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Architekturmodell für Fertigungs-IT

Das Internet of Things produktionsnah strukturieren

Über die Rolle von Manufacturing Execution-Systemen in der Industrie 4.0 kursieren gegensätzliche Meinungen: Von 'Industrie 4.0 braucht kein MES' über 'vielleicht heißt MES dann anders' bis hin zu 'ohne MES wird es nicht funktionieren'. Im folgenden Beitrag steht ein Szenario im Mittelpunkt, das eine neue Software-Architektur für produktionsnahe IT und den sich daraus ergebenden Nutzen für produzierende Unternehmen beschreibt.



Die klassische Automatisierungspyramide bröckelt und wird sich mit Industrie 4.0 auflösen. Bild: MPDV Mikrolab GmbH

Aktuelle Diskussionen um Industrie 4.0 kommen meist zum Ergebnis, dass MES-Anwendungen weiterhin von Bedeutung sein werden. Allerdings muss sich die Architektur dieser IT-Systeme deutlich ändern, um den kommenden Anforderungen gewachsen zu sein. Eine Herausforderung ist die wachsende Zahl der Komponenten, die Daten an das MES liefern. Der Anstieg ergibt sich aus den sinkenden Kosten für kommunikationsfähige Sensoren sowie der zunehmenden Vernetzung über das Industrial Internet der Dinge (IIoT). Das stärkt den Bedarf für Anwendungen, die diese Daten verarbeiten – zum Beispiel ein MES. Wann und mit welchen Zielen ein Unternehmen entsprechende Projekte anstößt, könnte eine Frage der Zukunftssicherheit werden.

Neue Konzepte für die Fertigungs-IT

Bislang war bei IT-Systemwelten in Fertigungsunternehmen die klassische Automatisierungspyramide das Maß der Dinge. Mit dem Start der vierten industriellen Revolution ist allerdings immer häufiger die Rede davon, dass sich diese Pyramide auflösen wird. Aber was kommt dann? Ein Netz aus gleichberechtigten Kommunikationsteilnehmern oder eine Wolke aus Sensoren, Aktoren, Maschinen und Apps? Dass sich bereits in der IT bewährte Konzepte wie Cloud-Computing auch in Fertigungsunternehmen durchsetzen werden, gilt als sicher. Allerdings müssen die Anforderungen der Fertigung gesondert betrachtet werden. Die Verlagerung von IT-Systemen in die Cloud, folgend IT-Cloud genannt, wird weder vor ERP- noch vor MES-Systemen Halt machen. Die Vorteile liegen zum Beispiel beim Administrationsaufwand, der Verfügbarkeit, Skalierbarkeit und dem weltweiten Zugriff. Auch die Vernetzung von Werken und Standorten ist mit einer Cloud-basierten Lösung meist deutlich einfacher. Gleichzeitig lässt sich die Vernetzung der IT-Systeme untereinander intensivieren.

Verschiedene Bezugsmodelle



Sichere, standortübergreifende Kommunikation über Private oder Public Cloud (Internet of Things)? Bild: MPDV Mikrolab GmbH

An Standortgrenzen beginnt spätestens die Diskussion zu den Chancen und Risiken einer Cloud. Dabei stehen die Vorteile wie Skalierbarkeit und Verfügbarkeit den Bedenken zur Datensicherheit gegenüber. Immerhin geht es um fertigungsnahe Daten, aus denen man auf Produkteigenschaften und Herstellungsprozesse schließen kann. Je nach Branche kann dieses Wissen wettbewerbsentscheidend sein. Hier kennt Cloud-Computing eine dritte, kombinierte Form: hybrid. Hierbei werden unternehmenskritische Applikationen und Daten in einer private Cloud gehostet und lediglich für einzelne Anwendungen auf die öffentliche (public) Cloud zugegriffen. Die Kommunikation erfolgt über abgesicherte Kanäle.

Echtzeitfähigkeit im Shop Floor

Eine Anforderung an Fertigungs-IT ist die echtzeitfähige Anbindung des Shop Floors, also der Maschinen und Anlagen sowie die Vernetzung der Automatisierungstechnik. Dabei dürfen Meldungen an Maschinen nicht warten, nur weil gerade eine Videokonferenz einen Großteil der verfügbaren Bandbreite belegt. Abhilfe kann eine Trennung des Shop Floor-Netzwerks von der IT-Cloud leisten. Die Architektur im Shop Floor könnte künftig an eine Cloud ’nahe am Hallenboden‘ erinnern. In das Bild passt an dieser Stelle das Konzept der Edge-Cloud, dass immer häufiger auch Fog (Nebel) Computing genannt wird. Eine zentrale Instanz bildet hier das Edge-Gateway, das die Edge Cloud mit der IT-Cloud verbindet. So können Komponenten im Shop Floor in Echtzeit miteinander kommunizieren und gleichzeitig aus der IT-Cloud verwaltet werden. Innerhalb der Edge-Cloud können Daten über echtzeitfähige IP-Kommunikation sowie Protokolle wie Feldbus, Profinet ausgetauscht werden. Dafür muss das Edge-Gateway diese Protokolle verstehen und für Anwendungen aus der IT-Cloud in verständliche Datenpakete umwandeln. In der Gegenrichtung muss das Gateway Kommandos und Meldungen aus der IT-Cloud in die jeweilige ‚Shop Floor-Sprache‘ übersetzen. Somit fällt dem Gateway eine zentrale Aufgabe zu, die je nach Unternehmensgröße von einer oder mehreren Instanzen übernommen wird.



MES-IoT-Architektur: Das Edge-Gateway vermittelt zwischen IT-Cloud und Edge-Cloud. Bild: MPDV Mikrolab GmbH

Intensive Kommunikation

Ein großer Teil der Anwendungen und Daten aus den Anwendungen für Enterprise Resource Planning, Product Lifecycle Management und MES lassen sich in der klassischen IT-Cloud lokalisieren. Für die Shop Floor-Anbindung braucht insbesondere das MES zusätzliche Komponenten und Dienste, die idealerweise auf dem Edge-Gateway laufen. Je komplexer die MES-gesteuerten Abläufe im Shop Floor sind, desto intensiver ist auch die Kommunikation der MES-Dienste in der IT-Cloud mit den echtzeitfähigen Komponenten auf dem Edge-Gateway. Dabei beeinflussen sich diese beiden Teilnehmer nicht, so dass eine Beeinträchtigung der Performance ausgeschlossen ist.

Standards und Sicherheit

Durch die Technologien der IT-Cloud und der Fog-Cloud lassen sich vorhandene Schnittstellen, zum Beispiel zu Maschinen, standardisieren. Das hilft dabei, neue Komponenten, Maschinen und Anlagen einzubinden. Dauert die Einrichtung der Datenübertragung ans MES pro Maschine heute oft noch einen ganzen Tag, sollte eine standardisierte Cloud-Schnittstelle, zum Beispiel auf Basis von OPC UA, diesen Aufwand auf wenige Minuten reduzieren. Dadurch wird es künftig einfacher und kostengünstiger, ein breites Feld an Daten im Shop Floor zu erfassen. So können sich viele Fertigungsprozesse zielgerichteter optimieren lassen. Die Teilung in Edge-Cloud und IT-Cloud bietet eine weitere Möglichkeit: Das Edge-Gateway kann nun Sicherheitsaufgaben erfüllen. Es kann einerseits den Zugriff auf sensible Daten regeln und stellt andererseits sicher, dass von außen nicht manipuliert wird.

Das Beste aus allen Welten



Markus Diesner.
Bild: MPDV Mikrolab GmbH

Die hier beschriebene Architektur berücksichtigt alle beteiligten Systeme und Komponenten und kombiniert gleichzeitig bewährte Technologien. Obwohl die heute bekannten Anwendungen wie MES, ERP-, und PLM-System weiterhin eingesetzt werden, müssen sich ihre Systemarchitekturen verändern. Das hat auch etwas Gutes: historisch gewachsene Altlasten können nun hoffentlich bald über Bord geworfen und durch neue flexible Dienste ersetzt werden. Da der Wechsel zu einer so unterschiedlichen System-Architektur nicht schlagartig ablaufen dürfte, sind MES-Lösungen im Sinne der VDI-Richtlinie 5600 noch immer eine zukunftssichere Wahl für Fertiger, die nach IT-basierten Hebeln für mehr Transparenz und Effizienz auf dem Shop Floor suchen. Zumal noch viele alte Maschinen tadellos ihren Dienst verrichten. Die Vorstellung einer Industrie 4.0 mit alten Maschinen ohne eigene digitale Schnittstelle mag zwar ungewohnt erscheinen, ist aber nicht unmöglich. Gerade in der Übergangsphase können sogenannte intelligente Schnittstellenbausteine helfen, zumindest die nötigsten Daten älterer Anlagen in die digitale Welt des Internet of Things einzubinden. Denn was bringen Visionen von einer digitalen Zukunft, wenn Fertigungsunternehmen aus Kostengründen oder gewachsenen Strukturen auf dem Weg in das neue Zeitalter auf der Strecke bleiben?


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