Die digitale Transformation verändert die Welt so schnell wie noch nie. In Industrie 4.0 wird der Zuwachs an Komplexität in dem Einführungsfilm von acatech „ Industrie 4.0 Ein Blick in die intelligente Fabrik“ deutlich: Menschen, Maschinen und Komponenten in der Produktion kommunizieren miteinander. Innerhalb des Shopfloors, aber auch darüber hinaus: in die eigene Verwaltung, zu Kunden, Lieferanten und zu den ausgelieferten Produkten. Die zu bewältigenden Prozesse sind vielfältig miteinander verkettet, eine Flut an Daten entsteht. Diese zu erfassen, zu filtern, zu speichern, zu visualisieren und zu analysieren, mit dem Ziel, Fakten für die Wissensarbeit zu gewinnen, ist ohne eine leistungsfähige skalierbare digitale Infrastruktur nicht machbar.
In der Umsetzung stößt man auf unterschiedliche, historisch gewachsene Konzepte in der Automatisierung als Datenquelle und in der Informations- und Kommunikationstechnik als Datensenke zur Auswertung. Während es in der Automatisierung zeitlich deterministisch, getaktet und prozedural zugeht, spiegelt die weiterverarbeitende IT eine objektorientierte, asynchrone und Dienste-orientierte Welt ohne definierten „Quality of Service“ der Kommunikationsinfrastrukturen wider. Zwischen diesen beiden Welten braucht es eine ausgleichende, vermittelnde Architektur.
Heitec entwickelte mit HeiTPM eine Plattform, die beliebige Daten aus den Steuerungen und der Sensorik einer Produktionslinie performant und rückwirkungsfrei abruft. Diese Daten werden mit strukturierenden und beschreibenden Informationen zu selbstbeschreibenden Objekten ergänzt und damit für unterschiedliche Prozessbeteiligte individuell zur Analyse und Visualisierung aufbereitet und gespeichert.
Wesentliche Komponenten der HeiTPM-Architektur sind Gateways. Sie puffern die zeitlich deterministisch abzugreifenden Daten in Echtzeit zur asynchronen Vorverarbeitung und zum Weitertransport an nachgeschaltete Dienste, wie etwa eine Online-Visualisierung, die Speicherung in einer Datenbank oder ein MES- oder ein ERP-System. Um die Heterogenität der zahlreichen Protokolle in der Automatisierung abzufangen, stehen viele Plugins zur Integration in das Gateway zur Verfügung. In der Mehrzahl der Anwendungsfälle müssen die Daten rückwirkungsfrei, das heißt ohne Änderung der bestehenden Automatisierungssoftware, erfasst werden.
Es stehen nur Daten in einer zeitlichen Abfolge zur Verfügung, es fehlen Informationen über deren Bedeutung und strukturelle Einordnung, wie die physikalische Einheit, der zulässige Wertebereich oder kritische Bereiche. Diese semantischen und strukturellen Informationen werden im Gateway ergänzt, so dass den nachgeschalteten Diensten selbstbeschreibende Informationsobjekte zur Verfügung stehen, die ohne weitere Rückfragen analysiert und interpretiert werden können.
Offener MQTT-Standard
Für die M2M-Kommunikation haben sich in der Automatisierung drei Kommunikationsmodelle herauskristallisiert. Dies ist zum einen OPC-UA als Punkt-zu-Punkt-Client-Server-Kommunikation. Inzwischen ist das Protokoll zum Standard für den Datenaustausch in der Produktion herangereift. OPC-UA erlaubt die herstellerunabhängige Kommunikation sowohl horizontal über alle Steuerungsgeräte als auch vertikal vom Sensor bis zum ERP-System. Die anderen Protokolle sind DDS und MQTT. DDS ist ein (r)echtzeitfähiger Publish/Subscribe Data Distribution Service nach dem offenen Standard der Object Management Group (OMG) ohne zentralen Broker. MQTT ist ein performantes, offenes Publish/Subscribe Protokoll mit zentralem Broker nach dem OASIS-Standard.
Schrittweise in die Praxis
Je nach Anwendungsfall und den Anforderungen nach Durchsatz, Datenmengen und Quality of Service sowie Netzwerktopologie, Implementierungsaufwand oder Lizenzkosten bietet jedes dieser Protokolle eine adäquate Lösung. Für das Einsatzgebiet von HeiTPM als Gateway zwischen der Shopfloor-Ebene und den nachgeschalteten Diensten setzt Heitec als Basisprotokoll auf MQTT. Die Publishing/Subscribe-Architektur vereinfacht bei vielen Teilnehmern die Kommunikationsinfrastruktur. Der Datenverkehr wird deutlich reduziert und es werden nur Pakete übertragen, wenn sich Werte oder semantisch-strukturelle Daten ändern. MQTT ermöglicht eine relativ einfache Einbindung von unterschiedlich eingebetteten Systeme und offenen IEC61131-Steuerungen aus dem Shopfloor sowie die Entwicklung weiterer spezifischer Applikationen.
Bei der Einführung von HeiTPM unterstützt Heitec den Anwender in vier Schritten. Im ersten Schritt werden gemeinsam die Anforderungen bezüglich der Informationsgewinnung, Speicherung, Analyse und Visualisierung in den anvisierten Anwendungsszenarien spezifiziert. Danach steht die Ist-Analyse der Datenquellen an. Dabei sind die Fragen zu beantworten welche Systeme mit welchen Schnittstellen und Protokollen vorhanden sind, welche Daten diese liefern können oder welche Sensoren ergänzt werden müssen, damit die Anforderungen erfüllt werden können.
Auf Basis der Spezifikation erfolgt in einem dritten Schritt anschließend die Implementierung: die Installation und die Inbetriebnahme der Software auf der zuvor aufgebauten technischen Infrastruktur, die aus Netzwerk, Sensoren und Rechner besteht. Die Schulung von Mitarbeitern erfolgt dann im letzten Schritt. Auf diese Weise bekommt der Anwender die Möglichkeit, seinen Maschinenpark hinsichtlich einer Visualisierung und Datenauswertung jederzeit flexibel zu erweitern. Außerdem ist es beispielsweise für einen Instandhaltungsmanager äußerst wichtig, dass er Informationen aus den unterschiedlichsten Datenquellen bekommt. Nur damit können mögliche und wahrscheinliche Fehlerursachen besser eingegrenzt werden.
Der Qualitätsmanager benötigt nur die zeitlich granulare Aufzeichnung der prozessrelevanten Produktionsparameter zum Nachweis der vereinbarten Qualität. Grenzüberschreitungen in qualitätsrelevanten Parametern werden gemeldet, damit betroffene Werkstücke frühzeitig ausgeschleust werden können. Dies verringert die Gefahr, dass ganze Produktionschargen verworfen werden müssen.
