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Fusion von Produktion und IT

Die vernetzte Fabrik

Die internetbasierte Digitalisierung der Fertigung schreitet voran. Zusammen mit der Herausforderung, Daten aus Automation, Leitsystem und Lieferkette 'unter einen Hut' zu bringen, steigen bei dieser Entwicklung hin zur Industrie 4.0 auch die Anforderungen an die Sicherheit in immer umfassenderen Produktionsnetzwerken.

Bild: Inqu Informatics / matspersson0, istock.com

Mittels computergesteuerter Produktionsprozesse konnte die verarbeitende Industrie in den letzten Jahrzehnten ihre wirtschaftliche Leistungsfähigkeit enorm steigern. Mittlerweile sind Fertigungsprozesse hochautomatisiert, gleichzeitig schreitet die internetbasierte Digitalisierung voran. So ist die finale Fusion von Produktion und IT das Trend-Thema der Branche. Begriffe wie Industrie 4.0 oder Integrated Industry bezeichnen die branchenübergreifende, digitale Vernetzung aller Bereiche der Industrie – und damit die Chance auf eine historische Technologiezäsur. Im Zeitalter der Smart Factory soll dann die gesamte Fabriksteuerung – von der Automatisierung über produktionsnahe IT bis zur Unternehmenssoftware – über das Internet laufen. Dabei bleiben kürzere Innovationszyklen und ein Maximum an Flexibilität bei gleichzeitig steigender Individualisierung von Produkten in einer global vernetzten Welt entscheidende Wettbewerbsfaktoren.

Um Arbeitsprozesse im hochdynamischen Produktionsumfeld effizienter und ressourcenschonender zu gestalten, rücken mit der steigenden IT-Durchdringung auch digitale Schnittstellen und internetbasierte Kommunikationswege in den Fokus: Sei es bei der Vernetzung mit Manufacting Execution Systemen (MES) zwischen Produktions- und Managementebene oder – Stichwort Smart Factory – bei interagierenden intelligenten Werkstücken, Bauteilen, Maschinen und Anlagen, die sich in sogenannten cyber-physischen Produktionssystemen (CPPS) organisieren. Wenn künftig Bauteile den Maschinen mitteilen, wie sie bearbeitet werden sollen, tauschen die Erzeugnisse Daten in Echtzeit gegebenenfalls auch über das Internet aus.

Semantische Beschreibungen im Automatisierungsnetzwerk ermöglichen dann die automatische Verknüpfung des benötigten Werkstückes. So lassen sich auch Informationen zu Produkt und Fertigungsmitteln transportieren, um daraus automatisch Produktionsprozesse oder Dienstleistungen abzuleiten. Ein ‚digitales Produktgedächtnis‘ sichert dabei die Dokumentation über den Herstellungsprozess sowie den Produktlebenszyklus einschließlich intelligenter Komponenten, die z.B. Verschleiß frühzeitig erkennen und die Instandsetzung initiieren.

Intelligente Verfahren für Monitoring und Analyse

Die zunehmende Dynamik und Komplexität der Produktionsprozesse innerhalb solcher Smart Factories machen es notwendig, intelligente Verfahren zur Überwachung, Analyse und Steuerung einzusetzen. Über CPPS kommunizierende Werkstücke und Maschinen sollen dabei eigenständig den Fertigungsprozess kontrollieren. Schon heute ermöglichen beispielsweise RFID-Chips die automatische Identifizierung und Lokalisierung von Gegenständen via Funksignal. Das Beispiel zeigt: erste Bausteine für eine selbstorganisierende Produktion stehen zur Verfügung. Die Innovation besteht darin, die Teilbereiche so miteinander zu verknüpfen, dass eine Integration entlang der Wertschöpfungskette auch über ganze Produktionseinheiten hinweg entsteht. Das Werkstück, welches in der Fabrik der Zukunft weiß, was mit ihm bereits gemacht wurde und was künftig noch passieren soll, steht dabei im Mittelpunkt des Konzepts. Informationen, welche vorher auf dem zentralen Rechner der Fertigungsanlage gespeichert waren, sind dann direkt mit dem Bauteil verknüpft – die Fabrik kann so auf Produkte, Maschinen und Lagersysteme zurückgreifen, die über Eigenintelligenz und Kommunikationsfähigkeit verfügen. Neben Produktivitätsgewinnen sollen Produkte auf diese Weise mit einem hohen Grad an Individualisierung hergestellt werden können – wie in der vorindustriellen Fertigung.

Die Schattenseiten der schönen, neuen Netzwelt

Kritiker allerdings warnen vor dem Spionage-Risiko, das mit der vollständigen Vernetzung innerhalb der Werkhalle und zwischen digitalen Fabriken einhergeht. Setzen Unternehmen ausschließlich auf internetbasierte Technologien, gehen sie ein hohes Risiko ein, Ziel von Hacker-attacken, Viren und Trojanern zu werden. Daher stellt sich die Frage, welche alternativen Technologien für eine sichere Vernetzung infrage kommen. Eine Möglichkeit für die Kommunikation innerhalb der cyber-physischen Produktionssysteme ist die Feldbus-Technik. Dieser Master-Slave-Ansatz ist jedoch für die Kopplung zwischen CPPS, Produktionsbereichen oder ganzen Fabriken nicht geeignet.

Werkhallenübergreifende Kommunikationsplattform

Hier bietet ein Enterprise Service Bus (ESB), wie ihn etwa die Inqu Informatics GmbH anbietet, als Integrationsebene eine Alternative. Durch diese softwarebasierte Verbindung von Anwendungen und Datenformaten lässt sich etwa eine Kopplung zwischen MES und Supply Chain Management (SCM) herstellen. Auch Informationen von Messgeräten oder Steuerungen können in die Plattform einfließen; derzeit stehen dafür konfigurierbare Konnektoren für OPC und Modbus zur Verfügung. Im Gegenzug können etwa XML-Nachrichten protokollunabhängig vom System an die Linie gesendet werden. Jeder Teilnehmer kann dabei gleichzeitig Sender und Empfänger sein.

Da die Verbindung zwischen Teilnehmer und ESB über spezifische Konnektoren hergestellt wird, lässt sich für jede Anwendung oder Datenquelle eine Businesslogik definieren – beispielsweise um Statusinformationen einer Maschine im Hallenlayout anzuzeigen. Der Ansatz lässt sich auch für die Prozesssteuerung nutzen, etwa um beim Erstellen eines Auftrags das richtige Teil im richtigen Takt an die passenden Maschine zu liefern. Dabei stehen die Nachrichten aller Datenkonsumenten im gleichen Moment zur Verfügung, sobald der Datenlieferant die Informationen auf die Plattform legt. Der Bus verarbeitet auch proprietäre Dateiformate oder Textdateien. Dazu muss die Lösung jedoch projektbezogen angepasst werden.

Sicherer Echzeitzugriff auf das gesamte Netzwerk

Steuerungs- und Analyseprogramme für beispielsweise Qualitätssicherung und Feinplanung können somit parallel und in Echtzeit mit Daten versorgt werden. Die resultierenden Steuerungsdaten lassen sich auf die gleiche Art und Weise nahezu synchron an die angeschlossenen Produktionssysteme übergeben. Da die Bus-Instanzen kaskadiert werden können, lassen sich auch verschiedene Produktionsbereiche beziehungsweise Fabriken miteinander koppeln. Anders als die internetbasierte Kommunikation über herkömmliche Webtechnologien gestattet der Rückgriff auf die klassischen Wege der Industriekommunikation dabei eine sichere Übertragung von Daten.

Dessen ungeachtet wird sich erst in Zukunft zeigen, ob sich die vierte industrielle Revolution mit ihrer Vision von der Smart Factory durchsetzen kann – ungeachtet ihres beträchtlichen Potenzials zur Prozessoptimierung. Erahnen lässt sich aber schon jetzt, dass die Fusion von Produktion und IT eine neue Stufe der wirtschaftlichen Entwicklung bedeuten kann, die Fertigungsunternehmen und industrienahen Dienstleistern neue Perspektiven eröffnet.

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