäftsmodelle entstehen. Vorausschauende Wartung, Optimierung der Produktnutzung und Updates von Software bei Geräten oder Anlagen während des Betriebs werden mehr und mehr zu dem Smart Service, den der Kunde erwartet.

Das ist der Teil des Internets der Dinge, der die Industrie unmittelbar betrifft. Es werden Plattformen gebildet, auf denen Produzenten, Partner und Dienstleistungsanbieter sich zu einem Eco-System vernetzen, das den Endkunden mit Industrie-Apps versorgt. Ähnlich wie in einem App-Store auf dem Smartphone stehen Apps bereit, die von der Analyse des einzelnen Geräts über die vergleichende Analyse massenhaft vernetzter Anlagen bis hin zu konkreten Diensten für Betrieb, Wartung und Optimierung reichen. Siemens hat dafür mit MindSphere eine eigene Plattform eingerichtet.

Heute zählen u.a. Accenture, Atos, evosoft, IBM, Microsoft und SAP zu den Partnern, die die Infrastruktur sowie erste MindApps für die Industrie bieten. Die Akquisition von Omneo war dabei ein wichtiger Grundbaustein, der als Ansatz  für Data Analytics Daten jeden Umfangs nach beliebigen „Dimensionen“ auswerten lässt und dafür bei zahlreichen Kunden schon seit einigen Jahren erfolgreich im Einsatz ist.

MindConnect heißt die Kopplung von Geräten und Produkten an MindSphere, um die Nutzung der Daten und ihre Analyse zu ermöglichen. Bei neuen Automatisierungsgeräten von Siemens sind entsprechende Anbindungen schon integriert. Der Kunde kann sie aber auch ohne großen Aufwand nachrüsten.

Diese Art der Cloud-Nutzung, bei der Daten von Endgeräten massenhaft analysiert werden können, wird von vielen Kunden als Mehrwert begrüßt. Siemens tritt hier nicht in Konkurrenz zu seinen Kunden, etwa den Maschinen- und Anlagebauern oder den Betreibern von Anlagen. So kann der Kunde auch selbst Apps entwickeln und über MindSphere wiederum seinen Endkunden Dienstleistungen anbieten. Der Schutz der vernetzten Geräte und der involvierten Daten vor unberechtigtem Zugriff ist dabei eine hoch priorisierte Aufgabe von Siemens und seinen Partnern. Cybersecurity zu gewährleisten, betrachtet Siemens als eine der wichtigsten Aufgaben in diesem neuen Betätigungsfeld.

"Wenn mal ein Rasenmäher, der über eine App und das Internet gesteuert werden kann, im heimischen Garten für ein Weilchen aussetzt, weil die Verbindung unterbrochen ist, mag das akzeptabel sein. Für eine Produktionsanlage aber liegen völlig andere Verfügbarkeits- und Sicherheitsanforderungen vor", sagt Andreas Schäfer. "Umgekehrt scheint die Vernetzung des Rasenmähers nur geringere Anforderungen an die Sicherheit zu stellen. Aber jüngste Cyber-Attacken wie "Wanna Cry" zeigen, dass alle vernetzten Geräte kriminelle Angriffe ermöglichen, die dann nicht nur das betreffende Gerät, sondern ganze Konzerne gefährden können. Deshalb gilt die hohe Priorität der Cybersecurity ohne Einschränkungen für alle Arten von Produkten."

Für die Nutzung von PLM in einer Public Cloud sehen die Spezialisten von Siemens im Unterschied zu Datenanalyse oder umfangreichen Berechnungsaufgaben auf absehbare Zeit keine große Zukunft. Zu wichtig sind die betrieblichen Daten von Produkten, Systemen und Prozessen, die hier von den Unternehmen mit Teamcenter gespeichert und verwaltet werden, als dass sie etwa in eine Public Cloud abgegeben würden. Ihre Komplexität, die Vielschichtigkeit der Beziehungen der Daten untereinander und die Bezüge zu den Ursprungssystemen lassen es nach wie vor für die meisten Unternehmen als unkalkulierbares Risiko erscheinen, auf den unmittelbaren Zugriff vor Ort zu verzichten.

MinSphereBild 7: MindSphere – das cloudbasierte, offene IoT Betriebssystem von  Siemens

Von IT und Fertigungs-Automation zum digitalen Zwilling

Siemens hat einen langen Weg der Digitalisierung zurückgelegt. Der Anfang war die Nutzung der programmierbaren Steuerung für die Automatisierung der Produktion, auch heute sind die jüngsten Produkte aus diesem Bereich der Steuerungen, ob Simatic, Simotion oder Sinumerik, weltweit führender Standard in der Industrie. Nach der Übernahme der Plattform Teamcenter für die multidisziplinäre Zusammenarbeit kamen durch Akquisitionen nach und nach weitere Softwarebausteine hinzu. Heute ist Siemens in der Lage, die gesamte Wertschöpfungskette ihrer Kunden zu digitalisieren. Nun schließt sich der Kreis.

Die Integration der digitalen Modelle aller Teile der Prozessketten lässt das Produktmodell zu einem Systemmodell werden, verschmilzt es mit den Daten des Produktions-Engineerings und der realen Anlage der Fabrik zu den digitalen Zwillingen der gesamten Wertschöpfungskette und ermöglicht geschlossene Regelkreise. Und es sind diese digitalen Zwillinge, die selbst wiederum den Unternehmen helfen, die Wertschöpfung zu erweitern: Einbeziehung der Partner und Lieferanten in ein IoT-Ecosystem, Nutzung der Daten aus Produkt, Produktion und Service für neue Dienstleistungsangebote und Geschäftsmodelle.

Möglichst vollständige digitale Zwillinge, gefüttert mit den Daten ihrer realen Pendants und ausgestattet mit lernenden Algorithmen werden völlig neue smarte Produkte und Produktentstehungsprozesse ermöglichen. PLM, ALM, MOM und SLM (Service Lifecycle Management) stellen deshalb die notwendige Basis für eine erfolgreiche Nutzung des IoT dar.

Horinzontale und vertikale ProzessintegrationBild 8: Horizontale und vertikale Prozessintegration durch Digitalisierung

Siemens ist heute für seine Kunden nach wie vor der große Anbieter von Hard- und Software für die Automatisierung. Ebenso wie das Unternehmen das größte Portfolio von Industriesoftware im Angebot hat. Aber der wichtigste Unterschied zum Wettbewerb dürfte sein, dass Siemens seinen Kunden hilft, mit den digitalen Zwillingen zu Digital Enterprises zu werden.

© PLMportal

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