Durch die Vernetzung der Betriebs- und Anlagentechnik mit IT-Systemen entstehen auf dem Weg zur Industrie 4.0 neue Herausforderungen etwa bei Sicherheit und Interoperabilität. Mit der passenden IT-Infrastruktur lassen sich viele davon in den Griff bekommen – und gleichsam ein Grundstein dafür legen, vom Marktpotential des Industrie 4.0-Trends und dem 'Internet of Everything' zu profitieren.

Bild: Cisco

Selbststeuernde Prozesse, die automatisch auf neue Anforderungen reagieren, das verspricht Industrie 4.0. Und bereits jetzt wird praktisch alles mit jedem verknüpft: Prozesse, Daten, Objekte und Menschen. Damit verbundene Technologien werden etwa von Cisco unter dem Schlagwort Internet of Everything (IoE) bezeichnet und könnten in Deutschland bis 2022 ein Wertschöpfungspotenzial von etwa 700 Milliarden Euro bieten. Alleine in der Industrie werden IT-Investitionen in Höhe von 14 Milliarden Dollar bis zum Jahre 2020 vorausgesagt. Doch die allgegenwärtige Vernetzung birgt auch Sicherheitsgefahren, denn schließlich können IT-Angriffe aus dem Internet über die Office-IT- auf die Produktionsnetze gelangen. Um sich davor zu schützen, können Fertigungsunternehmen durchgängige Architekturen einführen, die Informations- mit der Betriebs- und Anlagentechnik verbinden: Ende zu Ende, interoperabel und offen für Lösungen anderer Hersteller.

Flexibel und umfassend

Eine Industrie 4.0 verlangt flexible und umfassende Ansätze. Dazu gehören zum Beispiel eine proaktive Wartung von Maschinen, sichere Fernwartung, hohe Datensicherheit, flexible Produktion, Datenanalyse im Rechenzentrum sowie die Unterstützung mobiler Lösungen. Gerade diese Art der Wartung von Maschinen erfordert die Einbindung der Anlagenbauer in die IT- und Sicherheitsstrategie der Betreiber. Das Ziel ist es, Störungen an Produktionsmaschinen bereits im Vorfeld zu erkennen. Eingebaute Sensoren prüfen ständig deren Daten, bei ersten Abweichungen von Norm- oder Toleranzwerten reserviert das zentrale System etwa automatisch ein Wartungsfenster. Als technologische Basis kann dabei eine Router-Plattform zum Transfer der Sensordaten in das Rechenzentrum dienen. Alternativ aggregieren und analysieren frei programmierbare Router-Plattformen die Daten bereits auf dem Netzwerkgerät und beschleunigen so die Reaktionszeit.

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Beispielsweise nutzen Hersteller von Windkraftanlagen programmierbare Routerplattformen, die in der Windkraftanlage Daten sammeln und über alternative Netzwerkverbindungen zur Auswertung an ein entferntes Rechenzentrum sendet. Hierfür werden oft Router eingesetzt, die neben LAN-Netzwerkverbindungen auch Machine-to-Machine-Prozesse (M2M) auf Basis von 3G/4G-Netzen unterstützen. Die so erfassten Sensordaten stellen wertvolle Informationen für externe Techniker oder die Hersteller dar. Diese können aus den Leistungsdaten im Vorfeld Lösungen entwickeln, die für eine höhere Zuverlässigkeit, optimierte Performance oder exaktere Produktion sorgen. Im Fehlerfall erhalten die Techniker wichtige Informationen und können schon auf dem Weg zur Maschine mögliche Lösungen prüfen.

Technik für Remote-Wartung

Ein Anbieter von Holzverarbeitungsmaschinen nutzt beispielsweise bereits eine programmierbare Routerplatform in Verbindung mit IT-Sicherheitstechnik auf Basis etablierter Technologien für Remote-Wartungszugänge zu den Maschinen, die sich in der Produktion bei verschiedenen Fertigungsbetrieben befinden. Aufgrund der Vernetzung von Herstellung und zentralem Rechenzentrum ist eine Absicherung des Produktionsnetzes auf ähnlich hohem Niveau wie bei IT-Netzen nötig. Dazu dient eine Netzwerk-übergreifende End-to-End-Security, die vom IT- und Produktionsnetzwerk bis zum einzelnen Industrie- und Netzwerk-Switch reicht. Häufig wird noch viel zu wenig zwischen der Unternehmens-IT und den verantwortlichen Betriebs- und Produktionsleitern gesprochen. Die Realisierungsmöglichkeiten von durchgängigen Sicherheitslösungen von der Maschine bis hin zum Rechenzentrum sind oft nicht bekannt. Dabei lässt sich Netzwerktechnologie schon heute durchgängig in den verschiedenen Architekturebenen einer Fabrik einsetzen.

Das betrifft die maschinennahen Switch-Anbindungen auf Basis von Profinet bis hin zu den darüber liegenden Netzwerkarchitekturen. Für die Umsetzung von Industrie 4.0-Umgebungen benötigen Unternehmen eine zunehmend flexible und weitreichende Vernetzung. Industrie-Switches und -Router können hierfür die Produktion mit übergeordneten Multiprotocol Label Switching-Netzen verbinden. Diese unterstützen die verbindungsorientierte Datenübertragung. Konvergente Netzwerkarchitekturen verbinden die IT-Netze mit denjenigen der Betriebe und Produktionen. Es wird somit die Voraussetzung geschaffen, etwa die Produktionslast bei Ausfall einer Maschine auf andere Maschinen umzulenken. Der Vorteil besteht in der weitgehend automatischen Erledigung von Kundenwünschen sowie in der Lastenverteilung zwischen Maschinen. Viele Unternehmen aus dem Maschinenbau, aber auch der Lebensmittelindustrie, setzen Industrie-Switches ein, die konvergente Netzwerkarchitekturen ermöglichen.

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Mobilität abbilden

Fertigungsunternehmen sollten sich darauf vorbereiten, den Trend Mobility für sich zu nutzen. Denn die Unabhängigkeit von Kabeln ermöglicht eine noch flexiblere Vernetzung. Dazu ist jedoch eine Architektur nötig, die einheitliche Security Policy und Management-Werkzeuge für kabellose und -gebundene Systeme bietet. So setzt ein Unternehmen in der Lack-Produktion im deutschen Mittelstand eine ‚gehärtete‘ Wifi-Lösung ein, um eine durchgängige Kommunikation in den Werken zu ermöglichen. Auch international gibt es schon Projektrealisierungen. So hat etwa General Motors eine weltweit integrierte und standardbasierte Plattform für die Entwicklung und Herstellung von Automobilen eingeführt. Damit reduzierte der Hersteller die Ausfallzeit des Netzwerks um 75 Prozent und erzielte Kosteneinsparungen von mehr als 21 Millionen US-Dollar im Bereich Entwicklung sowie 53 Millionen Dollar beim Netzwerkbetrieb. Zudem verbesserte sich nach Aussagen der Fertigungsunternehmens dadurch die Produktqualität.

Dies erreichte der Hersteller durch gemeinsam genutzte Infrastruktur-Komponenten und -Prozesse, automatisiertes Systemmanagement sowie neue Kommunikations- und Kollaborations-Anwendungen. Die Emirates Aluminium Company (EMAL) hat in seiner Aluminiumhütte die Produktion optimiert und den Energieverbrauch gesenkt. Dies erfolgte durch ein übergreifendes Netzwerk sowie den Austausch der Kontrolldaten mit anderen Systemen. Die Herausforderung lag in der Verbindung der einzelnen Netzwerke der verschiedenen Produktionsbereiche, ohne die Sicherheit und Verfügbarkeit zu gefährden. Dies wurde durch die interne Nutzung ‚Demilitarisierter Zonen‘ (DMZ) erreicht, die ansonsten den Schutz nach außen gegenüber dem Internet gewährleisten. Durch den nun verbesserten Informationsaustausch wurde die Effizienz und Flexibilität der Fabrik deutlich erhöht. Werkzeughersteller Stanley Black & Decker wollte hingegen eine höhere Transparenz und Zugang zu Informationen in Echtzeit zur schnelleren Entscheidungsfindung erlangen, weshalb alle physikalischen Objekte einer Fabrik miteinander vernetzt wurden. Das Unternehmen profitiert nun von einer 24 Prozent höheren Gesamteffektivität der Ausrüstung, 80 bis 92 Prozent höheren Nutzung arbeitskritischer Ressourcen, 10 Prozent höheren Durchsatz und einer um 16 Prozent niedrigeren Fehlerrate.

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