Warum die Digitale Fabrik jetzt für jedermann greifbar ist

Um auf dem Weg zu Industrie 4.0 und einer Digitalen Fabrik voranzukommen, müssen Sie industrielle Anlagen, Menschen und Arbeitsprozesse miteinander verbinden. Und um all das zu überbrücken, brauchen Sie eine starke Datenerfassung, Integration und Vernetzung. Alles muss miteinander verbunden und interoperabel sein.

Die Shopfloor- und die Business-Software-Welt sollten eng miteinander verbunden sein, aber die Entwicklung einer Integrationslösung zwischen ihnen ist traditionell mit hohen Kosten verbunden.

CB Digital Factory ermöglicht den Aufbau einer maßgeschneiderten Integrationslösung für kleine und mittelständische Hersteller, die eine flexible, zuverlässige Lösung mit attraktiven, unschlagbaren Preisen benötigen.

Wann haben Sie das letzte Mal etwas bei einem Handwerker gekauft?

Während diese Handwerker heute nur noch auf das niedrigvolumige und hochpreisige Ende des Marktes abzielen, war dies die einzige Art der Fertigung, die für den größten Teil der Menschheitsgeschichte existierte.

Technologische Entwicklungen am Ende des 18.^th Jahrhundert erlaubte es der Menschheit, sich die Dampf Energie. Dies führte zu einer enormen Steigerung der Produktivität der Arbeiter, da sich die Fertigung weg von manuellen Produktionsmethoden und hin zur maschinellen Produktion bewegte.

Gegen Ende des 19.^th Jahrhundert kam eine weitere Transformationskraft ins Spiel. Der weit verbreitete Einsatz von Strom in Fabriken ermöglichte eine echte Massenproduktion. Maschinen konnten rund um die Uhr arbeiten, ohne Pausen.

Die zweite Hälfte des 20^th Jahrhundert war der Beginn der Berechnung Ära und dem Aufkommen der Industrierobotik. Dadurch konnten sich wiederholende Produktionsprozesse automatisiert und fernüberwacht werden, was die Produktionsleistung und vor allem die Produktionsqualität steigerte - Maschinen konnten dieselbe Aufgabe immer wieder mit unglaublicher Präzision ausführen. Nach diesen drei vorangegangenen technologischen Transformationen stehen wir nun an der Schwelle zu einer weiteren industriellen Revolution, die gemeinhin als Industrie 4.0 bekannt ist, dem neuen Schlagwort in der Welt der Fertigung.

Fragen Sie jemanden, den Sie kennen, nach Industrie 4.0, und Sie werden eine Menge Begriffe zu hören bekommen: Smart Factories, Big Data, Cloud, AI, IIoT, Cyber-Physical Systems, Smart Sensors, Blockchain, etc. Aber diese Technologien (und ich berühre hier nur die Spitze des Eisbergs) machen Industrie 4.0 nicht aus und sollten nur als Enabler betrachtet werden - als Mittel zum Zweck.

Im weitesten Sinne ist Industrie 4.0 die informationsintensive Transformation der Fertigung (und verwandter Industrien) in eine vernetzte Umgebung aus industriellen Anlagen, Prozessen, Systemen und Menschen, die die Erzeugung und Nutzung riesiger Datenmengen in verwertbare Erkenntnisse umsetzt. Industrie 4.0 verspricht digitale Fabriken mit verbesserter Produktivität, Effizienz, Flexibilität und einem dynamischeren Ansatz für die Produktion. All diese Vorteile der Digitalen Fabrik (und viele andere, die ich hier nicht erwähne) führen zu einem hohen ROI und einer gesteigerten zukünftigen Rentabilität.

Allerdings ist dies kein Ziel, das sich über Nacht erreichen lässt, und Unternehmen sollten nicht versuchen, alle Technologien auf einmal zu implementieren. Um zu intelligenter Fertigung, Smart Factories oder vernetzten Industrien zu gelangen, müssen Sie zunächst eine Brücke zwischen industriellen Anlagen, Menschen und Arbeitsprozessen schlagen. Und um all das zu verbinden, benötigen Sie eine leistungsfähige Datenerfassung, -integration und -vernetzung. Alles muss miteinander verbunden und interoperabel sein. Informationen aus jeder einzelnen Quelle müssen vereinheitlicht und ganzheitlich sein.

Lassen Sie uns nun kurz von Industrie 4.0 abweichen, um einen Überblick über die Automatisierung in einer Fabrik zu geben. In der Fertigung werden die meisten Maschinen von einer SPS (spezielle Steuerung) oder einer programmierbaren Logiksteuerung gesteuert. Dabei handelt es sich um Industriecomputer, die so robust gebaut sind, dass sie den rauen Bedingungen in der Fertigung standhalten, und die zur Steuerung von Fertigungsprozessen wie Fließbändern, Maschinenfunktionen oder Robotergeräten eingesetzt werden. SPSen bestehen in der Regel aus einer Stromversorgung, einer CPU, einem Ein-/Ausgabemodul und einem Kommunikationsmodul. SPSen erfassen Daten aus der Fertigung, indem sie die Eingaben von den Sensoren und anderen Feldgeräten überwachen, mit denen sie verbunden sind. Die CPU führt dann die vom Benutzer erstellte Programmlogik aus und gibt Daten oder Befehle an die Maschinen und Aktoren aus, mit denen sie verbunden ist.

Feldbus ist ein industrielles Netzwerk, das speziell für die Kommunikation zwischen SPSen oder industriellen Steuerungen und den im Feld montierten Sensoren und Aktoren konzipiert ist. Feldbus wurde entwickelt, um die Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung zu ersetzen, die jeden Sensor und Aktor mit den E/A der Steuerung verbindet.

Wir können industrielle Steuerungsnetzwerke in drei verschiedene Generationen mit unterschiedlichen Kompatibilitätsgraden einteilen:

• Die erste Generation besteht aus traditionellen seriell basierten Feldbusprotokollen. Einige Beispiele für bekannte seriell-basierte Feldbusse sind Modbus RTU, PROFIBUS und CAN.
• Die zweite Generation besteht aus den Ethernet-basierten Protokollen. Beispiele für Ethernet-basierte Protokolle sind MODBUS TCP, ETHERNET/IP und PROFINET.
• Die neueste Generation hat damit begonnen, drahtlose Kommunikationstechnologien zu integrieren.

Durch die vielfältige Auswahl an Protokollen können Sie wählen, was am besten zu Ihren Anforderungen passt. Sie könnten sich für eine bestimmte Aufgabe für einen Feldbus entscheiden, weil er preiswerter und weniger komplex ist. Allerdings sind die verschiedenen Arten von industrielle Kommunikationsprotokolle sind in der Regel nicht miteinander kompatibel. Das bedeutet, dass alle Geräte in einem Netzwerk die gleiche Art von Kommunikationsprotokoll verwenden müssen.

Im Jahr 1995 hat eine herstellerunabhängige Industriegruppe, die OPC-Stiftung stellte den OPC-Standard vor, um diese Herausforderung zu meistern. Der OPC-Standard wurde entwickelt, um eine gemeinsame Methode für die Kommunikation zwischen Feldgeräten und Softwareanwendungen bereitzustellen.

Die OPC-Server-Software kommuniziert mit der SPS oder dem Feldgerät über dessen natives Kommunikationsprotokoll und konvertiert diese Nachricht in standardisierte Formate, die durch die herstellerunabhängigen OPC-Spezifikationen definiert sind, die dann von jedem OPC-Client gelesen werden können. Ein OPC-Server kann als eine Softwareanwendung betrachtet werden, die verschiedene Geräteprotokolle in eine gemeinsame Sprache konvertiert, die jede Client-Anwendung, die Daten benötigt, verstehen kann.

Viele Fabriken werden unterschiedliche Fertigungsanlagen haben, die unterschiedliche Protokolle verwenden. Darin liegt die größte Stärke von OPC: In einer Branche voller proprietärer Systeme und Protokolle ist OPC der vereinbarte Standardweg für die Kommunikation unterschiedlicher Systeme. OPC verwandelt all diese unterschiedlichen Protokolle in eine einzige Kommunikationslinie, macht sie sicher und ist aus der Ferne zugänglich.

Angenommen, eine OPC-Client-Anwendung benötigt Informationen von einer bestimmten SPS. Der OPC-Server kommuniziert mit einer SPS über das Modbus-Protokoll. In diesem Fall fragt der OPC-Server die SPS nach bestimmten Speicheradressen, die die vom OPC-Server benötigten Daten enthalten. Dies geschieht über das Modbus-Protokoll. Die SPS übermittelt alle Antworten ebenfalls über Modbus an den OPC-Server. Auf diese Weise kann der OPC-Server mit Modbus Daten aus der SPS lesen und in die SPS schreiben. Der OPC-Server konvertiert dann die Daten, die er von der SPS (mit Modbus) abruft, in das OPC-“Format” und sendet die Daten an eine OPC-Client-Anwendung. Jede OPC-Client-Anwendung kann Daten vom OPC-Server abrufen, ohne etwas über die SPS oder ihr Automatisierungsprotokoll wissen zu müssen.

Wenn derzeit von OPC die Rede ist, ist damit OPC UA oder Open Platform Communications United Architecture gemeint. Dieses Framework wurde 2008 veröffentlicht und baut auf dem Erfolg von OPC Classic auf, indem es funktional gleichwertig zu OPC Classic ist, aber viel mehr kann. OPC UA hat eine dienstorientierte Architektur, in der die Server, bekannt als Datenanbieter, ihr Informationsmodell offenlegen und die Clients, bekannt als Datenkonsumenten, die vom Server offengelegten Informationen konsumieren und auf mehreren verschiedenen Plattformen (Linux, Windows, Android usw.) verwendet werden können.

Bei der Entwicklung des OPC-UA-Standards wurde von Anfang an auf ein Höchstmaß an Sicherheit geachtet. Im Gegensatz zu OPC Classic wurde OPC UA “firewallfreundlich” entwickelt, d. h. es kann über Standard-Netzwerktechniken gesteuert und geregelt werden.

OPC UA bietet nicht nur die üblichen IT-Mechanismen für Authentifizierung, Signierung und verschlüsselten Zugriff. Zusätzliche Protokolle können die eigentliche Transportschicht jederzeit erweitern. Wenn eine Anfrage zur Verbindung mit einem Server eingeht, validiert der Server die Anfrage, entschlüsselt sie und validiert ihr Zertifikat. Sobald eine gültige Anfrage zur Authentifizierung oder Autorisierung empfangen und entschlüsselt wurde, muss im nächsten Schritt entschieden werden, ob der Server die Verbindung dieses Geräts akzeptieren oder dem Benutzer Zugriff gewähren soll.

Das soll nicht heißen, dass OPC UA “besser” ist als EtherNet/IP, ProfiNet oder Modbus TCP. Für den Transfer von E/A-Daten innerhalb einer Maschine bieten diese Protokolle die richtige Kombination aus Transport, Funktionalität und Einfachheit, die eine Maschinensteuerung mit vernetzten E/A ermöglicht. Sie sind sehr gute Technologien für die Maschinensteuerungsebene der Automatisierungshierarchie. Für die Übertragung von Informationen aus dem Feld bis hin zur Unternehmenssoftware ist OPC UA jedoch die beste Wahl. Es steigert die Produktivität, verbessert die Qualität und senkt die Kosten, indem es nicht nur mehr Daten, sondern auch Informationen – und zwar die richtigen Informationen – für die Produktions-, Wartungs- und IT-Systeme bereitstellt.

Eine weitere große Herausforderung bei der Umsetzung von Industrie 4.0 im realen Maßstab ist die Legacy-Barriere. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass für Geräte, die für die Automatisierung eingesetzt werden, hauptsächlich SPS, eine Lebensdauer von Jahrzehnten erwartet wird, so dass die Fortschritte innovativer Technologie, wie sie Industrie 4.0 mit sich bringt, auf das Erbe bereits bestehender Anlagen treffen. Es ist offensichtlich, dass die mit der Modernisierung von Software- und Hardware-Einheiten verbundenen Investitionen ein ernsthaftes Hindernis darstellen.

Die meisten Unternehmen lehnen eine radikale Modernisierung ihres gesamten Automatisierungssystems ab oder können einfach nicht das Risiko eingehen, ein laufendes System aufzugeben. Anstatt das gesamte System zu ändern, ist es notwendig, die Fähigkeiten der verwendeten Hardware-Infrastruktur zu erweitern, um moderne Wege des Informationsmanagements zu implementieren. Aufgrund des vernetzten Betriebs müssen in der Industrie 4.0 Maschinen und Anlagen mit Mechanismen zum Datenaustausch versehen werden. Mit anderen Worten: Konnektivität ist eine Schlüsseleigenschaft für das Erbe bereits bestehender Infrastrukturen; daher besteht ein erster Schritt, um Industrie 4.0-fähig zu werden, darin, aktuelle Geräte mit Netzwerkkonnektivität zu versehen.

Mit dem Einsatz von OPC UA Servern, ob eingebettet in ein Gerät oder als eigenständige Software, umfasst die Anzahl der Marken und Geräte, die miteinander verbunden werden können, die meiste Hardware im Feld, für fast jede Branche. Sogar SPSen, die über serielle Feldbusse kommunizieren, können über Server-Gateway-Software oder Gateways an einen OPC UA Server angeschlossen werden. Das bedeutet, dass Unternehmen in vielen Fällen mit minimalen Investitionen die ersten Schritte in Richtung Industrie 4.0 machen können.

Wie ich bereits sagte, müssen Hersteller einfach auf Daten aus ihren Produktionsprozessen zugreifen können, um die Vorteile von Industrie 4.0 voll auszuschöpfen. Angetrieben von der Notwendigkeit, industrielle Daten zu identifizieren, zu analysieren und zu optimieren, ziehen viele Hersteller eine IIoT-Plattform in Betracht (oder haben sie bereits eingeführt), um die Leistung von maschinellem Lernen, KI und Big-Data-Erkenntnissen zu nutzen.

Eine IIoT-Plattform aggregiert Echtzeitdaten von Hardware, Softwaresystemen, Sensoren und anderen Datenpunkten in einer zentralisierten Umgebung, auf die in der Regel eine große Gruppe von Benutzern zugreifen kann. Sie überbrückt die Lücke zwischen Systemen, Menschen und Maschinen, indem sie diese Daten in ein zentrales System zieht, entweder vor Ort, am Rand oder in der Cloud.

Natürlich erfordert dies nach wie vor eine sorgfältige Planung, und nicht alle IIoT-Plattformen sind gleich. Es reicht nicht aus, einfach alle Ihre SPSen mit einem OPC-UA-Server zu verbinden. Wenn Sie nicht wissen, welche Daten Sie erhalten möchten, wie Sie diese Daten verbinden und nutzen möchten und wie Sie mit der Inbetriebnahme und Außerbetriebnahme bestehender oder neuer Geräte umgehen sollen, wird Ihr Industrie-4.0-Projekt wie alle anderen enden.

Unternehmen lassen sich von redegewandten Verkäufern dazu überreden, Tausende und Abertausende von Dollar in Software zu investieren, die Maschinendaten ausliest und die Informationen dann auf Dashboards darstellt, die vom gesamten Unternehmen eingesehen werden können. Einige Monate, sogar ein oder zwei Jahre lang funktioniert das auch gut. Aber dann kauft man eine neue Maschine, und niemand weiß, wie man sie an dieses neue System anschließt. Oder ein Teil wird nicht mehr hergestellt, und die Produktionslinie wird leicht verändert, um einem anderen Bedarf gerecht zu werden. Oder man kauft eine neue Fertigungssoftware, die nicht mit dem System kommuniziert. Die Wartungsabteilung könnte wahrscheinlich helfen, aber sie ist mit anderen Aufgaben überlastet und hat keine Zeit, alles ordnungsgemäß neu zu konfigurieren. Die IT-Abteilung ist genauso. Nach und nach wird diese Software nicht mehr verwendet und wird wahrscheinlich auch nicht mehr verwendet werden, bis sich jemand daran erinnert, dass es sie gibt, und einen Praktikanten damit beauftragt, sie wieder in der gesamten Fabrik einzusetzen. Und so geriet Industrie 4.0 in Vergessenheit.

Das Testen der ersten potenziellen Anwendungen von IIoT-Plattformen in Ihrem Unternehmen sollte keine lange Vorbereitung oder große Vorabinvestitionen erfordern. Vor einigen Jahren versuchten einige große Industrieanbieter, universelle Plattformen zu entwickeln. Nach Investitionen in Höhe von mehreren hundert Millionen Dollar wurden diese Plattformen drastisch auf begrenzte “spezielle” Anwendungsszenarien reduziert oder ganz eingestellt. Sie hatten von vornherein keine Chance. Schließlich können selbst Wettbewerber derselben Branche völlig unterschiedliche Anforderungen, Einschränkungen und Ziele haben. Stellen Sie sich vor, all diese Dinge branchenübergreifend bereitstellen zu wollen.

Vergessen Sie nicht, dass jeder Facility Manager, Gerätehersteller und Dienstleister speziell darauf abzielt, einzigartige Produkte und Dienstleistungen anzubieten, seine eigenen internen Prozesse zu optimieren und neue Geschäftsmodelle voranzutreiben, die sowohl vertretbar sind als auch sich von denen der direkten Wettbewerber unterscheiden. Wie können Sie gewinnen, wenn Sie mit denselben Fähigkeiten und Einschränkungen wie alle anderen feststecken? Sie beschließen, nach einem schnelleren Pferd zu suchen. Ich sage, Sie sollten aufhören, nach einem schnelleren Pferd zu suchen. Es ist Zeit, Ihr fliegendes Auto zu bauen.

Das sind die Probleme, die wir bei Connecting Software zu lösen versuchen. Unsere Welt ist ein Ort, an dem Systeme und Anwendungen in einer universellen Sprache kommunizieren können. Eine Welt, in der Daten jederzeit verfügbar sind, unabhängig von ihrem Ursprung oder Ziel, ihrer Form oder ihrem Zweck. In dieser Welt ist Interoperabilität nicht nur ein Schlagwort, sondern eine einheitliche, alltägliche Realität. Wir streben danach, ein Universum zu schaffen, das es Entwicklern ermöglicht, Daten aus beliebigen Quellen nahtlos zu integrieren, um den Endanwendern ultimative Einblicke zu bieten.

Und genau das haben wir mit Connect Bridge, unserer leistungsstarken Software-Integrationsplattform, erreicht. Durch die Verwendung von Connect Bridge und unseren über 400 Verbindungen zu den beliebtesten und am weitesten verbreiteten Branchen- und Geschäftsanwendungen können Entwickler über ihre APIs sicher eine Verbindung zu einer Vielzahl von Unternehmenssoftware herstellen, ohne deren Dokumentation lernen zu müssen. Diese Architektur ermöglicht die Kommunikation über die Structured Query Language (SQL)-Syntax – die Programmiersprache, die jeder Entwickler kennt. Connect Bridge übersetzt die SQL-Syntax in die entsprechenden API-Aufrufe und gewährleistet so die Integrität Ihres Zielsystems, während unsere Konnektoren eine einfache Kommunikation zwischen Ihrer Anwendung und Ihren Zielsystemen ermöglichen.

Um dies auf die industrielle Welt auszuweiten, haben wir uns entschlossen, einen Konnektor zu entwickeln, der es uns ermöglicht, die ‘Maschinensprache’ zu sprechen. Wir haben uns mit der OPC-UA-Architektur vertraut gemacht und sie dann in SQL abgebildet.

Derzeit funktioniert der OPC UA Connector als OPC UA-Client. Das bedeutet, dass der Benutzer mit der Adresse eines OPC UA-Servers und den entsprechenden Berechtigungen auf Daten von einem OPC UA-Server zugreifen kann. Nachdem die Verbindung hergestellt wurde, kann mit den vom Server bereitgestellten Daten über SQL interagiert werden. Entwickler, die für ein Unternehmen arbeiten, können die Fertigungsdaten des Unternehmens problemlos in die von ihnen verwendete Unternehmenssoftware integrieren und so eine maßgeschneiderte Lösung für ihre spezifischen Anforderungen erstellen.

Unsere Vision für CB Digital Factory ist es, sie in eine vollwertige, hochgradig anpassbare IIoT-Plattform zu verwandeln, die bereit ist, eine nahtlose Integration zwischen Shopfloor, MES und ERP sowie jeder anderen Geschäftssoftware, die Ihr Unternehmen verwendet, zu bieten.

CB Digital Factory ermöglicht es Unternehmen, die ersten Schritte in der Digitalisierung ihres Shopfloors auf sehr erschwingliche Weise zu unternehmen. Industrie 4.0 ist nicht mehr nur in Reichweite der großen Unternehmen, mit dedizierten IT-Abteilungen, sondern steht nun auch kleinen und mittleren Unternehmen mit manchmal Ein-Mann-Show-IT-Abteilungen offen.

Um zu sehen, wie das für Sie selbst funktioniert, überlegen Sie sich, welche Software und Maschinen Sie integrieren möchten und fragen Sie nach Ihrem persönlichen kostenlose Demo.

Pedro Noronha
IIoT-Produktmanager bei Connecting Software

Autor:

Ich habe einen Master-Abschluss in Maschinenbau und arbeitete in der Automobilindustrie als Berater und Projektleiter, bevor ich mich auf IT und Industrie 4.0 konzentrierte.

Haben Sie Fragen oder Kommentare zu diesem Beitrag oder zur CB Digital Factory? Ich würde mich sehr über Ihr Feedback freuen!