Vom IoT zum IIoT

Wie die Sprachhürde in der Fabrikhalle fallen kann

Bisher konnten vernetzte Maschinen und Anlagen nicht so richtig miteinander reden. Das ist jedoch ein Muss, damit Industrie 4.0 funktioniert und sich zügiger verbreitet. Der Weg zur Losgröße 1 führt über eine einheitliche Schnittstelle und ein intelligentes Datenmanagement, wie Jürgen Hamm von Netapp, Dr. Thomas Kuhn vom Fraunhofer IESE und Andreas Bader von Objective Partner erklären.

Industrie 4.0 Symbolbild

Für die Umsetzung des „Industrial Internet of Things” (IIoT) steht das „Internet Of Things” (IoT) Pate, das sich durch ständige Kommunikation auszeichnet.

Nehmen die Datenmengen in einer vernetzten Produktionsumgebung Big-Data-Dimensionen an, müssen Unternehmen diese so ablegen, dass keine Dateninseln entstehen. Denn wenn sich die Daten erst einmal überall im Werk verteilen, kostet es enormen Aufwand, sie wieder manuell für die Auswertung zu integrieren. Je organisierter Daten also vorliegen, desto besser. Deswegen entscheidet vor allem ein intelligentes Datenmanagement darüber, ob sich Geschäftschancen, höhere Produktivität und Wachstum im Sinne von Industrie 4.0 tatsächlich auch erreichen lassen.

Für die Umsetzung des „Industrial Internet of Things” (IIoT) steht das „Internet Of Things” (IoT) Pate, das sich durch ständige Kommunikation auszeichnet. Genau dieser automatische Datenaustausch ist in einer vernetzten Produktionsumgebung nötig, um drei wesentliche Aspekte zu erreichen: kontinuierliches Eingreifen in die Anlagensteuerung, das parallele Abarbeiten von Produktionsaufträgen und das schnelle Aufsetzen einer neuen Produktionslinie. Die Lösung liegt in der dienstbasierten Fertigung, mit der sich auch Losgrößen von 1 wirtschaftlich produzieren lassen.

IoT-Plattformen scheitern am Sprachproblem

Soweit der theoretische Ansatz, dem sich in der Praxis bisher eine sehr hohe Hürde in den Weg stellt. Denn wer eine Fabrikhalle betritt, dem wird auffallen, dass dort Maschinen verschiedener Hersteller und aus unterschiedlichen Generationen stehen. Das resultierende Sprachproblem: Die vernetzten Maschinen nutzen nicht dieselben Kommunikationsprotokolle – sie können nicht miteinander reden.

Zwar gibt es mittlerweile hunderte IoT-Plattformen auf dem Markt, diese räumen die Sprachhürde jedoch nicht aus der Produktionswelt. Viele dieser Lösungen warten mit zwingend erforderlichen Features auf, die für Sicherheit, Compliance und Skalierbarkeit im Betrieb sorgen. In den Angeboten finden sich auch offene Schnittstellen, die das Einbinden verschiedener Datenquellen und Applikationen gestatten sollen. Allerdings fehlt ihnen die entscheidende Fähigkeit, eine einheitliche Geräteschnittstelle für Geräte im Shopfloor einschließlich Produktionsfahrweise und Betriebsmodus zu definieren.

Anforderungen an das Betriebssystem

Fertigungsunternehmen benötigen daher zunächst ein offenes und universelles Betriebssystem, das jede Maschine steuern kann – unabhängig von Technikgeneration, Hersteller und Maschinensprache. Ein solches System muss zudem Produktionsabläufe konfigurieren können, während die Maschinen laufen. Und damit eine Anlage zwei Aufträge parallel ausführt, muss ein Controller entscheiden können, welchen Bearbeitungsschritt ein ankommendes Werkstück als nächstes durchläuft.

Die Anforderungskriterien lassen sich erfüllen, indem das Betriebssystem für jede Komponente in einer Anlagenstrecke eine Verwaltungsschale mit einem digitalen Zwilling nutzt. Bei diesem laufen alle Daten zusammen. Datenmodelle empfangen und strukturieren die Daten. Die Verwaltungsschale beziehungsweise der digitale Zwilling integriert die Teilmodelle, fasst alle Daten zusammen und verknüpft diese zum Beispiel mit dem Werkstück. So lässt sich beim Durchlaufen der Fertigungsschritte die Qualität eines Werkstücks überwachen – und protokollübergreifend Ende-zu-Ende kommunizieren.

Die Dienstnutzer steuern die Fertigung

Ein Industrie-4.0-Betriebssystem muss außerdem jene Prozesse automatisieren, die bisher in den speicherprogrammierbaren Steuerungen der Anlagen codiert sind. Dazu kapselt die Software die Abläufe in Dienste, welche die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) bereitstellt und von den Dienstnutzern abgerufen werden. Wenn sich die Reihenfolge der Dienste für eine neue Fertigungslinie ändern soll, muss man lediglich die Dienstnutzer umprogrammieren. Das ist deutlich effizienter als die Neuprogrammierung einer SPS. Diese muss nur dann umprogrammiert werden, wenn dem System neue Fertigungsdienste hinzugefügt werden.

Wie eine funktionierende IIoT-Umgebung aussehen kann, haben das Fraunhofer IESE, Objective Partner und Netapp im Frühjahr auf der Hannover Messe gezeigt. Ihre gemeinsame Lösung Shopfloor 4.0 startete dort mit dem Anspruch, dass sich mit ihr IIoT-Anwendungen schnell und einfach in der Praxis umsetzen lassen. Hierfür läuft das „Basissystem Industrie 4.0“ (BaSys 4.0) von Fraunhofer IESE in einer Dateninfrastruktur von Netapp, die auf Hyperkonvergenz, Hochverfügbarkeit und Persistenz in Containern setzt. Diese bilden die Umgebung für das Industrie-4.0-Betriebssystem und laufen in einem Kubernetes-Cluster. Zudem wird das Datenmanagement über verteilte Ressourcen inklusive Clouds hinweg vereinheitlicht. Und da Objective Partner die Lösung an SAP-Standard-Prozesse anbindet, ist vom Warenkorb über die Fertigung bis zum Versand alles durchdigitalisiert.

Den Farbwunsch des Kunden abrufbereit haben

IIoT ist nicht gleich IoT, denn IoT-Plattformen unterstützen weder die dienstbasierte Steuerung noch die Nutzung einer einheitlichen Schnittstelle. Dies ist aber notwendig, um beispielsweise auf Attribute des Kundenauftrags wie den Farbwunsch zugreifen zu können. IoT-Lösungen sind allerdings weder mit dem Verwaltungsschalenkonzept noch mit Meta- und Teilmodellen aus der Automatisierungsdomäne kompatibel. Es gibt jedoch Ansätze, mit denen sich die operative Fertigung und die Informationsverteilung bereits jetzt in der Praxis realisieren lassen.

Bildquelle: Thinkstock/iStock

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