Industrie 4.0
01.09.2017

5 + 1 Attribute für die Smart Factory

Die vernetzte, intelligente, sich selbst steuernde, selbstoptimierende und ressourceneffiziente Produktion ist das zentrale Szenario der digitalisierten Fabrik von Industrie 4.0 – der Smart Factory. Ulrich Hempen, Leiter des internationalen Market Managements bei Wago, hat 5 + 1 Attribute definiert, auf denen die Digitalisierung basiert und die somit zu erfüllen sind. Im exklusiven Gespräch mit der Redaktion erläutert der Manager, welche Technologien dabei eine Schlüsselrolle spielen können.

DIMA ist eine neutrale Softwareschnittstelle zwischen den Fertigungsmodulen und der Produktionssteuerung (alle Bilder: Wago)

Die Nutzen einer zukünftigen digitalisierten Smart Factory sind vielfältig. Sie sollen einmal in der flexiblen und schnell umrüstbaren Produktion liegen. Sie sollen aber auch die gewinnoptimierende Nutzung der Produktionsdaten ermöglichen und ebenfalls einen optimierten Ressourceneinsatz, der die Produktion bis zu Losgröße 1 ohne Steigerung der Fertigungskosten schafft. Dieser Ansatz ist daher sehr umfassend und greift in jede Ebene der Produktion ein. Ulrich Hempen hat dazu sechs Attribute der digitalen Transformation in der Produktion definiert, die eine zukünftige Smart Factory auszeichnet.

Attribut 1: Transparente Anlagendaten aus der Sensor-Aktorebene

Eine ressourceneffiziente Produktion benötigt transparente Informationen zu Abläufen, Performance und Qualität der Fertigung. Zwar werden in industriellen Produktionsprozessen bereits heute enorme Mengen an Daten erfasst, allerdings sind diese meist auf verschiedenen Systemen verteilt – und dies häufig in Formaten, die untereinander nicht kompatibel sind. Sie in eine universelle Form zu transformieren und somit die Vernetzung mit geringstem Engineering-Aufwand zu erreichen, ist einer der Erfolgsfaktoren der Smart Factory. Das Attribut 1 ist daher laut U. Hempen die Integration der Sensorik sowie Aktorik und anschließende Aufbereitung in ein Standardformat für den Fertigungsprozess.

Möglich wird dies mit dem Einsatz modularer Automatisierungstechnik mit einer offenen Systemarchitektur, wie dem Wago-I/O-System 750: Mit der kanalweisen Skalierbarkeit des Systems auf die Anwendung und der Auswahl von mehr als 500 Funktionsmodulen standardisiert das System nahezu jedes in der Feldebene auftretende Signal auf einen Standard-Feldbus. „Seit 22 Jahren setzen wir auf eine Plattform“, berichtet U. Hempen. „Alle in dieser Zeit aufgetretenen und zukünftigen Anforderungen und Zulassungen integrieren wir in diese Systemarchitektur. Entstanden ist ein im Markt einmaliges Integrationssystem.“

Ulrich Hempen ist Leiter des internationalen Market Managements bei Wago

Attribut 2: Horizontale Ver­netzung für den durchgängigen Wertschöpfungsprozess

Die horizontale Vernetzung ist laut U. Hempen die zweite wesentliche Eigenschaft der Smart Factory. Diese ermöglicht die standardisierte Kommunikation unterschiedlicher Fertigungsinseln untereinander. „Für Industrie 4.0 ist die Vernetzung von Fertigungsinseln basierend auf einem standardisierten Kommunikationsformat ein weiterer Erfolgsfaktor“, schließt der Manager an. „Nur so können Fertigungsinseln in kürzester Zeit miteinander integriert werden.“ Vorteil bei der Nutzung des Wago-I/O-Systems ist neben der Vielfalt an Feldbusschnittstellen dabei die Mehrkanaligkeit: Aus einem Knoten heraus können mehrere Kommunikations­linien zu unterschiedlichen Clients bedient werden.

Ein großer Vorteil für die horizontale Vernetzung stellt die Integration von Wireless-Kommunikation, wie Mobilfunk, dar. Zusätzlich zur lokalen IT-Einbindung ermöglicht dies parallel zum Beispiel die Einbeziehung der Logistik für Lieferung und Distribution über Anlagen- und ­Fabrikgrenzen hinweg. Als Beispiel führt er Kunststoffspritzgussmaschinen an, die dem Granulatlieferanten eigenständig mitteilen, wann eine Nachlieferung des Granulats notwendig ist.

Transparenz im Wertschöpfungsprozess

Ein Beispiel: Für den Anlagenbau zur Herstellung von Schaltschränken wird die durchgängige Transparenz mit dem Produktkonfigurator „SmartDesignerNG“ geschaffen: Zur Erstellung elektrischer Schaltschränke greifen Kunden mit ihren gewohnten Engineeringtools über das Internet auf die Systeme von Wago zu, importieren bestehende Schaltpläne, projektieren den Schaltschrank online im „SmartDesignerNG“ mit Reihenklemmen, Interface-Bausteinen, Netzteilen und Automatisierungskomponenten, übergeben diese Online direkt in die Produktion und erhalten nach der Fertigung die vorkonfektionierte Hutschiene mit allen relevanten Produkt- und Prozessdaten.

Attribut 3: Vertikale Vernetzung aus der Feldebene bis zur Cloud

„Die vertikale Vernetzung ist das dritte Attribut der Smart Factory“, so U. Hempen. Je nach Bedarf müssen Fertigungsinseln zukünftig in der Vertikalen auch über Fabrikgrenzen hinaus zur Private oder Open Cloud kommunizieren können, sodass selbst dem Endkonsumenten ein geschützter aber direkter Eingriff auf die Produktion ermöglicht wird. Die Fertigung von Sportschuhen mit der Vorgabe des Endkunden aus einem weltweit verfügbaren Online-Shop direkt auf den Produktionsroboter ist dazu ein bereits vorhandenes Beispiel.

„IO-Systeme bieten dazu aus der Fertigungsinsel eine nahtlose Kommunikation zum MES oder in die private oder offene Cloud. Damit wird gewährleistet, dass die Produktionsleitung, das entfernt liegende Head Quarter oder auch Online-Shops der gesicherte Zugriff auf Fertigungsinseln ermöglicht wird“, setzt er fort. Für die Anbindung können die individuellen Softwareschnittstellen in der offenen Linux-Architektur der Wago-Controller basierend auf zum Beispiel OPC-UA-Servern integriert werden. „Auch weitere Kommunikationsprotokolle lassen sich mit der offenen Architektur nutzen“, so U. Hempen. Mit der verfügbaren MQTT-Softwareschnittstelle ist jeder Wago-Controller bereits ein IoT-Controller mit Cloud-Connectivity.

Vom PFC Controller über MQTT in die Cloud

„Zur vertikalen Integration kommt aber noch eine weitere Anforderung“, führt er weiter aus. „Mit zunehmender Volatilität der Marktanforderungen müssen produzierende Unternehmen ihren Material- und Warenfluss immer kurzfristiger planen. Dazu benötigen sie nicht nur relevante Daten und Informationen ihrer eigenen Produktions- und Lieferketten, sondern auch die ihres Industriepartners und gegebenenfalls von Endkunden.“ Dies setzt dessen Durchgriff bis in die Produktionsplanung und Fertigungsmaschine voraus. Nur so kann die Produktion in kürzester Zeit kundenindividuell produzieren.

Daten erfassen, digitalisieren und gewinnbringend miteinander verknüpfen – das sind die zentralen Gedanken der Smart Factory von Industrie 4.0. Aus der Analyse von Daten neue Wertschöpfung zu generieren ist für U. Hempen entscheidender Erfolgsfaktor. Die Controller sollen nicht nur Messwerte aufnehmen und Sollwerte abgeben, sondern durch Zustandsinformationen Auskunft über zukünftige Maßnahmen an der Anlage erteilen. Dies erfordert Datenanalyse zur Vorausberechnung kritischer Zustände oder notwendiger Wartung. Ob der Controller die Daten dann zu bekannten Cloud-Anbietern, wie Microsoft Azure, Amazon Web Services oder IBM Bluemix, schickt, bleibt dem Anwender überlassen. Anbindungen an Third-Party-Lösungen sind dank dem integrierten MQTT-Protokoll schnell realisierbar. Entscheidend für das sechste Attribut ist die Aggregierung der Daten zu für den Anwender nutzbaren Vorausbetrachtungen. Auf diese Weise schaffen sie echten Mehrwert für das Unternehmen – ob zur Effizienzsteigerung in der eigenen Produk­tion, zum Energiemanagement im Gebäude oder zur Entwicklung weiterer Endkundenservices. Auch bestehende Anlagen werden damit „IoT-ready“ und somit zukunftsfähig. Damit bildet die Controller-­Familie die Grundlage für eine nachhaltige Wertschöpfung in der Smart Factory.

Attribut 4: Wandelungs­fähigkeit der Produktion

Im Umfeld von Losgröße 1, schwankenden Absatzmengen und sich regional verschiebenden Absatzmärkten müssen Unternehmen über Produktionsprozesse verfügen, die sich schnell an sich ändernde Marktanforderungen anpassen lassen. Die Lösung dazu heißt DIMA (Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen). „DIMA ist eine neutrale Softwareschnittstelle zwischen den Fertigungsmodulen sowie der Produktionssteuerung und basiert auf der digitalen Beschreibung von Fertigungsmodulen mit dem Herzstück MTP (Module Type Package). Das MTP liegt wie ein Mantel, oder im Industrie 4.0 Kontext wie eine Verwaltungsschale, um das Fertigungsmodul und beschreibt u. a. dessen Funktionen seine visuelle Darstellung, Diagnoseinformationen, technische Daten, etc. Das MTP fungiert daher als digitaler Repräsentant des physischen Anlagemoduls im Informationsnetz. Es repräsentiert die Funktionen des Anlagemoduls und verwaltet diese in der Architektur der gesamten Anlage. Das MTP eingebettet in die Methodik DIMA ist damit ein sehr wichtiger Baustein um Industrie-4.0-Anforderungen zu lösen und wurde mit dem vom VDE VERLAG in Zusammenarbeit mit dem ZVEI ausgeschriebenen „Industrie 4.0 Innovation Award 2016“ ausgezeichnet. „Die offene DIMA-Methodik ist die Antwort auf die notwendige schnelle Wandelbarkeit der Produktion“, betont U. Hempen. Wandelbarkeit durch Modularität stellt somit das vierte Attribut für die Smart Factory dar.

Mit dem am 6. November 2014 auf der Namur-Hauptsitzung erstmals vorgestellten DIMA-Methodik ist es möglich, was sich Betreiber modularer Anlagen seit Jahren wünschen: das An- und Abkoppeln von Produktionsmodulen ohne Programmieraufwand im Produktionsleitrechner. Anlagenmodule sind damit im Sinne eines Plug-and-Produce in die Anlage integriert und betriebsbereit. Für Anlagenbetreiber verkürzt DIMA das Anlagenengineering deutlich und erlaubt darüber hinaus den schnellen und unkomplizierten Umbau der Anlage im späteren Betrieb.

Attribut 5: IT-Sicherheit

„Vor 20 Jahren war es noch undenkbar, eine SPS an das Firmennetzwerk anzuschließen. Heute sprechen wir über den Zugriff aus dem Online Shop auf die Fertigungsinsel“, leitet der Automatisierungsspezialist das Thema ein. Das fünfte Attribut ist daher laut U. Hempen ein Maximum an IT-Sicherheit für jegliche Vernetzung der Smart Factory über die Firmengrenzen hinaus. „Zur digitalisierten Fabrik ist ein Maximum an IT-Sicherheit in allen für die Kommunikation zugänglichen Kommunika­tionsknotenpunkten ein absolutes Muss!“

Die Controller PFC100 und PFC200 codieren Daten nicht nur mittels SSL/TLS 1.2 direkt in der Steuerung, sondern übertragen diese via VPN-Tunnel auch sicher in übergeordnete Systeme. Sie zeichnen sich durch ein plattformübergreifendes Realtime-Linux aus, das als Open-Source-Betriebssystem langzeitverfügbar, skalierbar sowie Update-fähig ist und Tools wie Rsync unterstützt. Sie sind dementsprechend auch als Secure-Gateway einsetzbar. Die installierte Linux-Basis unterstützt nicht nur wesentliche Sicherheitsprotokolle, sondern sorgt auch dafür, dass diese dank der Linux-Community ständig weiterentwickelt werden. „IT-Security by Design ist daher unsere Devise“, unterstreicht U. Hempen, was bedeutet, dass alle IT-Security-Mechanismen fest innerhalb des Controllers integriert sind und nicht durch Fremdzugriff ausgekoppelt werden können.

Die PFC200-Familie ist außerdem für die Umsetzung der aktuell höchsten Sicherheitsanforderungen gemäß der ISO-27000-Reihe aufgestellt – je nach Einsatz und Risikoanalyse. Sie bietet Onboard-VPN-Funktionalität basierend auf dem sogenannten „Strongswan Package“ und dem Open-VPN-Paket, einer sicheren Kommunikationslösung für Linux-Betriebssysteme. Darüber hinaus können die Daten bereits im PFC200-Controller mittels SSL/TLS-1.2-Verschlüsselung (Secure Sockets Layer/Transport Layer Security) codiert werden. Einen VPN-Tunnel baut dieser dann direkt über IPsec oder OpenVPN auf und überträgt die Daten, wenn gewünscht, sogar kabellos in die Cloud. Während IPsec auf Betriebssystemebene bzw. Layer 3 verschlüsselt, sorgt OpenVPN auf der Anwendungsebene (Layer 5) für Datenintegrität. „So entstehen abhör- und manipulationssichere Kommunikationsverbindungen zwischen den Controllern und den Netzzugangspunkten“, betont U. Hempen. „Ein vorgeschalteter VPN-Router ist nicht mehr erforderlich.“

Mit dem Sicherheitskonzept des PFC200 werden alle relevanten Richtlinien im Bereich IT-Security und eine Vielzahl der Vorgaben aus dem BDEW-White Paper für Anwendungen im Bereich der Energie- und Wasserversorgung, die zur sogenannten „Kritischen Infrastruktur“ (Kritis) zählen, erfüllt.

Attribut + 1: Umgang mit den Menschen

„Das wohl wichtigste ist der Umgang des Menschen mit der zukünftigen digitalisierten Fabrik oder umgekehrt der Umgang der digitalisierten Fabrik mit dem Menschen“, betont U. Hempen. „Der Mensch muss innerhalb der Digitalisierung berücksichtigt werden. Das wurde uns nicht zuletzt im Gespräch mit den eigenen Produktionsverantwortlichen immer klarer.“ Verhindert werden sollte, laut dem Manager, dass „der Facharbeiter verängstigt die Fabrik betritt“.

„Wir müssen den intuitiven Umgang mit den Anlagen ermöglichen. Die Integration des Menschen in die neue Technikwelt und die Harmonisierung zwischen Bedienführung und Mensch stellen eine wesentliche Herausforderung dar“, setzt er fort. „Wir müssen den Menschen angstfrei befähigen, die Digitalisierung als eine nutzbare Weiterentwicklung der Produktion zu sehen.“ Diese Themen sind noch nicht abschließend gelöst, es gibt aber bei Wago weitreichende Überlegungen dazu. „Nicht zuletzt auf Basis des in der eigenen Fertigung gesammelten Erfahrungsschatzes haben wir Ideen und Lösungen“, betont er weiter.
Mit den genannten Attributen werden laut U. Hempen Fertigungsunternehmen in die Lage versetzt, die Herausforderungen der digitalen Transformation anzunehmen: Universelle Datennutzung, verteilte Intelligenz, adaptive Produktionssysteme, horizontale und vertikale Integration, IT-Sicherheit sowie hohe Flexibilität dank modularer Produktion lassen sich umsetzen. „So werden die wesentlichen Anforderungen einer zukünftigen digitalisierten Fabrik abgedeckt“, schließt U. Hempen ab.

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Drei Fragen an Ulrich Hempen

Warum müssen sich Produktionsbetriebe zur Smart Factory wandeln?

U. Hempen: Von müssen darf keine Rede sein. Jeder Produktionsverantwortlicher weiß selbst am besten, wo er zukünftigen Bedarf hat, den er gegebenenfalls durch Digitalisierung lösen kann. Wir beobachten, dass die individuellen Kundenbedürfnisse im B-to-C- und B-to-B-Geschäft deutlich zunehmen, die Lager- und Distributionskosten sinken und immer kürzere Lieferzeiten im schnelllebigen Konsumentengeschäft erwartet werden. Keiner hätte vor 20 Jahren daran gedacht, individuelle auf mich in Form und Farbe zugeschnittene Sportschuhe in 48 h bestellen zu können. Für Produktionen, die diesen Anforderungen unterliegen, benötigen wir den digitalen Durchgriff bis in die Fertigungsinsel. Wir selbst bieten diese Lösungen bereits an, sodass der Planer elektrischer Schaltschränke nicht mehr nur Komponenten, sondern die fertig bestückte Hutschiene aus seiner E-Planung mit zum Beispiel Eplan oder WSCAD über den Online-Konfigurator „SmartDesignerNG“ direkt in der Produktion bestellen kann und fertig konfiguriert ins Haus geliefert bekommt.

Reichen Ihre sechs aufgestellten Attribute aus, zukünftigen Anforderungen der transparenten, digitalisierten Produktion gerecht zu werden?

U. Hempen: Aus unserer Sicht sind dies aktuell die sechs wesentlichen Eigenschaften, die eine zukünftige Smart Factory ausmachen. Die Integration erfolgt natürlich Schritt für Schritt und je nach Bedarf. Der Produktionsleiter weiß selbst am besten, was er zukünftig von der Automation und Digitalisierung erwartet. Mit unseren Technologien zeigen wir Wege auf, wie dieser schrittweise Übergang mit skalierbarem Aufwand und planbarem ROI erfolgen kann. Die sechs genannten Eigenschaften einer Smart Factory ist eine aktuelle Sicht. Mit zunehmender Performance der Con­troller, Miniaturisierung der Sensoren und der Verfügbarkeit von Massendaten aus dem Big Data Pool zur Datenanalyse werden wird in den kommenden fünf Jahren einen wohl noch stärkeren Wandel der Produk­tion erleben mit weiteren Anforderungen.

Wie wollen Sie diese komplexe Materie in den Markt bringen?

U. Hempen: Zusätzlich zu unserem eigenen Vertrieb geht es darum, Systemintegratoren zu befähigen, Smart-Factory-Konzepte mithilfe von Wago-Technologien und -Know-how umzusetzen. Unsere Technologien bieten große Chancen, auch vorhandene Produktions­betriebe mit verhältnismäßig geringem Aufwand zu digitalisieren. Dies erfordert eine neue Qualität von Systemintegratoren.

Autor: Ronald Heinze

www.wago.com

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Copyright © VDE VERLAG GMBH, zuletzt aktualisiert am 23.11.2017