Wie man Maschinendaten in intelligenten Fabriken sinnvoll einsetzt

IoT für alle

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Obwohl die meisten Unternehmen über IoT Bescheid wissen, verstehen noch nicht viele den Wert, den sie aus den Maschinendaten ziehen können; es geht vor allem um die Kommunikationsfähigkeit zwischen dem Shopfloor und der Geschäftsumgebung.

"Digitale Transformation" und "Smart Factory" sind Begriffe, die es schon eine Weile gibt, aber nur fortgeschrittene Hersteller wenden sie in der Praxis an. Die Idee der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation hat anfänglich Aufregung und große Hoffnungen geweckt, aber jetzt fragen sich Besitzer von mittleren und kleinen Fabriken: "Was kommt als nächstes? Wie fange ich an, diese Technologien in meiner Fabrik einzuführen?"

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 Forschungschef von GM, sagte: "Ein gut formuliertes Problem ist halb gelöst." Der kurvenreiche Weg zu einer intelligenten Fabrik stellt Unternehmen vor mehrere neue und bestehende Herausforderungen, und Hersteller müssen verstehen, wie sie ein digitales Geschäftsmodell in ihren Produktionsstätten betreiben 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 keine "Insel der Dinge" ist, sondern mit dem Konzept des Internets der Dinge zusammenarbeitet, müssen Produktionsmaschinen miteinander und eventuell mit Edge Devices kommunizieren. Angesichts der vielen beteiligten Systeme stellt sich die Frage, wie man eine solche Kommunikation einrichtet.

Eine der Herausforderungen in einer modernen Fabrik besteht darin, dass Maschinen oft innerhalb einzelner vertikaler Silos kommunizieren und Daten von einem Gerät zu HMI/SCADA usw. übertragen werden, wo ein Bediener ein Auge auf diesen bestimmten Teil der Produktion hat. Manager wissen schon lange, dass in den Systemen, die ihre Produktionsanlagen steuern, wertvolle Informationen stecken, aber sie haben keinen direkten Zugriff darauf. Das Problem war oft, dass beide Welten isoliert voneinander arbeiteten, mit wenig oder keiner Verbindung zwischen ihnen. Wenn es jedoch darum geht, Daten zu vermischen und über verschiedene Abteilungen hinweg zu transportieren, sollte die Infrastruktur für den Fabrikdatenaustausch 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 der Analytik. Sie müssen sich darüber im Klaren sein, ob ein Bediener die Daten nutzen wird, um eine bessere lokale Steuerung zu erreichen, oder ob der Server automatisch aggregierte Informationen an das ERP- oder MES-System sendet. Alles in allem: Welche Zahlen aus der Datenlawine müssen für eine bessere Analyse und Planung auf Fabrikebene weitergeschickt werden, und welche Daten bleiben für eine schnelle Steuerung und Entscheidungsfindung lokal.

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

Das ultimative Thema für die "intelligente Fabrik" ist schließlich die Gewährleistung der Sicherheit der offenen Kommunikation. Laut dem Bericht der Eclipse Foundation für 2019 steht die Sicherheit an erster Stelle der Sorgen von IoT-Entwicklern (31 Prozent), während Konnektivität (21 Prozent) und Datenerfassung und -analyse (19 Prozent) nur die nächsten beiden Plätze einnehmen. Gartner berichtet, dass die Ausgaben für IoT-Endpunkt-Sicherheitslösungen bis 2021 auf $631M steigen werden. Die Öffnung von Produktionsanlagen für die Welt erfordert entsprechende Schutzmaßnahmen.

Von OPC zu OPC Unified Architecture

Seit den späten 1990er Jahren wurde die Fertigungsautomatisierung um den OPC-Server herum aufgebaut, der die Datenübertragung von einem Gerät zu einem Bedienercomputer in der Leitwarte ermöglichte, unabhängig davon, ob die Hard- und Software vom selben Anbieter stammte oder nicht. Das OPC-Protokoll standardisierte die Kommunikation und war die Voraussetzung 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 gab das Protokoll den Startschuss für die industrielle Automatisierung und ermöglichte Fabriken den Übergang zu einer sichereren, genaueren und kostengünstigeren Produktion. In der Tat verlassen sich viele Produktionsanlagen auf der ganzen Welt immer noch auf diese Technologie.

Doch schon bald nach der Markteinführung der Software wurden die Nachteile des OPC-Protokolls deutlich. Erstens ist OPC durch DCOM nur auf das Windows-Betriebssystem beschränkt. Als Nächstes beklagen Experten die Schwierigkeiten beim Auffinden und Beheben von Softwarefehlern sowie die Unmöglichkeit, Daten über das Web auszutauschen. Und schließlich ist die OPC-Technologie im Hinblick auf die Informationssicherheit nicht zuverlässig. Aus diesem Grund hat die OPC Foundation auf vielfachen Wunsch der Industrie einen neuen Standard geschaffen: OPC UA. Er basiert auf den Vorgängerversionen, aber ohne Nachteile, und schlägt einen völlig neuen Ansatz für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation und die industrielle digitale Transformation vor.

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.
  • Ressourcenschonung. Mit OPC UA benötigen Sie nicht viele PCs, die in der Anlage sitzen 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?

Customer Relationship Management (CRM), Enterprise Resource Planning (ERP), ein Manufacturing Execution System (MES), ein Document Management System (DMS), ein Business Intelligence (BI)-System und ein Warehouse Management System sind die gängigste Software, die bei der Verwaltung eines Unternehmens hilft. Da viele Unternehmen, unabhängig von ihrer Größe, diese Anwendungen in verschiedenen Kombinationen nutzen, kann man verallgemeinern, dass das Leben einer Fabrik in diesen Systemen geplant, analysiert, vorhergesagt und berichtet wird. Eine vollautomatisierte, intelligente Fabrik zu sein bedeutet, dass genaue, aktuelle Informationen über den Produktionsprozess jederzeit in diesen Systemen für Analysen, rechtzeitige Warnungen, Wartungsbenachrichtigungen usw. zur Verfügung stehen, je nach Ihren Prioritäten.

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 Arbeit eines teuren Programmierers. Zweitens müssen Sie sich nicht um die weitere Wartung kümmern. Ein vorgefertigter OPC UA Connector ist in der Regel fehlerfrei und vom ersten Tag an einsatzbereit. Es sind zwar Programmierkenntnisse erforderlich, aber sehr grundlegende. Zwei bis drei Stunden werden benötigt, 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 OPC-UA Slogan lautet "vom Gerät zum Unternehmen", und in diesem Fall bedeutet "Unternehmen" ein intelligentes Enterprise Resource Planning System.

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 -bearbeitung, Datenerfassung, Planung auf Unternehmensebene, Geschäftsprozessmanagement insgesamt und die Anbindung an andere Systeme - bietet die zeitnahe Ausführung 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 bereitwilliger annehmen, wenn sie über eine vertraute Oberfläche präsentiert wird (und selbst wenn sie mobilfreundlich ist!). Die Sicherstellung der Benutzerakzeptanz bleibt eine große Herausforderung im IIoT, und die Präsentation der Daten über die Systeme, die jeder kennt und verwendet - 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

IIoT ist bereits zu einer Forderung für moderne Fabriken geworden. Um mit der Konkurrenz mithalten zu können, ist die Anbindung Ihrer Maschinendaten an die Management-Business-Systeme nicht mehr optional. OPC UA hat in diesem Bereich gute Arbeit geleistet und bietet viele weitere Möglichkeiten und Sicherheitsmaßnahmen, um die Kommunikation in einer Produktionsanlage zu öffnen - es ist also an der Zeit, die Vorteile einer vernetzten Smart Factory zu nutzen.