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IIoT-Lösungen auslegen und integrieren

Auf die Interoperabilität kommt es an

Lösungen rund ums IIoT adressieren vielfältige industrielle Anwendungsbereiche. Um von der Plattform zum Management von Sensoren und Aktoren bis hin zur integrierten Manufacturing Plattform die passende zu finden, sollten sich Firmen zunächst ein Bild von der Standardisierung im IT/OT-Umfeld verschaffen. Erst mit dieser Einordnung auf allen Ebenen der Automatisierungspyramide lassen sich die Anforderungen an das eigene IIoT definieren.

Die verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide (Bild: Unity AG)

Die verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide (Bild: Unity AG)

Die Operational Technology (OT) ist auf dem Weg zur Industrie 4.0 in den vergangenen Jahren schnell und nicht immer einheitlich gewachsen. Hintergrund dieser Heterogenität ist, dass die Hersteller der einzelnen Komponenten unabhängig unterschiedliche Technologieentscheidungen zur Integrationsfähigkeit getroffen haben. Diese unabhängigen Entscheidungen führen auf Anwenderseite zu der Herausforderung, diese unterschiedlichen Technologien mit teilweise erheblichem Aufwand in die eigene OT-Landschaft zu integrieren und in dieser zu betreiben. Auf den verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide ergeben sich Ansätze und Standards, die diese Integrationsaufgabe erheblich erleichtern. Der Artikel betrachtet insbesondere die Integration von Layer 2 bis Layer 4, bevor die Integration der IIoT-Lösungen selbst behandelt werden.

Einheitliche Datenmodelle mit OPC UA

Für die Vereinheitlichung der Kommunikation ist OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) der Defacto-Standard. SCADA-Komponenten (Supervisory Control and Data Acquisition) unterstützen OPC UA teilweise nativ. Komponenten, die dies nicht tun, jedoch wegen ihrer hohen Nutzungsdauer noch länger im Einsatz bleiben, können über schlanke Adapter-Lösungen für OPC UA befähigt werden. OPC UA bietet dabei zwei Vorteile: Erstens vereinheitlicht das Protokoll selbst die Kommunikation. Zweitens werden durch anwendungsspezifische Companion Specifications auch semantisch einheitliche Datenmodelle bereitgestellt. Damit kann abhängig vom Anwendungskontext ein hoher bis sehr hoher Grad an Standardisierung erreicht werden. Zur Anlagen- und Layer-übergreifenden Kommunikation gibt es mehrere Lösungen, die das Prinzip eines Data Integration Layers auf Basis von OPC UA umsetzen. Der Fokus dieser Lösungen liegt auf der Integration von Datenquellen und deren einheitlicher Darstellung für die nutzenden Manufacturing Execution-Systeme (MES). Data Integration Layer stellen also eine standardisierte Kommunikation zwischen MES-Komponenten auf Layer 3 und der SCADA-Welt auf Layer 2 sicher.

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Prozesse mit Micro-Services abbilden

Auf dem MES-Layer ist ebenfalls eine heterogene Welt von Lösungen rund um die Themen Fertigungssteuerung, computergestützte Qualitätssicherung, Instandhaltung usw. entstanden. Klassische Systeme auf diesem Layer bringen Funktionen aus mehreren Bereichen mit und haben verschiedene fachliche Schwerpunkte. Diese Systeme ermöglichen eine modulweise Integration meist nur schwer oder gar nicht. Viele moderne Software-Architekturen setzen auf einen anderen Ansatz. Software wird modularer und über definierte Application Programming Interfaces (APIs) offen und integrationsfähig. Dabei kann die Software zwischen einem komplexen internen Datenmodell und einem zur Integration vereinfachten externen Datenmodell unterscheiden. Über das externe Datenmodell ist es möglich, einen offenen Datenaustausch mit anderen Komponenten zu realisieren. Aus Sicht eines Software-Architekten ist diese Form der Softwarebereitstellung als Micro-Service-Architektur umzusetzen. Jeder Micro-Service stellt eine in sich gekapselte und unabhängige Funktionalität bereit, die sich zur Abbildung von Prozessen mit anderen Micro-Services orchestrieren lässt. Die Software-Anbieter öffnen inzwischen ihre Software für eine offene Integration im Sinne von Micro-Services. Die APIs bieten die Möglichkeit, ereignisbasiert zu kommunizieren. Auf Ereignisse und verbundene Daten eines Micro-Services können sich andere Micro-Services registrieren. Tritt das Ereignis ein, werden die registrierten Abonnenten benachrichtigt und die Daten direkt übergeben.

Streben nach Standardisierung

Um diesen Mechanismus auch in einer komplexen Systemlandschaft skalierbar zu nutzen, kann zusätzlich ein Message Bus eingesetzt werden, der die Ereignisse und Daten entgegennimmt und für eine performante und garantierte Zustellung der Nachrichten in einer verteilten Systemlandschaft sorgt. Die so integrierten Software-Komponenten (Micro-Services) lassen sich über die Einführung einer Integrationsplattform weiter standardisieren. Die Plattform übernimmt in diesem Fall die Basisfunktionen, wie Identitätsmanagement oder Rollen- und Rechtemanagement. Außerdem erfolgt die Bereitstellung der Laufzeitumgebung für Micro-Services auf Basis von virtualisierter Infrastruktur, Containern oder Serverless-Technologien. Der Betreiber der Plattform kann so die Integrationsaufgaben fokussieren. Integrationsplattformen entstehen hier teils domänenspezifisch (Produktion, PDM/PLM, …) oder domänenneutral.


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