Schon heute ist es möglich, die digitale Fabrik zu beschreiben und eine Vielzahl an Daten zu sammeln. Dies gilt auch für die in ihr hergestellten Produkte. Häufig werden diese Daten auch übergreifend zur Verfügung gestellt und dienen zur Umsetzung neuer Geschäfts- und Betriebsmodelle. Dabei spielen Internettechnologien (IIoT - Industrial Internet of Things) bei der Vernetzung als auch bei der Bereitstellung von Technologien (z. B. KI) und Rechenleistung eine führende Rolle.
Welchen Herausforderungen muss smarte Fabriksoftware in Zeiten der Digitalisierung begegnen? Worauf müssen fertigende Unternehmen achten? Und welche Überlegungen sind bei der Nachrüstung von Maschinen zielführend?
(Bild: lightwavemedia / shutterstock.com)
Bereit für die Netzwerkökonomie?
Die Digitalisierung erfordert eine tiefe Integration der Systeme und Prozesse bei stark gestiegenen Anforderungen an die Flexibilität oder Agilität. Die Verbindung von Leistungsangebot und der dazugehörigen Nachfrage kann über Intermediäre (Plattformen, Netzwerke) standardisiert werden. Diese Vermittler können als Markplatz oder als Konnektor agieren. Beispiele dafür sind z. B. der Industrial Data-space (IDS) als Datenraum und Automatisierer von Geschäftsprozessen oder die myOpenFactory-Plattform als standardisierte Schnittstelle zwischen Geschäftspartnern. Eine weitere Kategorie sind auf die Datenübertragung und -speicherung spezialisierten Plattformen für IoT-Devices.
Die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle sowie die Überwachung der Produktionsprozesse oder Logistikaktivitäten erfordern eine Vernetzung mit den remote genutzten Systemen oder Sensoren. Eine Anforderung für die Nutzung von Plattformen bzw. die Kooperation über Plattformen ist die Fähigkeit der Systeme, ihre Funktionen und Daten als Services in einer angemessenen Granularität zur Verfügung zu stellen. Die Services (API) müssen eindeutig beschrieben sein (Input, Funktion, Output). Damit sind dann eine Vielzahl von Anknüpfungspunkten an die Softwarelösung verfügbar und durchgehende Prozesse abbildbar. Die Softwarelösungen der PSI werden schrittweise modularisiert und eventuell vorhandene Einschränkungen für den Betrieb als Plattform für die Produktionssteuerung aufgelöst. Der Prozess ist fortgeschritten und viele Komponenten genügen hinsichtlich Granularität, Unabhängigkeit und Integrationsfähigkeit bereits den Anforderungen eines Plattformbetriebes.
Die Integrationsarchitektur erlaubt die Nutzung lokaler wie entfernter Ressourcen gleichzeitig und völlig transparent. Die vorhandenen Services können bereits heute durch Workflows über ihre APIs verknüpft werden. Bei der Nutzung von cloudbasierten Plattformservices sind einige Einschränkungen zu berücksichtigen, so die Verfügbarkeit und das Zeitverhalten. Kritische Anwendungen sind daher eher ungeeignet für den Betrieb auf Plattformen. Es sind entsprechende Service-Level zu vereinbaren bzw. Fallback-Strategien vorzusehen. Bei potenziell zu erwartenden Echtzeitanforderungen (z. B. Maschinensteuerung) muss das Zeitverhalten und die Quality of Service dazu passen. Zeitkritische Anwendungen können am Rand («Edge») des Produktionssystems als Controller betrieben werden. Die Daten werden dann in eine Private Cloud transferiert und weiter verarbeitet («Fog»). Die Herausforderung besteht in der Synchronisation der Daten auf den verschiedenen Ebenen zwischen dem Produktionsprozess (Maschine, SPS, ...) oder der Nutzung (IoT) und der dazugehörigen Cloud-Anwendung. Themen der weiteren Entwicklung sind hier die Schaffung von Standard-Konnektoren zu beliebigen Applikationen (AaaS – Application as a Service). Mit derartigen APIs können Anwendungen und Dienste in die eigene Softwarewelt integriert werden. Beispiele sind KI-Services oder Informationsabfragen in lokalen bzw. entfernten Systemen. Mittelfristig können dann Smart Contracts und die Benutzung von Distributed-Ledger-Technologien wie Blockchain für die automatische Aushandlung von Verträgen zwischen Anbietern und Nachfragern angewendet werden.
Technologiestandards nutzen
Die Modularisierung von Software und die Nutzung von Integrationstechnologien unterstützt eine wandlungsfähige vernetzte Produktionsumgebung. Zu den Herausforderungen einer vernetzten Produktion gehört die Sensorintegration, die horizontale Integration über (autonome) Produktionseinheiten und die vertikale Integration bis in die Cloud. Die zunehmende Modularisierung und Flexibilität bis hin zur Wandlungsfähigkeit der Fertigungssysteme spiegelt sich in den Softwarelösungen für die digitale Fabrik wider.
Die zunehmende Automatisierung der Prozesse bis hin zu einer zukünftigen Aushandlung von «Lieferverträgen» zwischen Maschinen kann nur funktionieren, wenn alle Partner über die aktuellen digitalen Informationen verfügen. Demzufolge ist es wichtig, die Integration des Shopfloors mit allen Komponenten der Auftragsabwicklung in der digitalen Fabrik voranzutreiben. In diesem Zusammenhang steht auch die Verschmelzung von Produktion und Logistik. «Manufacturing Execution» wird mehr und mehr zu «Manufacturing & Logistic Execution». Generell gilt: Nur mit zeitsynchronen Auftrags-, Produktions- und Maschinendaten gelingt es, auf allen Ebenen Transparenz zu erreichen und die Prozesse zu beherrschen.
Brownfield-Umgebungen: Für Automatisierung ist es nie zu spät
Die entwickelten Fabriken sind produktionsseitig geprägt von gut ausgestatteter Fertigungstechnik mit Standzeiten bis zu 20 Jahren oder mehr. Die hohen Investitionen von Produzenten in die Anlagen müssen sich über längere Zeiträume amortisieren. Dem entgegen stehen die aktuell notwendigen Digitalisierungs-Aufgaben als einer der Treiber für die Aufrechterhaltung der Wettbewerbsfähigkeit. Viele der Systeme verfügen nicht über die Fähigkeiten zur Integration in digitalisierte Produktionsprozesse. Neben der hardwareseitigen Aufrüstung der Technik erfordert die Digitalisierung der Prozesse auch die automatische Gewinnung von Informationen über den Zustand des Produktionssystems (Technik, Aufträge, Qualität, …). Ein freier und ungehinderter Datenfluss von den Anlagen und Systemen in der Fabrik bis zum ERP-System und zurück wird immer bedeutsamer.
Das Dilemma von langen Standzeiten und Amortisationsdauern der Fertigungstechnik sowie kurzfristigen Anforderungen aus der Digitalisierung der Prozesse kann nur aufgelöst werden, indem die Produktion informationstechnisch aufgerüstet wird. Die Neuanschaffung von entsprechender Produktionstechnik ist oft nicht möglich und demzufolge müssen andere Wege gefunden werden, um wettbewerbsfähig zu bleiben und damit die Investitionen der Vergangenheit zu sichern. Die Fabriksoftware muss diesen sogenannten Brownfield-Ansatz unterstützen. Die Aufgabenstellungen lassen sich allerdings nicht nur mit dem Einsatz geeigneter Software lösen. Dies gilt insbesondere bei der Nachautomatisierung von Altanlagen. Dies bedeutet, dass nachträglich Sensorik und ggf. auch Aktoren zur Überwachung und Steuerung der Anlagen eingebaut werden. Nach der Identifikation und Analyse möglicher Prozesse kommt es auf die Strukturierung und die Schaffung der Voraussetzungen an. Mittels Piloten werden Use-Cases verifiziert, abhängig vom Ergebnis kann die Umsetzung der Projekte erfolgen.
Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile
Die PSI Automotive & Industry GmbH bietet die sogenannte PSI iBox an. Hiermit können zum Beispiel analoge und digitale Signale abgegriffen und über den integrierten OPC UA Client/Server an die existierende Softwarewelt übertragen und dort interpretiert sowie weiterverarbeitet werden.
Grundsätzlich sind die PSI-Integrationsinfrastruktur und die nachgelagerten Softwaremodule geeignet, nahezu beliebige Kopplungen zu Sensoren und Aktoren herzustellen. Damit kann die Flexibilität bei Anbindung von Maschinen sichergestellt werden. So können auch existierende Softwaresysteme mit den PSI-Lösungen verknüpft werden. Je nach Anspruch und Zielstellung können die vorhandenen Anwendungen ganz oder teilweise ersetzt oder auch um weitere Funktionsbereiche ergänzt werden.
Ein weiterer Integrationsaspekt ist die integrierte Workflow-Engine als Bestandteil der PSI-Lösung. Damit können, je nach Fähigkeit der vorhandenen Systeme, auch anwendungsübergreifend Prozesse entworfen und implementiert werden. Auch die Menschen sind dabei in die Digitalisierung mit einzubeziehen und müssen angemessen bei der Lösung der Aufgabestellungen unterstützt werden. Auch hierbei können PSI-Lösungen mit mobilen Anwendungen bei der Flexibilisierung der Arbeit helfen.
Das ganzheitliche Konzept der PSI-Lösungen für die digitale Fabrik unterstützt alle Prozesse vom ERP und MES bis zu Visualisierungslösungen (SCADA) und der Maschinenanbindung modular. Damit wird eine stufenweise Erneuerung der digitalen Infrastruktur für die Fertigungssteuerung effizient unterstützt. Eine totale Erneuerung der Softwarelandschaft ist damit nicht zwingend notwendig. Der Brownfield-Ansatz spiegelt die heutigen Gegebenheiten der Fertigungsindustrie in den entwickelten Industrienationen wider.
Publireportage PSI AG Schweiz. Weitere Informationen und Beiträge finden Sie im PSI-Anbieterprofil.
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