Digitalisierung in der Prozessindustrie Raus aus dem Mittelmaß: Schafft die Prozessindustrie den Sprung an die digitale Spitze?

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Was sind die wichtigsten Lessons learned nach der mittlerweile 12. Veranstaltung des Smart Process Manufacturing Kongresses? Vor allem diese: Digitalisierung ist kein Selbstzweck, sie muss immer einen Mehrwert generieren. Doch Chemie- und Pharmaanlagen sind divers und komplex, hier Standards einzuführen braucht Zeit. Nicht zu vergessen: Auch die Inhouse-Akzeptanz dauert. Ein guter Ansatz ist nach wie vor: Follow the money (also dort ansetzen, wo viel zu verdienen/verlieren ist). Und zu guter Letzt: Einfach anfangen!

Wo steht die Digitalisierung in der Prozessindustrie? Prof. Carsten Suntrop (CMC²) eröffnete den SPM 2023 mit der vermutlich allseits überraschenden Einschätzung, dass zumindest die mittelständischen Unternehmen der Chemieindustrie gerade mal die Note 3 Minus erreichen. Warum diese Einschätzung? Vielfach seien Lösungen nicht integriert, deckten nicht Prozesse, sondern Funktionen ab, begönnen Lösungen nicht beim Kunden.

Nicht nur Suntrop verweist auf die Priorisierung der Prozesse. Mehrfach wurde betont, dass im ersten Schritt vor jeder Digitalisierung die Prozesse im Unternehmen genau untersucht werden sollten. Denn wenn schon die Prozesse an sich suboptimal sind, könne auch deren Digitalisierung keinerlei Besserung bieten.

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Bleibt die Frage, was diese ‚Prozessanalyse‘ konkret bedeutet? Da ist zum einen der technische Ablauf (Temperieren, Mischen, Granulieren, Trennen); zum zweiten geht es um die begleitenden Management-Prozesse (Bestelleingang, Lagermanagement, Lieferlogistik). Vermutlich ist das Optimieren dieser Prozesse allein durch das Unternehmen selbst problematisch – Stichwort Betriebsblindheit. Externe Berater haben hier sicher den kritischeren Blick. Denn auch bei genau festgelegten Komponenten bleibt ja als Unsicherheit, wie im Detail die Abläufe sind (ein anschauliches Beispiel: der Profi- und der Laien-Koch kommen mit den gleichen Zutaten und dem gleichen Rezept zu einem durchaus unterschiedlichen Ergebnis).

Smart Paint Factory Alliance & Chemtelligence

Dr.-Ing. Wolfram Keller (Smart Paint Factory Alliance) bemängelt das ausgeprägte Silodenken der Mittelständler, zudem wollen sie eher selten Know-how mit Dritten teilen. Dabei seien doch Partnerschaften und Kooperationen äußerst wichtig. Die Smart Paint Factory Alliance ist in der Branche der Lack- und Farbenindustrie eine gute Möglichkeit dazu. Ziel der Alliance ist es, Netzwerklösungen zu generieren. Denn Alleingänge sind gerade für die mittelständischen Unternehmen praktisch unmöglich. Internes Betriebs-Know-how muss mit externem IT-Know-how ergänzt werden.

Das war der Smart Process Manufacturing Kongress 2023

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Eine solche Netzwerk-Plattform ist Chemtelligence – sie vernetzt die Chemieindustrie mit Start-Ups, Studierenden, Wissenschaftlern und Industrie-Experten und bildet somit die Basis für zielgerichtete und effiziente Kooperationen. Konkret kann ein Unternehmen hier eine Frage / ein Problem (eine Challenge) zur Diskussion stellen, die auf der Plattform im besten Falle dann zeitnah gelöst wird. Ein Beispiel: Shell hatte als Challenge die Frage formuliert, wie man Betriebsdaten mit den Anforderungen einer TÜV Prüfung abstimmen könne. Die bisherige Erfahrung ist, dass bei der Lösungsfindung große Unternehmen schneller werden müssen, Startups dafür eher langsamer agieren sollten.

Aus Datensätzen Datenschätze generieren

Daten gelten seit Beginn des Industrie 4.0-Hypes als das Gold des 21. Jahrhunderts. Auch die Prozessindustrie verspricht sich von der Datennutzung viel: kürzere Produkt- und Prozessentwicklungszeiten, flexiblere Produktion, höhere Betriebssicherheit und nicht zuletzt neue Geschäftsmodelle. Über allem steht die Idee vom Asset-getriebenen zum datenzentrierten Unternehmen zu werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, sind in der Prozessindustrie solche Fragen zu beantworten: Stimmen alle Angaben in der Dokumentation mit der physischen Realität überein? Werden alle Datenbanken und Datenhalter untereinander regelmäßig und systematisch automatisch synchronisiert? Gibt es eine einzige verlässliche Informationsquelle, die sogenannte Single Source of Truth?

Abendveranstaltung des Smart Process Manufacturing Kongress 2013

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Heute setzt sich die Erkenntnis durch, dass erfolgreiche digitale (datenbasierte) Geschäftsmodelle in der chemischen Industrie selten und grundsätzlich schwierig zu monetarisieren sind, so die Erfahrung von Dr. Henrik Hahn (Evonik Industries).

Hahn ist in Sachen Digitalisierung davon überzeugt, dass Daten der Dreh- und Angelpunkt des Erfolgs sind. Doch ist er bei der Geschwindigkeit der Umsetzung erkennbar geläutert: Die Branche sei halt nun mal langsam. Digitalisierung in der Prozessindustrie brauche Zeit – 7 bis 10 Jahre! Sein Vortrag läuft dementsprechend unter dem programmatischen Titel ‚Der steinige Weg vom Asset-getriebenen zum datenzentrierten Unternehmen‘.

Wichtig sei die Frage: wie können Daten das traditionelle Kerngeschäft veredeln? Die Antwort dafür sind Smart Operations. Wichtig ist vor allem der Use Case, also der kontinuierliche Nutzen dieser Veredlung

Definition Use Case: „Ein Anwendungsfall beschreibt eine Abfolge von Aktionen, die ein System ausführt und die ein beobachtbares Ergebnis von Wert für einen bestimmten Akteur liefert.“ Bei Infraserv Höchst z.B. muss sich ein Use Case innerhalb von drei Jahren rechnen.

Nach Hahns Erfahrung geht es in großen Unternehmen beim Auffinden von Use Cases oft mehr um den gegenseitigen Respekt der unterschiedlichen Abteilungen als um spezielle Tools. Merke: Gerade in dezentralen Unternehmen sind es nicht allein die technologischen Herausforderungen, die die Implementierung von Use Cases erschweren ...

Und nicht zu vergessen: Use Cases kosten zunächst mal Geld, sind also eine Investition in die Zukunft. Auch deshalb dienen bei Evonik zentrale, interaktive Datenbanken der Vernetzung und Inspiration, um die ‚richtigen‘ Use Cases zu entwickeln – und zwar nur einmal. Und was ist mit den Kosten? Ausarbeitung und Einschätzung zu Machbarkeit, Aufwand und Umsetzung von Use Cases werden durch einen Canvas-Ansatz strukturiert (Visualisierung, Modellierung und Erklärung eines Geschäftsmodells).

Fazit: Die größte Herausforderung auf dem Weg zum datenzentrierten Unternehmen besteht aus der Summe vieler kleiner Herausforderungen: 1. Vor dem Use Case stehen belastbare Nutzungsanforderungen und Benutzungsszenarien. 2. Menschen neigen dazu, den zeitlichen Aufwand, um etwas zu erledigen, zu unterschätzen. 3. Der Erfolg von Datenprojekten fußt auf Akzeptanz aller Betroffenen. 4. Effektive Datenzentrierung ist eine interdisziplinäre unternehmerische Gestaltungsaufgabe.

Ein Thermomix für die Farb- und Lackindustrie

Prozessoptimierung ist ein wichtiger Aspekt der Digitalisierung. Ein schönes Beispiel dafür, wie bei einer solchen Optimierung auch die KI eingebunden werden kann, lieferte Raphael Kadow (Hemmelrath Innovation Factory GmbH).

Hintergrund: Ein riesiges Anwendungsspektrum, mehrere 100 verschiedene Rohstoffe und komplexe Rezepturen – das sind die Herausforderungen mit denen KMU der Farb- und Lackindustrie kämpfen. Entsprechend hoch sind die Produkt- und Produktionskomplexität sowie der Wunsch nach Produktivität der Anlagen, zudem nach hoher Qualität und Stabilität der hergestellten Farb- und Lacksysteme.

Ein selbst entwickeltes KI-System kann Produktqualitäten vorhersagen und Fertigungsabläufe datengestützt digitalisieren. In einem ersten Schritt wurden mit einem erhöhten Sensoreinsatz Daten generiert, um die KI zu füttern. Dann mussten die kritischen Parameter identifiziert werden. Heute sagt die KI mit einer Zuverlässigkeit größer 85 Prozent gute Qualität voraus (faktisch sind es 89 Prozent). Das System kontrolliert schwankende Rohstoffqualitäten, indem es die Rezepturen anpasst. Fehlchargen werden somit weitgehend vermieden und die Produktionseffizienz erhöht sich. Das Ergebnis ist quasi ein Thermomix für die Farb- und Lackindustrie.

Digitale Services gewinnen an Raum

Interessant war die Erkenntnis, dass auch bei den Services die Digitalisierung eine große Hilfe sein kann. Denn auch in der Chemie ist nicht mehr allein das Produkt oder der Preis wettbewerbsentscheidend; Services gewinnen in allen Branchen an Bedeutung. Katrin Cyrys (Liferay) brachte das so auf den Punkt: „Guter Service beginnt da, wo die Erwartungshaltung des Kunden übertroffen wird!“ Sie stellte digitale Lösungen als Schnittstelle zwischen Kunde, Produktion und Service in der Chemieindustrie vor. Keine Petitesse: Schließlich gilt ja die in allen Branchen bekannte Tatsache, dass After-Sales-Dienste deutlich profitabler sind als der Verkauf neuer Produkte.

Nicht nur im Segment Services gilt: Das Angebot möglicher IT- und Digital-Lösungen kann für mittelständische Unternehmen undurchsichtig sein und zu Fehlentscheidungen führen. Weil Digitalisierung schließlich nicht zur Kernkompetenz des Mittelständlers zählt, lohnt es sich für diese Unternehmen in aller Regel nicht, eigene Transformations-Abteilungen aufzubauen. Würde der Rat externer Digitalisierungsberater helfen? Ja - aber eine gewisse Kompetenz sollte auch Inhouse vorgehalten werden.

Nachhaltigkeit ist nicht allein Philanthropie

Bleibt auch die Frage, wie es in diesem Zusammenhang mit der Nachhaltigkeit steht – schließlich lautete das Motto des Kongresses “Mit Digitalisierung und Nachhaltigkeit den Wandel gestalten“. Antwort: Jeder weiß um die Bedeutung der Nachhaltigkeit – aber derzeit geht es in erster Linie um die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen. Immerhin gilt ganz allgemein: Digitalisierung hilft durch Transparenz immer auch der Nachhaltigkeit – siehe Beispiele im Kasten.

Das Bekenntnis zu Nachhaltigkeitszielen ist nicht allein Philanthropie – Nachhaltigkeit kann auch zum Geschäft werden! Denn es gilt, hierfür Lösungen zu identifizieren und zu entwickeln, die skalierbar und für andere Einsatzmöglichkeiten nutzbar sind. Das Unternehmen kann demonstrieren, was technologisch möglich ist – und hat die realistische Chance, solche Lösungen global zu vermarkten. Merke: Philanthropie und gewinnorientiertes Wirtschaften müssen kein Widerspruch sein.

Schneller zum Impfstoff

Bei der Pharmaproduktion gehe es im Grunde immer um ein Rennen gegen die Zeit, sagt Rebecca Vangenechten, Leiterin des Vertical Pharma Segments bei Siemens. Als zentralen Erfolgsfaktor sieht sie die Zusammenarbeit verschiedener Unternehmen bzw. verschiedener Teams.

Siemens ist davon überzeugt, dass der digitale Zwilling (und die damit verfügbaren Daten) auch in der Pharmaindustrie sehr hilfreich ist. Insbesondere auch, um das Silo-Denken abzubauen und um vom Labor in die Produktion zu skalieren. Im Mittelpunkt steht dabei die Rezeptur – sie muss in allen Entwicklungsstufen identisch sein (und für alle Stufen der Skalierung handhabbar bleiben). Wichtig dafür sind natürlich offene Systeme, eine monolithische Software ist kontraproduktiv. Deshalb sollte auch die eingesetzte Software einen modularen Aufbau haben. Das erfordert mit Blick auf die Mitarbeiter ein Change Management. Der Rat der Vortragenden: legt die deutsche Gründlichkeit ab, versucht mehr Trial & Error!

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3D-Druck – Hoffnungsträger oder Rohrkrepierer?

Ein Beispiel: Glaxosmithkline (GSK) hat zusammen mit Siemens und dem IT-Spezialisten Atos seine Impfstoffentwicklung und -herstellung optimiert. Gemeinsam wurde ein digitaler Zwilling des Prozesses der Adjuvantien-Herstellung (Wirkverstärker) entwickelt, mit dem die virtuelle und die reale Welt in einem Regelkreis (Closed Loop) verschmelzen. Mit Hilfe mechanistischer Modelle und künstlicher Intelligenz entwickelten die Partner ein hybrides Modell, um den Prozess zu simulieren und zu kontrollieren. Der digitale Zwilling verknüpft dabei die Prozessparameter mit der Qualität des Adjuvans: Sensoren und Prozessanalysetechnik liefern dem Zwilling die benötigten Informationen, um die Qualität des Produkts vorherzusagen. Die Digitalisierung dieses Prozesses verkürzt die lange Entwicklungszeit deutlich: Sie ermöglicht einen einfacheren und frühzeitigen Zugriff auf die Ergebnisse, schnelleres und umfassenderes Feedback, eine bessere Vorhersagbarkeit und gemeinsame Nutzung der Ergebnisse sowie eine bessere Übersicht über den gesamten Prozess.

Im nächsten Schritt möchte GSK zusammen mit Siemens digitale Zwillinge des gesamten Impfstoffherstellungsprozesses für alle neuen Impfstoffe aufbauen und einführen. Die digitalen Zwillinge von Produkt, Produktion und Performance werden also miteinander verknüpft.

OT und IT wachsen zur PT zusammen

Die Prozessindustrie steht in Sachen IT (Informationstechnologie) und OT (Betriebstechnologie - Operations) vor einem Paradigmenwechsel, sagt Stefan Plogmann (Accenture Industry). IT war bisher hauptsächlich für Datenverarbeitung und Informationssysteme verantwortlich, während OT die industrielle Prozesssteuerung und -überwachung abdeckte. Diese Trennung wird jedoch zunehmend aufgeweicht und die beiden Bereiche beginnen, sich zu überschneiden und zu verschmelzen. OT beinhaltet nun nicht mehr nur die physischen Geräte und Systeme, die zur Steuerung und Überwachung von industriellen Prozessen verwendet werden, sondern auch die Software und Netzwerke, die diese Geräte verbinden, sowie die Daten, die sie erzeugen und nutzen. OT umfasst nun auch Bereiche wie Cybersecurity, Datenanalyse und IT-Management, die traditionell als Domänen der IT angesehen wurden. Sensoren und IoT-Geräten in OT-Umgebungen generieren riesige Mengen an Daten. Die Fähigkeit, diese Daten zu analysieren und daraus wertvolle Einblicke zu gewinnen, erfordert den Einsatz von IT- Technologien wie Big Data und Künstlicher Intelligenz (KI).

Problematisch ist, dass IT-Modelle in aller Regel nicht oder nur schleppend an Veränderungen im Betriebsablauf bzw. in der Betriebstechnik angepasst werden – immerhin überdeckt OT Betriebszeiten zwischen 15 und 20 Jahren. Idealerweise wachsen IT und OT zur PT (Process Technology) zusammen.

Martin Draxlbauer (Wacker Chemie) verweist auf weitere Herausforderungen: Da gebe es die organisatorisch zentralisierte IT mit standardisierten, modernen Equipments; dem gegenüber stehe eine Vielzahl an Automatisierungssystemen unterschiedlicher Hersteller, gemanagt durch die elektrotechnischen Betreuungsingenieure in den oftmals jahrzehntealten Produktionsbetrieben. Es sind OT-Prozesse, die in Echtzeit erfolgen müssen, ohne Downtime – außer in der jährlichen Abstellung zur Revision der verfahrenstechnischen Produktionsanlage. Außerdem sind Anforderungen des Explosionsschutzes und der Anlagensicherheit für Chemie-Anlagen (Stichwort SIL) und Maschinen/Roboter (Stichwort Performance Level) zu beachten.

Umgesetzt werden kann das Zusammenwachsen von IT und OT durch das intensivierte Zusammenspiel der beiden Welten – performanter Datenaustausch anstelle von gekapselten Revieren. Allerdings beunruhigen die regelmäßigen Meldungen in den Medien, die immer regelmäßiger von Cyber-Bedrohungen berichten.

Fazit: Aus Studien ist bekannt, dass mehr als die Hälfte der begonnenen Digitalisierungsprojekte scheitert, dass Brownfield-Anlagen selten angetastet werden und häufig das Digitalisierungs-Know-how fehlt.

Während Kanzler Olaf Scholz in vielen Bereichen das neue ‚Deutschlandtempo‘ lobt (Stichwort: LNG-Terminals) oder fordert (Stichwort: Planungs- und Genehmigungsverfahren), waren auf Smart Process Manufacturing Kongress 2023 durchaus gemischte Strategien hinsichtlich des Digitalisierungs-Tempos in der Prozessindustrie zu hören: Da rief Henrik Hahn zu mehr Gelassenheit auf und beschrieb steinige Wege, die bis zu zehn Jahren der Umsetzung bedürfen. Andere ermutigten zu einer Trial & Error-Taktik, warnten gar vor dem typisch deutschen Perfektionismus. Andererseits erwähnte ein Teilnehmer, dass es in der Tat noch keine Digitalisierung sei, aus einem Dokument ein PDF zu generieren …

Und was ist nun mit der Notengebung? „Wir müssen Druck machen, um von einer 3 Minus auf die 2 zu kommen. Versucht, nicht alles zu perfektionieren. Und kümmert euch um Standards“, so Suntrop.

Klar ist auch: Die Chemie basiert natürlich auf dem analogen Produkt, eine digitale Salzsäure ist keine Option. Das analoge Produkt ‚Made in Germany‘ bleibt begehrt in der Welt. Und auch das Zuverlässigkeitsversprechen deutscher Unternehmen ist wichtig. Dennoch müssen wir in Deutschland Kosten senken (geht das mit einer 4-Tage-Woche?). Entscheidungsprozesse automatisieren zu können ist hier als das wahre Digitalisierungs-Gold anzusehen. Die gute Botschaft: Viele Unternehmen haben bereits die Automatisierung der Produktion vorangetrieben (Prozessleittechnik). Einige befinden sich sogar in der vollständigen Digitalisierung der Prozesskette von der Kundenschnittstelle (Verkauf & Kundenservice) bis zur Lieferantenschnittstelle (Einkauf).

Auf dem Kongress wurde eine beeindruckende Zahl bereits realisierter Use Cases vorgestellt. Klar wurde aber auch, dass die Digitalisierung in der Prozessindustrie kein Sprint, sondern eher Marathon ist. Die Branche wird sich noch viele Jahre auf dem Smart Process Manufacturing Kongress in Würzburg treffen, um nützliche Use Cases kennenzulernen und neue Ideen zu diskutieren.

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