Wie man Maschinendaten in intelligenten Fabriken sinnvoll einsetzt

Obwohl die meisten Unternehmen über das Internet der Dinge Bescheid wissen, verstehen nur wenige den Wert, den sie aus den Maschinendaten ziehen können; es geht um die Kommunikationsfähigkeit zwischen dem Shopfloor und der Geschäftsumgebung.

“Digitale Transformation” und “Smart Factory” sind Begriffe, die schon seit einiger Zeit im Umlauf sind, aber nur fortschrittliche Hersteller wenden sie in der Praxis an. Die Idee der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation hat zunächst Begeisterung und große Hoffnungen geweckt, aber jetzt fragen sich Besitzer mittelständischer und kleiner Fabriken: “Wie geht es weiter? Wie kann ich diese Technologien in meiner Fabrik einführen?”

Obwohl über 98 Prozent der Führungskräfte das Konzept des Internet of Things (IoT) verstehen, sind sich viele nicht sicher, was IoT für ihr Unternehmen bedeutet, so eine Studie von Aruba Networks. Dies führt dazu, dass IoT nicht richtig implementiert wird oder nur auf einer grundlegenden Ebene genutzt wird, anstatt als vollständig umwandelnder Prozess.

Wenn wir uns jedoch Produktionsanlagen ansehen, die das Wesen des Industrial Internet of Things (IIoT) begriffen haben, läuft es wirklich auf die Kommunikationsfähigkeit zwischen dem Shop Floor und der Geschäftsumgebung hinaus. In der Praxis geht es darum, wie Maschinendaten von den Anlagen an Standardgeschäftsanwendungen im Backoffice übertragen werden: ERP-, MES- und CRM-Systeme, und welche Schlüsse aus diesen Daten gezogen werden und wie sie wieder in den Produktionsprozess einfließen. Insgesamt hängt der Erfolg der digitalen Transformation von der Fähigkeit einer Organisation ab, den Zahlen aus den Maschinen einen Sinn zu geben und sie in einen Wettbewerbsvorteil zu verwandeln.

Aufkommende Herausforderungen für Unternehmen

Charles Kettering, der berühmte Erfinder und Forschungsleiter bei GM, sagte einmal: “Ein klar formuliertes Problem ist schon halb gelöst.” Der steinige Weg zur intelligenten Fabrik stellt Unternehmen vor eine Reihe neuer und bestehender Herausforderungen, und Hersteller müssen verstehen, wie sie ein digitales Geschäftsmodell in ihren Produktionsstätten umsetzen können.

Warum brauchen Sie eine Smart Factory?

In erster Linie können Maschinen eine Menge Daten generieren, aber Zahlen in die Cloud zu werfen, bedeutet nicht automatisch, dass Sie daraus nützliche Informationen erhalten. Sie müssen einen Kontext haben.

Fabrikanlagen können genaueste Echtzeit-Informationen über Produktionsprozesse liefern, aber wie können die Menschen anfangen, diese Informationen zu nutzen und das Wissen auf ihre tägliche Arbeit anzuwenden?

Wird es um die Wartung gehen und darum, sicherzustellen, dass jedes Teil in Ordnung ist und funktioniert? Oder geht es um die sogenannte vorausschauende Wartung: die Behebung des Ausfalls, bevor er eintritt, basierend auf den aggregierten Daten vieler ähnlicher Geräte und frühen Anzeichen des Problems?

Es kann auch um die geschäftliche Seite der Produktion gehen: menschliche Bediener, die Entscheidungen auf der Grundlage der Berichte von den Maschinen in den MES- und ERP-Systemen treffen. Die Einführung von Industrie 4.0 erfordert nicht nur ein Upgrade der Ausrüstung, sondern einen Paradigmenwechsel im Denken.

Verbinden über vertikale Silos hinweg

Damit eine Fabrik nicht zu einer “Insel der Dinge” wird, sondern mit dem Konzept des Internets der Dinge zusammenarbeitet, müssen Produktionsmaschinen miteinander und schließlich auch mit Edge-Geräten kommunizieren können. Angesichts der Vielzahl der beteiligten Systeme stellt sich die Frage, wie eine solche Kommunikation eingerichtet werden kann.

Eine der Herausforderungen in einer modernen Fabrik besteht darin, dass Maschinen häufig innerhalb einzelner vertikaler Silos kommunizieren und Daten von einem Gerät an HMI/SCADA usw. übertragen, wo ein Bediener diesen bestimmten Teil der Produktion im Auge behält. Manager wissen seit langem, dass wertvolle Informationen in den Systemen ihrer Produktionsanlagen gespeichert sind, aber sie haben keinen direkten Zugriff darauf. Das Problem war oft, dass beide Welten isoliert voneinander operierten und kaum oder gar keine Verbindung zwischen ihnen bestand. Wenn es jedoch darum geht, Daten zu mischen und über verschiedene Abteilungen hinweg zu übertragen, sollte die Infrastruktur für den Austausch von Fabrikdaten anders aufgebaut sein.

Datenreise ins ERP

Die nächste Sorge ist die Datenkonnektivität. Wie weit runter müssen Sie in Ihren Produktionsprozess sehen? Sind es nur die Steuerungen, oder brauchen Sie tatsächlich die Daten von jedem Sensor usw.? Dies hat einen großen Einfluss auf die Menge der Informationen, die Sie bedienen, und auf das Bild Ihrer Anlage, einschließlich der gesamten Anlage im Allgemeinen, der einzelnen Produktionslinien und der einzelnen Geräte, die verwendet werden.

Die Übertragung von Daten aus der physischen Welt in die Cyberwelt erfordert die Planung von Analysen. Sie müssen wissen, ob ein Bediener die Daten für eine bessere lokale Steuerung nutzt oder ob der Server automatisch aggregierte Informationen an das ERP- oder MES-System sendet. Insgesamt muss entschieden werden, welche Zahlen aus der Datenflut für eine bessere Analyse und Planung auf Werksebene weitergeleitet werden müssen und welche Daten für eine schnelle Steuerung und Entscheidungsfindung lokal verbleiben.

Die gemeinsame Nutzung von Daten über Abteilungen und Dritte hinweg ist ein weiteres wichtiges Thema. In fortschrittlichen Fabriken kann ein ERP-System automatisch Rohstoffe bestellen oder den Wartungsdienst über die Notwendigkeit eines Checks informieren, basierend auf Meldungen, die aus den Produktionsstätten kommen. Dieser Informationsaustausch kann auch für Maschinenbauer von Vorteil sein: Basierend auf automatischen Berichten, die von verschiedenen Fabriken eintreffen, planen sie die Wartung, ersetzen Details im Voraus und bieten einen besseren Kundenservice, der Kunden vor lästigen und teuren Ausfallzeiten bewahrt.

Sicherheit von Maschinendaten

Schließlich ist das wichtigste Thema für die “intelligente Fabrik” die Gewährleistung der Sicherheit offener Kommunikation. Laut dem Bericht der Eclipse Foundation aus dem Jahr 2019 steht Sicherheit an erster Stelle der Anliegen von IoT-Entwicklern (31 Prozent), gefolgt von Konnektivität (21 Prozent) und Datenerfassung und -analyse (19 Prozent). Gartner berichtet, dass die Ausgaben für IoT-Endpunkt-Sicherheitslösungen im Jahr 2021 auf $631M steigen werden. Die Öffnung von Produktionsstätten für die Welt erfordert entsprechende Schutzmaßnahmen.

Von OPC zu OPC Unified Architecture

Seit Ende der 1990er Jahre basiert die Produktionsautomatisierung auf dem OPC-Server, der den Datentransfer von einem Gerät zum Computer eines Bedieners im Kontrollraum ermöglicht, unabhängig davon, ob Hardware und Software vom selben Anbieter stammen oder nicht. Das OPC-Protokoll standardisierte die Kommunikation und schuf die Voraussetzungen für einen Durchbruch in der Fertigungsautomatisierung. OPC verwendete das Microsoft Distributed Component Object Model (DCOM), das Teil des Windows-Betriebssystems ist. In den frühen 2000er Jahren leitete das Protokoll die industrielle Automatisierung ein und ermöglichte Fabriken den Übergang zu einer sichereren, genaueren und kostengünstigeren Produktion. Tatsächlich verlassen sich viele Produktionsstätten auf der ganzen Welt noch immer auf diese Technologie.

Kurz nach der Markteinführung der Software wurden jedoch die Nachteile des OPC-Protokolls deutlich. Erstens beschränkt DCOM OPC auf das Windows-Betriebssystem. Außerdem bemängeln Experten die Schwierigkeiten beim Auffinden und Beheben von Softwarefehlern sowie die Unmöglichkeit, Daten über das Internet auszutauschen. Und schließlich ist die OPC-Technologie in Bezug auf die Informationssicherheit nicht zuverlässig. Aus diesem Grund hat die OPC Foundation als Reaktion auf zahlreiche Anfragen aus der Industrie einen neuen Standard geschaffen: OPC UA. Er basiert auf den Vorgängerversionen, ist jedoch frei von Nachteilen und bietet einen völlig neuen Ansatz für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation und die industrielle digitale Transformation.

Zu den neuen Funktionen gehören die folgenden:

• Plattformunabhängigkeit. OPC UA ist nicht mehr auf die OLE- oder DCOM-Technologie von Microsoft angewiesen. Sie können es auf jeder Plattform starten: Apple, Linux (JAVA) oder Windows.
• Einfachere Konfiguration des Datenaustauschs zwischen mehreren Computern. Verwenden Sie anstelle von DCOM gängige Standards für den Datenaustausch: TCP/IP, HTTP(S), und SOAP.
• Leichtere Datenverwaltung und -pflege. Sie können Strukturen oder Modelle verwenden und Daten-Tags oder Punkte gruppieren und mit Kontext versehen. All dies bietet viel mehr Flexibilität und ermöglicht es, Ihre Fabrik abteilungsübergreifend zu verbinden und nicht nur in vertikalen Datensilos zu arbeiten.
• Einfache Integration in SCADA. Ein OPC-UA-Server kann ein direkter Bestandteil einer SPS sein, die in ein Gerät eingebaut ist. Es besteht keine Notwendigkeit, einen OPC-UA-Server zu kaufen und zu konfigurieren.
• Ressourcenschonend. Mit OPC UA benötigen Sie nicht viele PCs, die in der Anlage stehen und zwischen den Systemen übersetzen.
• Datenverschlüsselung. Die OPC-UA Sicherheit basiert auf einem mehrschichtigen Konzept, das Anwendungs- und Transportschichten umfasst. Es beinhaltet sowohl Authentifizierung und Autorisierung als auch Verschlüsselung und Datenintegrität durch Signierung.
• Flexibilität bei der Integration. UA-APIs sind in mehreren Programmiersprachen verfügbar. Kommerzielle SDKs sind für C, C++, Java und .NET verfügbar. Open-Source-Stacks sind zumindest für C, C++, Java, Javascript (Node) und Python verfügbar.
• Kosten- und Zeiteffektivität. Die Verfügbarkeit von OPC-UA-Konnektoren integriert Ihre Echtzeit-Maschinendaten in CRM-, ERP-, BI-, Exchange- und Dokumentenmanagementsysteme wie SharePoint für eine verbesserte Planung, Wartung und gesteigerte Effektivität Ihrer Produktion.
• Anbindung an die bestehende Infrastruktur. Verfügbarkeit von Mechanismen für die Migration von OPC zu OPC UA; OPC UA Wrapper.

Hersteller bezeichnen OPC Unified Architecture als das erste Kommunikationsprotokoll, das die Grenzen zwischen dem Unternehmen und der Fabrikhalle aufhebt. Aber wie verbinden Sie eigentlich Ihre Produktion mit den Systemen, die bei der Verwaltung Ihres Unternehmens helfen?

Kundenbeziehungsmanagement (CRM), Unternehmensressourcenplanung (ERP), ein Fertigungsausführungssystem (MES), ein Dokumentenmanagementsystem (DMS), ein Business-Intelligence-System (BI) und ein Lagerverwaltungssystem sind die gängigsten Softwareprogramme, die bei der Unternehmensführung helfen. Da viele Unternehmen, unabhängig von ihrer Größe, diese Anwendungen in verschiedenen Kombinationen einsetzen, kann man mit Sicherheit sagen, dass das Leben einer Fabrik in diesen Systemen geplant, analysiert, prognostiziert und dokumentiert wird. Eine vollständig automatisierte Smart Factory zu sein bedeutet, jederzeit über genaue, aktuelle Informationen zum Produktionsprozess in diesen Systemen zu verfügen, die je nach Prioritäten für Analysen, zeitnahe Warnmeldungen, Wartungsbenachrichtigungen usw. genutzt werden können.

Die Integration von Maschinendaten in Geschäftssysteme kann auf zwei Arten erfolgen: 1) über eine kundenspezifische Entwicklung durch OPC-UA-APIs und 2) über einen vorgefertigten OPC-UA-Konnektor, der Maschinendaten mit ERP-, CRM-Systemen usw. verbindet.

Unserer Meinung nach ist das zweite Szenario besser als eine individuelle Programmierung. Erstens verschwenden Sie keine Zeit und kein Geld für die teuren Dienste eines Programmierers. Zweitens müssen Sie sich nicht um die weitere Wartung kümmern. Ein vorgefertigter OPC-UA-Konnektor ist in der Regel fehlerfrei und vom ersten Tag an einsatzbereit. Er erfordert zwar Programmierkenntnisse, aber nur sehr grundlegende. Sie benötigen zwei bis drei Stunden, um die Integrationsprinzipien zu verstehen und die Logik für die Verbindung der Maschinendaten Ihres Unternehmens mit den Geschäftssystemen zu erstellen.

Vom Gerät zum Unternehmen

Warum müssen Sie Ihre Maschinendaten mit ERP, CRM und MES verbinden? Ein Slogan von OPC-UA lautet “vom Gerät zum Unternehmen”, wobei “Unternehmen” in diesem Fall ein intelligentes System zur Unternehmensressourcenplanung bezeichnet.

Um intelligente Entscheidungen zu treffen, benötigt ein intelligentes ERP IIoT-Daten und -Analysen in Echtzeit. Sie heben ein Unternehmen vom Wettbewerb ab und bilden das, was man eine intelligente Fabrik nennt.

Da ERP-Anwendungen so viele Aufgaben erfüllen – Auftragsverwaltung und -abwicklung, Datenerfassung, Planung auf Unternehmensebene, Geschäftsprozessmanagement insgesamt und Anbindung an andere Systeme –, bietet die zeitnahe Leistung intelligenter ERPs viele Vorteile.

Wenn es darum geht, Prozesse zu beschleunigen, manuelle Arbeit und Fehler zu reduzieren und schneller von einem Schritt zum nächsten zu gelangen, indem man Echtzeitdaten so nah wie möglich an der Quelle abgreift, die von einer bestimmten Produktionslinie oder sogar einem Gerät stammen kann, ist eine Integration von Maschinendaten über OPC UA in das ERP-System revolutionär.

Außerdem unterstützt eine solche Integration den oben erwähnten Kulturwandel, da Mitarbeiter die neue Technologie eher bereitwillig annehmen, wenn sie über eine vertraute Schnittstelle präsentiert wird (und sogar, wenn sie mobilfreundlich ist!). Die Gewährleistung der Benutzerakzeptanz bleibt eine große Herausforderung im IIoT, und die Darstellung der Daten über die Systeme, die jeder kennt und nutzt – ERP, CRM, MES usw. – beschleunigt den Übergang zu Industrie 4.0.

Weitere Komponenten einer IIoT-Smart Factory sind prädiktive Analysen, maschinelles Lernen, Blockchain-Berichtsversiegelung sowie teilautonome und autonome Entscheidungen und Aktionen. All dies kann ein Teil Ihres ERP-Systems sein, das Materialien bestellt oder Versandentscheidungen trifft, basierend auf mehreren Quellen und riesigen Mengen kontextbezogener schneller Daten, die in Echtzeit analysiert und genutzt werden.

Schlussfolgerung

Das IIoT ist bereits zu einer Anforderung für moderne Fabriken geworden. Um mit der Konkurrenz Schritt zu halten, ist die Anbindung Ihrer Maschinendaten an die Management-Geschäftssysteme nicht mehr optional. OPC UA hat in diesem Bereich gute Arbeit geleistet und bietet viele weitere Möglichkeiten und Sicherheitsmaßnahmen für eine offene Kommunikation in einer Produktionsstätte. Es ist also an der Zeit, die Vorteile einer vernetzten intelligenten Fabrik zu nutzen.