Digitalisierungsstrategien Roadmap für die Industrie 4.0 – mit Edge Computing und massgeschneiderten Software-Apps

Ein Gastbeitrag von Uwe Schnepf*

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Die Transformation hin zur Industrie 4.0 ist für Maschinenbauer und Anlagenbetreiber entscheidend für den künftigen Unternehmenserfolg. Ein Mix aus lokaler Lösungskomponente auf Shopfloor-Ebene, kombiniert mit einer globalen Cloud-Integration, ist Schlüssel zum Erfolg.

Um wettbewerbsfähig zu bleiben, sollten Maschinenbauer und Anlagenbetreiber die Vernetzung ihrer Produkte und Produktionswege jetzt vorantreiben.
Um wettbewerbsfähig zu bleiben, sollten Maschinenbauer und Anlagenbetreiber die Vernetzung ihrer Produkte und Produktionswege jetzt vorantreiben.
(Bild: GettyImages-926845394/ Monty Rakusen)

Massive Probleme in den bestehenden Lieferketten durch Corona-Nachwirkungen, die Sicherung der gestörten Energie- und Vorproduktversorgung durch den Ukraine-Krieg und ein lähmender Mangel an Fachkräften: Deutsche Maschinenbauer und Anlagenbetreiber stehen bereits seit längerer Zeit vor grossen Herausforderungen, derzeit spitzt sich die Lage jedoch massiv zu. Das steht dem erforderlichen Innovations- und Service-Potenzial der Unternehmen im Weg. Fehlende Zeit für die dringend anstehende Digitalisierung der Produkte und Produktionsstrassen, aber auch die drohenden Gefahren hinsichtlich möglicher Cyber-Attacken auf ihre Betriebe und ihr Know-how rücken immer mehr in den Fokus der Aufmerksamkeit. Hier herrscht dringender Handlungsbedarf. Die Vorteile neuer Digitalisierungs- und Vernetzungstechnologien haben die meisten Industrieunternehmen dabei längst erkannt: Eine hochautomatisierte und damit schnellere Produktion ermöglicht eine frühere Marktreife für innovative Produkte und befähigt Unternehmen, völlig neue Märkte zu erschliessen. Der Schlüssel dazu liegt in der Vernetzung von physischen Objekten im industriellen Zusammenhang – untereinander sowie mit dem Internet. Der so entstehende digitale Zwilling der Fertigung schafft volle Transparenz und höhere Effizienz durch das Erfassen und Analysieren der Maschinendaten via Edge-Computing-Systeme.

In fünf Schritten in die Industrie 4.0

Um nicht den Anschluss an die internationale Konkurrenz und damit ihre Existenzgrundlage zu verlieren, müssen insbesondere mittelständische Unternehmen trotz Fachkräftemangels und fehlender Ressourcen die Digitalisierung und Vernetzung ihrer Produkte und Produktionswege vorantreiben. Bewährt hat sich, verstärkt auf vorhandene Lösungen am Markt zu setzen, anstatt die Entwicklung selbst in die Hand nehmen zu wollen. Dabei sollten Unternehmen jedoch darauf achten, dass sie nicht geschlossene und damit potenziell teure Systeme auswählen, sondern auf offene, skalierbare Lösungen setzen − etwa nach einem Software-as-a-Service (kurz: SaaS)- und Pay-as-you-Grow-Modell. Eine Best Practice Roadmap macht deutlich, wie sich der Weg zur Industrie 4.0 in der Praxis umsetzen lässt und wie Unternehmen es schaffen können, ihren bestehenden, heterogenen Maschinenpark schnell und effizient zu modernisieren.

Schritt 1: Sichere Konnektivität herstellen

Neue Industriemaschinen werden heute von Werk aus mit vorinstallierten IO-Link-Sensoren und sogenannten Mastern ausgeliefert. Letztere schliessen die Sensoren an übergeordnete Systeme und Steuerungen an und übertragen die erfassten Sensorwerte. So entsteht Konnektivität. Bewährt haben sich Industrie-taugliche Edge Gateways, die die Sicherheitsanforderungen an eine OT/IT-Integration erfüllen und über mindestens zwei getrennte Ethernet-Ports verfügen, um die Vernetzung sicher zu gestalten. Für die Millionen bereits in den Fabrikhallen weltweit stehenden Werkzeugmaschinen, die noch nicht digitalisiert sind, bietet sich eine nachträgliche Ausstattung im laufenden Betrieb mit IO-Link-Systemen an, um wichtige Betriebsdaten zu erfassen und diese Maschinen in die digitalisierte Produktion eines Industrieunternehmens zu integrieren. Auch hier zeigt sich die weltweit standardisierte IO-Technologie nach IEC 61131-9, IO-Link, für die Kommunikation mit Sensoren und Aktoren als bestmögliche Lösung. Mittlerweile gibt es über 21 Millionen installierte IO-Link-Knoten des Sensor-Standards. Entsprechende Lösungen wie etwa Easy Edge von Q-Beyond sollten idealerweise als Software-as-a-Service-Modell, genutzt werden und mit der passenden Hardware die notwendigen Bausteine mitbringen, um im Firmennetz vorhandene IO-Link-Systeme einfach und schnell zu erkennen und die angeschlossenen Sensoren und Aktoren zu nutzen.

Schritt 2: Maschinenprotokolle verstehen

Maschinen kommunizieren via Steuerungsprotokoll mit den jeweiligen Sensoren und Aktoren. In heterogenen Maschinenparks existiert oft eine Vielzahl von Steuerungsprotokollen wie Profinet, Profibus, Canbus oder Ether Cat. Bei der Einführung von Edge Computing als Integrationsebene sollten Unternehmen darauf achten, dass die eingesetzte Software diese Maschinenprotokolle unterstützt. Ansonsten entsteht auch softwareseitig eine Vielzahl an Lösungen, die integriert werden müssen – und das bedeutet einen hohen Einarbeitungs-, Support und Pflege-Aufwand – und damit Mehrkosten. Hier haben sich Edge Gateways sowie hoch-automatisierte IO-Link-Apps bewährt, die auf diese Edge Gateways ausgerollt, im Selfcare-Modus von den Anwendern betrieben werden und alle Maschinenprotokolle verstehen können.

Schritt 3: Daten lokal speichern und verarbeiten

Längst nicht alle von Sensoren gesammelten Daten müssen und können in die Cloud übertragen werden. Die Praxis zeigt, dass eine Vorverarbeitung und Speicherung auf dem Edge Gateway Datenmengen reduziert, die Bandbreite schont und Übertragungs- und Cloudkosten spart. Mit dem Open-Source-Datenbankmanagementsystem Influx DB lassen sich Zeitreihen effizient verarbeiten, Daten lokal abspeichern und verfügbar halten. Wollen Unternehmen zusätzlich bestimmte Sensorwerte in die Cloud übertragen, sollte dies durch Standard-Konnektoren einfach zusätzlich aktiviert werden können.

Schritt 4: Transparenz durch Visualisierung der Prozesse schaffen

Komplexe Sachverhalte und Zusammenhänge lassen sich mit Hilfe von interaktiver Dashboards visualisieren. Hier bieten sich Open-Source-Werkzeuge an, um Prozesse anschaulich darzustellen. Edge Gateways können unterschiedlichste Steuerungsdatenpunkte lokal auslesen, speichern und in Echtzeit visualisieren. Die Übertragung der Daten in die Cloud und der Remote-Zugriff auf das Edge Gateway sollten über abgesicherte VPN-Verbindungen bereitgestellt werden. Virenscanner und geschützte Datenbereiche für den Datenaustausch zwischen Firmennetzwerk und Cloud-Anbindung schützen zusätzlich vor Cyber-Gefahren. Bei Bedarf lässt sich die VPN-Anbindung des Edge Gateways einseitig unterbrechen, während die auf dem Edge Gateway laufenden Anwendungen aktiv bleiben und über das lokale Firmennetzwerk weiterhin einsehbar und nutzbar sind.

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Schritt 5: Daten analysieren und Regelsysteme entwerfen

Sind alle Vorbereitungen getroffen, kann mit den genannten Werkzeugen die eigentliche Analyse der Daten beginnen. Zunächst sollten Maschinenbauer und Anlagenbetreiber dafür Regeln für Grenzwerte definieren, die nicht über- oder unterschritten werden dürfen. Alarme für Grenzwertverletzungen lassen sich mit E-Mail oder Webhooks einrichten. Auch hier unterstützen Lösungen wie Grafana, diese Regeln auf Basis der von der Maschinensteuerung ausgelesenen Datenpunkte zu definieren und damit beispielsweise eine Zustandsüberwachung der Maschine zu ermöglichen. Ausserdem lassen sich Schwellenwertüberschreitungen anhand einzelner oder kombinierter Sensordaten feststellen oder über die Betrachtung der Produktion optimieren. Sofern die Komplexität der Anlage es erfordert, Regelsysteme nicht einfach manuell zu definieren sind oder eine lernende Korrelation zwischen zahlreichen Datenpunkten nötig ist, kann auch eine KI zur Anomalie-Erkennung eingesetzt werden. Eine interaktive Weboberfläche auf dem Edge Gateway zeigt im Remote-Zugriff weltweit die verfügbaren IO-Link-Komponenten sowie deren Messwerte an.

Lokale Lösung und Cloud-Integration geschickt kombinieren

IO-Link und insbesondere Lösungen wie Easy Edge des IT-Dienstleisters Q-Beyond bieten Maschinenbauern und Anlagenbetreibern den Vorteil, sowohl neue Industriemaschinen als auch bestehende Anlagen umfassend zu digitalisieren, ohne dabei das Firmennetzwerk anpassen zu müssen. Über die genutzte Container-Technologie für das Ausrollen und die Inbetriebnahme einer IO-Link-App − aber auch weitere darauf aufbauende Standard- und firmenspezifische Anwendungen wie Datenbanken, Visualisierungswerkzeugen, Cloud-Konnektoren − kann jeder beliebige Use Case wie Remote Service, Condition Monitoring, Predictive Maintenance oder auch Pay-per-use realisiert werden. Gleichzeitig bleibt der Aufwand vergleichsweise gering. Unternehmen sind gut beraten, hier auf offene, skalierbare Lösungen – basierend auf SaaS oder Pay-as-you-Grow − zu setzen. So gelingt ein ausgewogener Mix aus lokaler Lösungskomponente auf Shopfloor-Ebene verbunden mit einer globalen Cloud-Integration.

Industrie 4.0 entscheidet über Zukunftsfähigkeit

Die Transformation hin in die Industrie 4.0 ist gerade für mittelständische Maschinenbauer und Anlagenbetreiber eine Herausforderung. Für ihre Zukunftsfähigkeit ist sie letztlich aber unumgänglich. Anstatt den Kopf in Sand zu stecken, sollten Unternehmen jetzt entschieden handeln. Dabei ist es keineswegs notwendig, sofort den ganzen Maschinenpark in einem Zug zu digitalisieren. Besser sollten kleinere Pilot-Projekte geplant und Schritt für Schritt umgesetzt werden. Entscheidend sind ein strukturiertes Vorgehen, Proofs of Concept und das Ableiten von Learnings aus den ersten Gehversuchen in der Industrie 4.0 für weitere Projekte. Dann gelingt die erfolgreiche Digitalisierung und Unternehmen profitieren von einer hochautomatisierten und schnelleren Produktion.

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal industry-of-things.de

* Uwe Schnepf ist Leiter Branchenlösungen Industrial IoT & Strategische Partnerschaften bei Q-Beyond.

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