Wie man Maschinendaten in Smart Factory 101 sinnvoll nutzen kann

Die Idee der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation hat die anfängliche Aufregung und große Hoffnungen geweckt, aber jetzt fragen sich die Besitzer mittlerer und kleiner Fabriken: “Was kommt als nächstes? Wie führe ich diese Technologien in meiner Fabrik ein?”

“Digitale Transformation” und “intelligente Fabrik” sind Begriffe, die schon seit einiger Zeit in aller Munde sind, aber nur fortgeschrittene Hersteller wenden sie in der Praxis an. Die Idee der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation hat die anfängliche Aufregung und große Hoffnungen geweckt, aber jetzt fragen sich die Besitzer von mittelgroßen und kleinen Fabriken: “Was kommt als nächstes? Wie fange ich an, diese Technologien in meiner Fabrik einzuführen?”

Obwohl mehr als 98% von Wirtschaftsführern das Konzept des Internet der Dinge verstehen, sind sich viele nicht sicher, was das Internet der Dinge für ihr Unternehmen bedeutet, wie eine Untersuchung von Aruba Networks ergab. Dies führt dazu, dass das IoT nicht richtig umgesetzt wird oder nur auf einer grundlegenden Ebene genutzt wird, anstatt Prozesse vollständig zu transformieren.

Wenn wir uns jedoch Produktionsanlagen ansehen, die das Wesen des industriellen Internets der Dinge verstanden haben, läuft es wirklich auf die Kommunikationsfähigkeit zwischen dem Shopfloor und der Geschäftsumgebung hinaus. In der Praxis geht es darum, wie Maschinendaten von den Geräten an Standardgeschäftsanwendungen im Backoffice - ERP-, MES-, CRM-Systeme - übertragen werden, welche Schlussfolgerungen aus diesen Daten gezogen werden und wie sie wieder in den Produktionsprozess einfließen. Insgesamt hängt der Erfolg der digitalen Transformation von der Fähigkeit eines Unternehmens 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 zur intelligenten Fabrik stellt Unternehmen vor mehrere neue und bestehende Herausforderungen, und die Hersteller müssen die folgenden Fragen beantworten, um zu verstehen, wie sie ein digitales Geschäftsmodell in ihren Produktionsstätten betreiben können.

Warum brauchen Sie eine Intelligente Fabrik?

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

Fabrikeinrichtungen können genaueste Echtzeit-Informationen über Produktionsprozesse liefern, aber wie können die Menschen anfangen, die Vorteile zu nutzen und das Wissen in ihrer täglichen Arbeit anzuwenden?

Geht es um die Wartung – darum, sicherzustellen, dass alle Teile funktionieren?

Oder die sogenannte vorausschauende Wartung – die Behebung der Störung, bevor sie auftritt, 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 Umarmung von Industrie 4.0 diktiert nicht nur das Upgrade der Ausrüstung, sondern einen allgemeinen Paradigmenwechsel im Denken.

Verbindung über vertikale Silos

Damit eine Fabrik keine “Insel der Dinge” ist, sondern tatsächlich mit dem Konzept des Internets der Dinge zusammenarbeitet, müssen die Produktionsmaschinen miteinander und schließlich mit den Randgeräten kommunizieren. Angesichts der vielen 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 gespeichert sind, die ihre Produktionsanlagen steuern – 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 bündeln und über verschiedene Abteilungen hinweg zu übertragen, sollte die Infrastruktur für den Austausch von Fabrikdaten anders aufgebaut sein.

Daten reisen zum ERP

Das nächste Anliegen ist die Datenkonnektivität. Wie weit unten müssen Sie in Ihrem Produktionsprozess sehen? Sind es nur Steuerungen, oder benötigen Sie tatsächlich die Daten von jedem Sensor usw.? Dies wird die Informationsmenge, die Sie betreiben, und das Bild Ihrer Anlage weitgehend beeinflussen:

• die gesamte Anlage im Allgemeinen,
• eine individuelle Produktionslinie,
• oder sogar ein bestimmtes Gerät, wie seine einzelnen Knotenpunkte funktionieren - und wo zum Beispiel eine Störung den Produktionsprozess behindert.

Außerdem erfordert das Einbringen von Daten aus der physischen Welt in die Cyberwelt eine Planung der Analytik. Sie müssen verstehen, ob es ein Operator ist, der die Daten für eine bessere lokale Kontrolle verwendet, oder ob der Server automatisch aggregierte Informationen an das ERP- oder MES-System sendet. Alles in allem muss man wissen, welche Zahlen aus der Datenlawine für eine bessere Analyse und Planung auf Fabrikebene nach vorn geschickt werden müssen und welche Daten für eine schnelle Kontrolle und Entscheidungsfindung lokal bleiben.

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 einer Kontrolle informieren, basierend auf Meldungen, die aus den Produktionsstätten kommen. Dieser Informationsaustausch kann auch für Maschinenbauer von Vorteil sein: Basierend auf automatischen Berichten, die aus verschiedenen Fabriken eintreffen, planen sie die Wartung, ersetzen Details im Voraus und bieten so einen besseren Kundenservice, der Kunden vor lästigen und teuren Ausfallzeiten bewahrt.

Sicherheit von Maschinendaten

Das wichtigste 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%), während Konnektivität (21%) und Datenerfassung und -analyse (19%) nur die nächsten beiden Plätze einnehmen. Gartner berichtet, dass die Ausgaben für IoT-Endpunkt-Sicherheitslösungen bis 2021 auf $631 Mio. steigen werden. Die Öffnung von Produktionsanlagen für die Welt erfordert entsprechende Schutzmaßnahmen.

Von OPC zu OPC Unified Architecture

Seit Ende der 90er Jahre wurde die Produktionsautomatisierung um den OPC-Server herum aufgebaut, der die Datenübertragung von einem Gerät zu einem Bedienercomputer im Kontrollraum ermöglichte, unabhängig davon, ob die Hardware und die Software vom selben Anbieter stammten oder nicht: Das OPC-Protokoll standardisierte die Kommunikation und sorgte für einen Durchbruch in der Fertigungsautomatisierung. OPC verwendet das Microsoft Distributed Component Object Model (DCOM), das Teil des Windows-Betriebssystems ist. Anfang der 2000er Jahre gab das Protokoll den Startschuss für die industrielle Automatisierung und ermöglichte Fabriken den Übergang zu einer sichereren, genaueren und kostengünstigeren Produktion. Viele Produktionsanlagen auf der ganzen Welt verlassen sich noch immer 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 in Bezug auf die Informationssicherheit nicht zuverlässig.

Aus diesem Grund hat die OPC Foundation auf vielfachen Wunsch der Industrie einen neuen Standard entwickelt - OPC UA. Er basiert auf den Vorgängerversionen, hat aber keine Nachteile und bietet einen völlig neuen Ansatz für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation und die digitale Transformation der Industrie.

Die neuen Funktionen sind:

• 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;
• Einfachere Datenverwaltung und -wartung. Sie können Strukturen oder Modelle verwenden und Datentags oder -punkte gruppieren und ihnen einen Kontext geben. All dies bietet viel mehr Flexibilität und ermöglicht es Ihnen, Ihr Werk abteilungsübergreifend zu verbinden und nicht nur in vertikalen Datensilos zu arbeiten;
• Einfache Integration in SCADA. Ein OPC UA-Server kann ein direkter Teil einer SPS sein, die in ein Gerät eingebaut wird. Das bedeutet, dass Sie keinen OPC UA-Server kaufen und konfigurieren müssen;
• 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 mindestens für C, C++, Java, Javascript(node) und Python verfügbar.
• Kosten- und Zeiteffizienz. Verfügbarkeit von OPC-UA-Konnektoren, die Ihre Echtzeit-Maschinendaten in CRM-, ERP-, BI-, Exchange- und Dokumentenmanagementsysteme wie SharePoint integrieren, um die Planung und Wartung zu verbessern und die Effektivität Ihrer Produktion zu steigern;
• Anbindung an die bestehende Infrastruktur. Verfügbarkeit von Mechanismen für die Migration von OPC zu OPC UA; OPC UA Wrapper.

Wie man anfängt, Maschinendaten für die digitale Transformation zu verwenden

Die Hersteller bezeichnen OPC Unified Architecture als das erste Kommunikationsprotokoll, das die Grenzen zwischen dem Unternehmen und der Fabrikhalle aufhebt. Doch wie lässt sich die Produktion tatsächlich mit den Systemen verbinden, die bei der Verwaltung Ihres Unternehmens helfen?

Customer Relationship Management (CRM), Enterprise Resource Planning (ERP), Manufacturing Execution System (MES), Document Management System (DMS), Business Intelligence (BI)-System, Lagerverwaltungssysteme 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 mit Sicherheit sagen, dass das Leben einer Fabrik in diesen Systemen geplant, analysiert, vorhergesagt und berichtet wird. Und eine vollautomatisierte intelligente Fabrik zu sein bedeutet, dass genaue aktuelle Informationen über den Produktionsprozess jederzeit in diesen Systemen verfügbar sind - für Analysen, rechtzeitige Warnungen, Wartungsbenachrichtigungen usw., 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 teure Arbeit eines Programmierers und 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 nur sehr grundlegende. Zwei bis drei Stunden werden benötigt, um die Integrationsprinzipien zu verstehen, und danach muss nur noch die Logik für die Verbindung der Maschinendaten Ihres Unternehmens mit den Geschäftssystemen erstellt werden.

Vom Gerät zum Unternehmen

Warum müssen Sie Ihre Maschinendaten mit ERP, CRM, 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 Smart Factory nennt.

Da ERP-Anwendungen so viele Aufgaben erfüllen: Auftragsverwaltung und -bearbeitung, Datenerfassung, Planung auf Unternehmensebene, Geschäftsprozessmanagement insgesamt und bei der Verknüpfung mit anderen Systemen, bietet die rechtzeitige Leistung intelligenter ERPs einen großen Vorteil.

Wenn es darum geht, Prozesse zu beschleunigen, manuelle Arbeit und Fehler zu reduzieren und schneller zwischen den einzelnen Arbeitsschritten zu wechseln, ist die Erfassung von Echtzeitdaten so nah wie möglich an der Quelle - von einer bestimmten Produktionslinie oder sogar einem Gerät - revolutionär.

Außerdem unterstützt eine solche Integration den oben erwähnten Kulturwandel, da die Mitarbeiter die neue Technologie bereitwilliger annehmen, wenn sie über eine vertraute Schnittstelle präsentiert wird (und sogar mobilfreundlich ist!). Die Sicherstellung der Benutzerakzeptanz bleibt eine große Herausforderung im IIoT, und die Präsentation 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 Analytik, maschinelles Lernen, Blockchain-Berichtsversiegelung sowie teilautonome und autonome Entscheidungen und Aktionen. All dies kann ein Teil Ihres ERP-Systems sein, das auf der Grundlage mehrerer Quellen und riesiger Mengen kontextbezogener, schneller Daten, die in Echtzeit analysiert und genutzt werden, Materialien bestellt oder Entscheidungen über Lieferungen trifft.

Schlussfolgerung

Vom "Next Big Thing" hat sich IIoT bereits zu einer Forderung für moderne Fabriken entwickelt. Um mit der Konkurrenz mithalten zu können, ist die Verbindung Ihrer Maschinendaten mit den Management-Business-Systemen keine Option mehr. 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.

Über Thomas Berndorfer

Als Serienunternehmer mit mehr als 20 Jahren Erfahrung in der IT-Branche verfügt Thomas Berndorfer über weitreichende Erfahrungen bei der Befreiung von Unternehmen von den Schmerzen der IT-Integration, -Synchronisation und -Automatisierung. Er ist der CEO von Connecting Software.