GASTBEITRAG von Karl M. Tröger – PSI PENTA

Die Symbiose von Produkt-, Produktions- und Unternehmens-IT

Im folgenden Artikel lesen Sie, wie sich die heutige Softwarelandschaft in Fertigungsunternehmen mit den Anforderungen der Smart Factory verändern wird und welche möglichen Lösungsansätze durch die Auflösung der weitgehend willkürlichen Systemgrenzen denkbar sind. Dabei spielen sowohl die Weiterentwicklung von SCADA- als auch von MDE-Systemen eine zentrale Rolle.

Quelle: Thinkstock – 126835980 – Clownfish Anemone

Die aus der Vision Industrie 4.0 geborenen Ideen einer Smart Factory, der in ihr produzierten Smart Products und nachgelagerten produktbezogenen Smart Services stellen komplett neue Anforderungen sowohl an die Produktionssysteme selbst als auch an die zur Steuerung verwendeten IT-Systeme.

Die Fähigkeit der Produkte zur Vernetzung im Internet der Dinge ermöglicht die Erbringung von produktbezogenen Services auf eine komplett neue Art und Weise. Ein Produkt definiert sich zukünftig nicht mehr nur durch seine physikalischen und technischen Eigenschaften, sondern eben auch durch seine Repräsentanz und Aktivität im Internet der Dinge – und das nicht nur als Enderzeugnis, sondern auch schon auf seinem Weg durch die Produktionssysteme bis zu seiner Fertigstellung.

Status quo

Heutige Softwarelandschaften widerspiegeln die gegenwärtig übliche Trennung der verschiedenen IT-Systeme entsprechend ihrer, eigentlich willkürlich, zugeordneten Aufgabe. Eine Möglichkeit zur Beschreibung dieser Aufteilung stellt die allgegenwärtige Automatisierungspyramide dar. Die Unternehmensleitebene, meistens repräsentiert durch ERP-Systeme, stellt den Rahmen für die Auftragsabwicklung bereit. Diese Systeme sind überwiegend kaufmännisch geprägt. Die Abbildung des Werte- und Warenflusses vom Lieferanten durch die Produktion bis zur Lieferung und Abrechnung stehen im Vordergrund. Die Einplanung von Auftragssituationen erfolgt hinsichtlich der Termine oft relativ grob.

Die Verfeinerung der Planung und die Berücksichtigung realer Produktionsparameter erfolgt in vielen Fällen auf der nächsten Ebene der hierarchisch organisierten Automatisierungspyramide – der Betriebsebene. Hier kommen sogenannte MES-Systeme zur Anwendung. Diese Systeme sind in ihren Fähigkeiten zur Planung einer Produktion sehr viel feingranularer und sollen gleichzeitig für die Durchsetzung der aus der Unternehmensebene kommenden Vorgaben sorgen. Teilweise komplexe Schnittstellen sowohl in die nächst tiefere Ebene (Prozessleitebene) als auch in die ERP-Welt beinhalten eine nicht zu ignorierende Komplexität. Hier sind Anbieter, die sowohl ERP- als auch MES-Systeme aus einer Hand anbieten, klar im Vorteil. Die Umsetzung der Integration zwischen der Unternehmens- und der Betriebsebene ist wesentlich flexibler gestaltbar.

Oftmals befindet sich zwischen der Betriebsebene und der Automatisierungstechnik eine weitere Ebene. Diese dient im Wesentlichen der Visualisierung konkreter Maschinenzustände. Diese als SCADA-Systeme bezeichneten Lösungen sind maschinenbezogen und erlauben die Beeinflussung und Überwachung der aktuellen Betriebsparameter.

Die Steuerungsebene wird durch die Automatisierungstechnik und die angeschlossenen Sensoren und Aktoren repräsentiert. Meistens besteht keine Verbindung zwischen den übergeordneten Planungssystemen und der Automatisierungstechnik. Systeme zur Erfassung von Maschinendaten schließen diese Lücke nur unvollständig, da die erhobenen Daten nicht oder nur selten durchgängig zur Beeinflussung der verschiedenen Planungsebenen genutzt werden.

Exkurs:

SCADA-Lösungen

Mit einer SCADA-Lösung (Supervisory Control And Data Akquisition), z.B. der PSI, steht ein skalierbares Werkzeug zur Erfüllung dieser Aufgabenstellung und für die Visualisierung des Zustands der Fertigungstechnik zur Verfügung. Die Topologie der Fertigung kann auf einfache Weise modelliert und entsprechend des Layouts dargestellt werden. Die notwendige Verbindung mit der Automatisierungstechnik erfolgt z. B. auf der Basis einer Maschinendatenerfassung (MDE).

Die Kopplung mit dem Fertigungsprozess sollte konfigurierbar sein und auf Standardprotokollen und Interfaces (z. B. OPC UA, Web Services, Datenbank-Schnittstellen) basieren. Die erhobenen Daten (Zähler, Messwerte, Zustandsinformationen, Energiedaten oder auch Produktdaten) können nach frei definierbaren Regeln aufbereitet und verknüpft werden. Historische Daten liefern Hinweise über die Stabilität und Verfügbarkeit der technischen Systeme in der Fertigung. Die Auswertung der Maschinendaten von hochentwickelten Sensoren oder der Maschinensteuerung selbst ermöglichen die gezielte Analyse der Fertigungsprozesse. Im Vordergrund stehen dabei Aspekte wie Anlagenverfügbarkeit, Maschinenlaufzeit oder auftragsbezogene Daten wie Mengen, Zeiten oder Qualitätsinformationen. Die fortlaufende Auswertung dieser Daten unterstützt den kontinuierlichen Verbesserungsprozess (KVP). Signale aus dem Produktionssystem können in der MDE- oder SCADA-Anwendung zur automatisierten Auslösung von Instandhaltungsmaßnahmen oder für die präventive Wartung genutzt werden. Die SCADA-Lösung lässt zudem die Definition von virtuellen Datenpunkten zu. Diese stellen eine Verknüpfung mehrerer „echter“ Datenquellen dar. So sind auch komplexere Zusammenhänge der Prozess- und Betriebsdaten einer Anlage darstell- und auswertbar. Mittels hochentwickelter Analytik sind diese Daten zukünftig zur Steuerung des gesamten Produktionssystems nutzbar.

Eine MDE kann die Auftrags- mit den Prozessdaten verbinden. So ist es beispielsweise möglich, die Betriebsparameter einer Maschine konkreten Produkten zuzuordnen. Informationen zur Produktqualität in der Verbindung mit den unmittelbar erhobenen Prozessdaten erlauben die gezielte Optimierung des Produktionsprozesses unter Qualitäts- und Effizienzgesichtspunkten.

Wandlungsfähige Fertigungssysteme

 Die weitere Entwicklung von SCADA-Lösungen geht in zwei Richtungen: Visualisierung von Maschinen,Prozess- und Auftragsdaten in der Verbindung mit einer maschinenorientierten 2D- oder 3D-Darstellung der Produktionsanlagen und die Abbildung der Verortung von Auftrags- und Warenflüssen in einem konkreten Fabriklayout. Die zukünftig erwartete Möglichkeit der dynamischen Umkonfiguration eines Fertigungssystems kann so auf einfache Art und Weise den Prozessbeteiligten vermittelt werden.

Die Entkopplung der Darstellung des Produktionssystems selbst von der Anzeige der Datenpunkte ermöglicht sehr flexible und für unterschiedliche Benutzergruppen anpassbare Visualisierungen. Entsprechend der Rolle eines Benutzers werden die Informationen angezeigt, die der jeweilige Anwender zur Erfüllung seiner Aufgaben im gegebenen Kontext benötigt.

Einer der wichtigsten Treiber zukünftiger Entwicklungen im Segment der Fertigungsfeinplanung und -überwachung wird die notwendige tiefe Integration der Planungs- mit der Prozessebene sein. MDE- und SCADA-Komponenten als „man in themiddle“ zwischen Planung und Automatisierung helfen bei der effizienten und wirkungsvollen Umsetzung zunehmend dynamischerer Anforderungen an die Produktionsprozesse. Atomisierte Nachfrage und damit „Stückzahl Eins“ erfordern neue Steuerungskonzepte der Fertigung.

IT-Systeme in der Smart Factory

Die zu erwartenden Eigenschaften der Smart Factory und der in ihr gefertigten Smart Products erfordern eine neue Herangehensweise an die Planung und Steuerung des Produktionssystems. Die streng hierarchische und zentralistische Organisation ist mit der zunehmenden Dezentralisierung und Autonomie der Fertigungseinheiten nicht zu vereinbaren. Insbesondere Smart Products mit ihren aktiven Kommunikationsfähigkeiten stellen für heutige Systeme große Herausforderungen dar. Diese werden weit über die heutigen Anforderungen passiver Systeme wie z. B. RFID-Technologien hinausgehen. Es handelt sich um ein weiteres in die Systemlandschaft zu integrierendes IT-System. Es geht vor Allem darum, die willkürlichen Systemgrenzen aufzulösen und eine ganzheitliche, alle Komponenten berücksichtigende, Produktionsregelung zu etablieren.

Nicht nur Smart Products stellen neue Anforderungen an die Softwarelandschaft der Fabrik von Morgen. Mehr und mehr hochentwickelte Sensoren werden Daten liefern können, die in kontinuierliche Simulationen des Produktionssystems einfließen. Dieses virtuelle Abbild der Produktion wird die Vorhersage zukünftiger Zustände einerseits und die fortlaufende Überprüfung der aktuellen Performance des Gesamtsystems andererseits erlauben. Es wird zukünftig möglich sein, die Ergebnisse hochentwickelter Analytik für die automatisierte Regelung des gesamten Produktionssystems oder Teilen davon zu nutzen. Die zunehmende Dynamik der resilenten Fabrik wird einen integrativen Ansatz aller beteiligten IT-Systeme notwendig machen.

Die bereits vorhandene und noch zunehmende Kommunikationsfähigkeit der Produktionsanlagen bildet eine weitere Komponente der Smart Factory. Die laufende Abstimmung der Material- und Warenflüsse wird auf Maschinenebene und ggf. zusätzlich ebenfalls unternehmensübergreifend stattfinden können oder sogar müssen. Dazu müssen tragfähige, robuste und insbesondere sichere Kommunikationskanäle geschaffen werden.

Die Möglichkeit der Neukonfiguration eines Produktions-systems in Abhängigkeit vom Produktmix, der Anlagenverfügbarkeit und weiteren Parametern benötigt neue Fähigkeiten der beteiligten IT-Systeme. Diese Dynamik in Verbindung mit den Kommunikationsfähigkeiten der Produkte und Maschinen muss in Produktionssteuerung und -regelung abbildbar sein. Zukünftig wird sich vielleicht sogar das Steuerungsmodell für die Automatisierungstechnik während der Neukonfiguration direkt ableiten lassen.

Integration auf höherem Niveau

Nur das reibungslose Zusammenspiel aller Komponenten auf der Grundlage von flexiblen Standards wird die erfolgreiche Umsetzung der entstehenden Konzepte der Smart Factory und Smart Services ermöglichen. Neue Geschäftsmodelle werden entstehen. Es kommt auf die Integration der Unternehmens-, Produktions- und Produkt-IT auf neuem und ganz sicher höherem Niveau als heute an. Die Aufgaben und mit ihnen die Verantwortlichkeiten werden neu gemischt. Der integrative und zugleich nicht einengende Ansatz ist mit der Symbiose unterschiedlicher Lebewesen in der Natur zu vergleichen. So wie es dort um den gegenseitigen Nutzen oder die Ergänzung fehlender Fähigkeiten geht, müssen sich die IT-Systeme in der Smart Factory ergänzen und quasi eine symbiotische Beziehung eingehen.

Karl-M-Tröger_PSIPENTAKarl M. Tröger
Leiter Produktmanagement
PSIPENTA Software Systems GmbH

Homepage PSI PENTA

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