Integration erwünscht: IT und Automation wachsen zusammen

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Digitale Zwillinge für Produkte, Produktion und Performance

Siemens setzt in diesem Bereich sogar auf ein Konzept mit drei Zwillingen: für Produkte, die Produktion sowie die Produkt- und Produktionsperformance. Der digitale Zwilling ist das exakte virtuelle Modell eines Produkts oder einer Produktionsanlage und entsteht bereits in der Produktentwicklungsphase mithilfe von CAD-Software. Er bildet deren Entwicklung über den gesamten Lebenszyklus ab und ermöglicht die Vorhersage des Verhaltens, die Optimierung der Performance und das Umsetzen von Erkenntnissen aus früheren Design- und Produktionserfahrungen.

Durch die Betrachtung von „What-if“-Szenarien und die Prognose der zukünftigen Performance mit dem digitalen Zwilling lässt sich ein echter Mehrwert erzielen. Denn er schafft eine Verbindung zwischen der virtuellen Welt der Produktentwicklung und Produktionsplanung einerseits sowie der physischen Welt des Produktionssystems und der Produktperformance andererseits. Diese Verbindung ermöglicht es, die in der physischen Welt gewonnenen Erkenntnisse als Hilfestellung für fundierte Entscheidungen während des gesamten Lebenszyklus der Produkte und Produktionsabläufe zu nutzen.

Das Konzept der drei Zwillinge ist durchaus sinnvoll: Das virtuelle Abbild, etwa von Antrieben, enthält sämtliche Daten, die der Simulation und Validierung von komplexen Produkten dienen – inklusive Mechanik, physischem Verhalten, Elektronik sowie Softwaremanagement – dienen. Die Zahl von physischen Prototypen kann so wesentlich reduziert werden.

Simulationsmodell als Basis für eine virtuelle Inbetriebnahme

Die digitale Planung, Simulation und Optimierung der Produktion mit automatischer SPS-Code-Generierung ergibt den digitalen Zwilling der Produktion. Aus der Co-Simulation aus Mechatronik und Automatisierung entsteht ein gesamtheitliches Simulationsmodell, das als Basis für eine virtuelle Inbetriebnahme dient. Fehler- oder Störquellen werden so schon vor dem Betriebsstart erkennbar und können verhindert werden.

Der digitale Zwilling für die Produkt- und Produktionsperformance wird laufend mit Daten aus der Analyse der Produktionsanlagen sowie der Produkte versorgt. Auf Shopfloor-Ebene stehen durch die tiefe Durchdringung mit integrierten Automatisierungskomponenten alle relevanten Daten zur Verfügung.

Zentrale Verwaltung der Ressourcen und Produktionsdaten

Der Pneumatik- und Automatisierungsspezialist SMC nutzt den digitalen Zwilling für den Blick in die Zukunft: Der Zwilling ist erst einmal das virtuelle Abbild eines physischen Systems, aber er ist damit auch funktionsfähig und kann mit geringem zeitlichen Versatz zum realen System werden. Taucht ein Fehler auf, beispielsweise ein Kabelbruch, wird er detektiert und schnell an den Instandhalter gemeldet. Der wiederum hat dann bei der Wartung über den digitalen Zwilling gleich Zugriff auf alle produktspezifischen Informationen (CAD-Daten, Handbücher, Bestellinfos).

Durch die Vernetzung der Maschinen miteinander und mit den überlagerten Systemen wird eine zentrale Verwaltung der Ressourcen und Produktionsdaten möglich. Auftragsdaten werden unternehmensweit zugänglich und so lässt sich beispielsweise eine optimale Strategie dafür finden, in welchem Werk eines Unternehmens welche Aufträge gefertigt werden sollten. Ausserdem können Materialbestände, Logistikprozesse oder die Werkzeugverfügbarkeit rasch überblickt und effizient koordiniert werden.

Genauso interessant sind die Potenziale, die der digitale Zwilling durch die bessere Dokumentation von Fertigungsprozessen und Produktionsparametern im Qualitätsmanagement bietet. Wenn ein Hersteller genau weiss, welches Bauteil mit welchen Merkmalen in welchem seiner Produkte wie verbaut worden ist, kann er zielgerichtet auf eventuelle Probleme reagieren und Prozesse optimieren.

Eine Cloud für Maschinenbauer hilft bei Wartung und Instandhaltung

Die erste Cloud-Applikation für Maschinenbauer stellt B&R auf der Messe vor. Sie erfasst weltweit und rund um die Uhr Maschinendaten und ermöglicht so einen zuverlässigen Überblick über alle Maschinen im Feld. Maschinenbauer könnten den Optimierungsbedarf erkennen, den Service für ihre Kunden verbessern und neue Umsatzpotenziale erschliessen, verspricht B&R. Zudem zeigt die Cloud-Applikation anstehende Wartungen an und ermöglicht einen massgeschneiderten Wartungsservice.

Gerade das Thema Wartung demonstriert sehr deutlich, wie weit Maschinenbau, Automatisierung und IT bereits ineinander greifen. Nachdem ABB auf der Hannover Messe 2016 den Smart Sensor für die Zustandsanalyse von Niederspannungsmotoren vorgestellt hat, präsentierte Siemens mit Simotics IQ im vergangenen Jahr ebenfalls eine Sensorik-Box, die wichtige Betriebs- und Zustandsparameter erfasst. Auf der diesjährigen SPS IPC Drives wird nun WEG eine montierbare Condition-Monitoring-Lösung names WEG Motor Scan auf den Markt bringen, die wie die vorherigen Produkte Betriebsdaten erfasst. Allen gemeinsam ist, dass diese Betriebs- und Zustandsdaten in einer Cloud gespeichert und analysiert werden. Über eine dafür konzipierte App erhält der Anlagenbetreiber oder Instandhalter die relevanten Informationen, um basierend darauf seine (vorausschauenden) Wartungsmassnahmen zu planen.

Einfacher integrieren und vernetzen

Ein weiterer Ausstellungsschwerpunkt von Siemens ist die Digitalisierung auf der Feldebene: Mit seinem Prozessleittechnik-System Simatic PCS 7 V9.0 soll die anlagenweite Digitalisierung Einzug halten. Die Basis hierfür ist der Industrial-Ethernet-Standard Profinet. Dieser schafft die Voraussetzungen für eine leistungsfähige, anlagenweite Kommunikation in Echtzeit. Dadurch werden die Voraussetzungen für die durchgängige Diagnose, Überwachung und Auswertung prozessrelevanter Daten geschaffen – unverzichtbar in Zeiten von Big Data. Darüber hinaus lassen sich mit Profinet flexible und einfach skalierbare Netzstrukturen realisieren. Weitere Vorteile sind laut Anbieter „massive Kosteneinsparungen über den gesamten Anlagenlebenszyklus durch deutlich weniger Verkabelungsaufwand sowie die Möglichkeit, die Anlagenverfügbarkeit durch frei skalierbare Redundanz individuell festzulegen“.

Siemens zeigt auf seinem Messestand auch, wie die neue Simatic CFU (Compact Field Unit) die bislang sehr aufwendige Integration von Feldgeräten vereinfachen soll. Die kompakte Hardwareinnovation initialisiert angeschlossene Feldgeräte automatisch und integriert diese ins Prozessleitsystem. Was bisher 30 Minuten kostete, soll nun weniger als eine Minute dauern. Die CFU kombiniert den digitalen Feldbus mit traditionellen I/O und muss nicht im Schaltschrank verbaut werden. Denn genau dort ist Platz auch immer Mangelware, weiss der Praktiker.

Digital zum Schaltschrank

An diesem Punkt setzen auch Rittal und Eplan an: Am Beispiel einer Schaltschrank-Verdrahtung zeigen die Unternehmen auf der SPS IPC Drives, wie der Produktherstellungsprozess im Steuerungs- und Schaltanlagenbau durch Digitalisierung, Standardisierung und Automatisierung industrialisiert werden kann. Anschaulich präsentiert wird der Weg vom Schaltplan über die Planung der Verdrahtung in 3D, die automatische Fertigung der Einzeldrähte und schliesslich der Installation und Prüfung.

Ziel ist, sowohl die Produktivität als auch die Qualität zu steigern. Dabei stellen die Unternehmen integrierte Lösungen entlang der Wertschöpfungskette vor: von der Bereitstellung digitaler Artikeldaten und Produktkonfiguratoren über den Engineering- und Arbeitsvorbereitungsprozess, in dem der digitale Zwilling des Schaltschranks entsteht, bis hin zur digital angebundenen Produktion.

Cyberangriffe: IoT-Anwendungen im Visier der Hacker

Das Internet der Dinge (IoT) basiert auf einer Technologie, die bereits millionenfach in Anwendungen im Einsatz ist. Gerade in der Industrie finden Hacker zahlreiche Ziele, die sie immer öfter ins Visier nehmen. Cyberangriffe sind inzwischen an der Tagesordnung. Der Schutz von IoT-Umgebungen wird somit zu einer grossen Herausforderung für IT-Führungskräfte, die sich derzeit mit dieser Technologie auseinandersetzen. Denn mit der Anbindung von Maschinen und Anlagen an die Unternehmens-IT sind auch diese Bereiche in Gefahr. Hacker können Daten manipulieren und somit Teile der Produktion lahmlegen.

Entscheidend für den Erfolg der meisten IoT-Implementierungen, von der vorausschauenden Wartung bis zur Prozessautomatisierung, ist die Fähigkeit, Maschinen mit der Cloud zu verbinden. Dabei handelt es sich um die Verbindung zwischen der Betriebstechnik, also dem OT-System (Operational Technology = Maschinen), und einem IT-System, in der Regel einer Cloud. Diese Verbindung ist anfällig, wie bei den meisten bisherigen IoT-Sicherheitsvorfällen deutlich wird. Eine sichere Alternative ist es, wenn die IoT-Konnektivität ohne TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), also „ohne Internet“, erfolgt. Das ist mit dem heutigen Mobilfunknetz GSM (2G und 3G) bereits möglich. Die Mobilfunkindustrie hat inzwischen auch den neuen Standard 5G eng mit dem Internet der Dinge verknüpft, um den Netzausbau zu forcieren. Mit der Implementierung dieser Technik wird es einfacher, IoT-Anwendungen mit dem Mobilfunknetz zu verbinden. Ein Vorteil ist, dass 5G flächendeckend verfügbar sein wird.

Besonderer Fokus auf die Sicherheit im Netz

Das häufigste Protokoll für IoT-Netzwerkverkehr ist MQTT (Message Queue Telemetry Transport), das für M2M-Telemetrie (Machine to Machine) in Umgebungen mit geringer Bandbreite entwickelt wurde. Per MQTT lassen sich kleine Datenmengen schnell, sicher, zuverlässig und kostengünstig versenden. Die Konnektivitätslösung unterstützt auch uneingeschränkte bidirektionale Kommunikation. Dies ermöglicht das Realisieren kompakter, energieeffizienter Geräte, die bereits heute ein weitreichend verfügbares globales Netzwerk nutzen können. Entwickler von IoT-Geräten können somit entscheidende Konnektivitätshürden überwinden, die viele IoT-Projekte bislang ausgebremst haben. Eine solche Lösung ist laut Experten deutlich sicherer als Cloud-Anbindungen: Keine Mobilfunkdaten bedeuten auch kein TCP/IP, was die Cybersicherheit erhöht und eine sicherere Verbindung ermöglicht.

Siemens geht dabei einen anderen Weg und setzt auf „Defense in Depth“. Dies ist eine Lösung, die industrielle Anlagen auf mehreren Ebenen umfassend gegen externe wie interne Angriffe schützt. Netzwerksicherheit beinhaltet die Kontrolle aller Schnittstellen, wie beispielsweise zwischen Büro- und Anlagennetz, oder die Kontrolle der Fernwartungszugänge zum Internet und kann mittels Firewalls und dem Aufbau einer sicherheitstechnisch abgeschirmten Zone (DMZ = demilitarisierte Zone) erfolgen.

Dieser Beitrag ist zuerst auf unserem Partnerportal maschinenmarkt.vogel.de erschienen.

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