Im deutschsprachigen Raum hat sich ein IT-Sektor etabliert, der unter dem Sammelbegriff Manufacturing Execution System (MES) beschrieben wird. Die Entstehung des MES-Marktes reicht zurück bis in die 1990er-Jahre, seither haben sich hunderte Anbieter etabliert. Ziel war und ist es, Unternehmen eine möglichst lückenlose Betriebsdatenerfassung (BDE) einzurichten und so eine schnellere und effizientere Produktion zu ermöglichen.

Die Zielsetzungen sind denen von modernen IIoT-Lösungen (Industrial Internet of Things) also sehr ähnlich. 

Allerdings ist der MES-Markt trotz einer seit 2011 in Deutschland von Politik und Verbänden propagierten Industrie 4.0 sowie des international etablierten IIoT ganz offensichtlich in seiner technologischen Verbreitung auf den deutschsprachigen Raum beschränkt geblieben.

Mit der Betriebsdatenerfassung in einem herkömmlichen MES stehen dem produzierenden Unternehmen nur die Anwendungen des jeweiligen MES-Systemhauses zur Verfügung. Im IIoT-Zeitalter müssen fertigende Unternehmen aber herkömmliche MES-Infrastrukturen weiterentwickeln, um zukunftsfähig zu bleiben. Und IT-Hersteller sind gefordert, sich neuen Anforderungen an mehrdimensionale Flexibilität und Interoperabilität ihrer Angebote zu stellen.

Dazu eine Branchen-Parallele: Es ist noch nicht lange her, da haben wir mit unseren Handys nur telefoniert oder SMS geschrieben. Innerhalb kürzester Zeit löste das internetfähige Smartphone diese eindimensionalen Telefon-Handys ab. Heute zeigt der Markt der Smartphones, dass es dort keine Anbieter mehr gibt, welche nur ihren eigenen Apps Zugriff auf das Smartphone gewähren.

Vom IT-Silo zur offenen Smart-Factory-Plattform

Eine ähnliche disruptive Entwicklung wie vom Handy zum Smartphone erleben wir in Sachen Fabrik-IT: In der fertigenden Industrie ist das Zeitalter des industriellen Internets der Dinge angebrochen. Analog zum Handy-Markt dürften Anbieter produktionsnaher IT-Lösungen, die weiter an dem Gedanken herkömmlicher MES festhalten, schon bald von der aktuellen Entwicklung im Zeitalter von Industrie 4.0 und IIoT überrollt werden.

Die Definition der auch hierzulande sehr populären ‚Industrie 4.0‘ setzt intelligente, digital vernetzte Systeme in den Mittelpunkt. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass nur IT-Lösungen zukunftsfähig sind, welche in der Lage sind, viele IT-Bausteine zu digital vernetzten Gesamtarchitekturen zusammenzuführen.

Voraussetzung dafür sind Technologien, die sich durch die Flexibilität auszeichnen. Das heißt erstens, Transparenz durch eine umfassende Konnektivität selbst bei historisch gewachsenen heterogenen Maschinenparks herzustellen, und das heißt zweitens, durch offene Schnittstellen immer neue IT-Bausteine und Programme integrierbar zu machen.

Die Konsequenz daraus: Moderne Betriebsdatenerfassung darf sich nicht mehr allein auf das Sammeln von Daten  in abgeschlossenen IT-Systemen eines einzigen Herstellers stützen. Vielmehr sind flexible, modulare und grundsätzlich offene Lösungen notwendig, um die vielseitigen Möglichkeiten und Chancen des vernetzten digitalen Zeitalters in der Fertigung zu nutzen.

Offenheit, Vernetzung und Flexibilität

Die Gegenüberstellung: IIoT-Plattform kontra klassisches MES-System.

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IIoT-Plattformen verfügen über umfassende Konnektivität sowie über offene Schnittstellen zur flexiblen Kopplung von vorhandenen eigenen und neuen Erfassungssystemen und Anwendungen. Damit sind IIoT-Plattformen die Weiterentwicklung von herkömmlichen monolithischen MES-Strukturen zu flexiblen und offenen Fabrik-IT-Architekturen einer Smart Factory.

Welche Plattform-Technologie aber ist die richtige? Drei Kompetenzen sollte eine IIoT-Lösung auf einer Plattform vereinen. Diese ‚heilige‘ Dreifaltigkeit digitaler Fabrik-IT lautet: Konnektivität, Produktivität und Flexibilität.

Konnektivität durch Plug-ins und Adapter

Big Data zu Smart Data: Aktuelle und historische Analysen – nutzerfreundlich visualisiert auf einem Dashboard – sind ein wichtiger Aspekt für die Akzeptanz einer digitalen Transformation.

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Die IIoT-Lösung muss multidirektionale Vernetzungsmöglichkeiten bieten: erstens horizontale Vernetzung zwischen Maschinen (M2M) sowie zwischen vorhandenen Systemen zur Produktionssteuerung (MES), zweitens vertikal zwischen Produktion und Planung, also zwischen Shop Floor und Top Floor (ERP, Enterprise Ressource Planning) sowie drittens inklusiv zur Integration von Drittsystemen. Es müssen Plug-ins zur Anbindung heterogener Maschinen ebenso vorhanden sein wie Adapter zur Vernetzung mit unterschiedlichen ERP-Systemen. Für die IT-Leiter daher wichtig: Wie vernetze ich völlig verschiedene Maschinen digital? In den meisten Fabriken sind Anlagen aus unterschiedlichen Jahrgängen und von unterschiedlichen Herstellern die Regel. Die Lösung liegt in Plug-ins, die für die häufigsten Maschinentypen vorprogrammiert vorliegen sollten. So darf der Anschluss von zum Beispiel drei Pilot-Maschinen durch Plug-ins nicht viel länger als drei Tage dauern – inklusive Vernetzung mit der ERP-Ebene via Adapter.

Zudem wird der passende ‚Schlüssel‘ für die Vernetzung der Anlagen benötigt. Dafür sollte die Schaltzentrale für die Maschinenkommunikation – der IoT Hub – möglichst viele offene Kommunikationsstandards bieten können. Konkret: Sowohl der in Deutschland von Verbänden propagierte Standard OPC UA (Open Platform Communications United Architecture) als auch die internationalen Defacto-Standards MQTT (Message Queue Telemetry Transport) und MTConnect (vor allem für Werkzeugmaschinen) sollten vorhanden sein.

Produktivität durch Echtzeit-Daten und vorinstallierte MES-Apps

Präzise Infos zu jeder Zeit: Info-Screen mit Reports zu Maschinen-Betriebszuständen in einer Fabrikhalle – wichtiger Baustein eines einheitlichen Produktionsdaten-Modells, der ‚single source of truth‘.

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Im nächsten Schritt geht es darum, die riesigen Datenvolumina aus den Maschinen in Echtzeit in nutzbare Informationen zu verwandeln – Big Data zu Smart Data. Dazu ist eine hochleistungsfähige Rechnerlösung zur Daten-Modellierung und Daten-Validierung notwendig, der semantische Layer. Ein solcher Generator zur Produktions-Datenmodellierung muss unternehmensindividuell programmierbar sein, damit er einen digitalen Echtzeit-Zwilling am Computer erschafft, mit dem die Werker die Betriebszustände virtuell analysieren und real optimieren können – und die Produktivität stetig steigern.

Für eine solche Echtzeit-Umwandlung von Big Data in Smart Data wird eine hochleistungsfähige Regel-Datenverarbeitung benötigt (Rule Engine). Die benötigte Hochleistungsfähigkeit schafft zum Beispiel eine Rule Engine auf Basis von In-Memory- und CEP-Technologie (Complex Event Processing). Wichtig bei solchen IIoT-Rule-Frameworks ist es, dass sie semantisch vorkonfiguriert sind, also mit einer umfassend vorausgedachter Produktionsbedeutung ausgestattet sind.

Unternehmen benötigten zudem eine IIoT-Lösung, mit der sie nicht bei Null starten müssen und benötigte Apps gänzlich neu erwerben oder neu konfigurieren müssen. Am besten ist es, wenn die IIoT-Plattform die wichtigsten MES-Lösungen frei Haus mitliefert. Zu den gängigsten MES-Anwendungen zählen Leistungsanalyse, Feinplanung oder Rückverfolgung.

Flexibilität durch offene Schnittstellen

Die IIoT-Lösungswelt, wie sie Forcam verfolgt: Programmierer können bestehende IT-Systeme und auch Drittsysteme integrieren.

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Smart sein, heißt offen sein: Das jüngste Kriterium für eine moderne IIoT-Plattform stammt von einer ‚Freiheitsbewegung‘ in den USA – der OPEN API Initiative. Sie hat sich zum Ziel gesetzt, durch offene Anwender-Programmier-Schnittstellen (API – Application Programming Interface) den freien Datenaustausch zwischen Applikationen und Anwendungen unterschiedlicher Hersteller zu fördern.

Eine Unter-Bewegung ist die ‚Force Bridge Community‘. Sie verfolgt das Ziel, einen offenen Industriestandard für Smart Manufacturing zu etablieren. In dieser Fachgemeinschaft haben sich Industrieunternehmen, Software-Pioniere und Hochschulen zusammengefunden. Das Ergebnis ist die erste offene Schnittstelle für intelligente Fertigung – die Force Bridge API, heute in der zweiten Version.

Diese Schnittstelle bringt Unternehmen die große Freiheit: Programmierer können auf Wunsch sowohl bestehende IT-Systeme als auch Drittsysteme wie Anwendungen für Werkzeugdatenmanagement, Qualitätssicherung oder Vorhersagende Wartung – Predictive Maintenance – nahtlos integrieren.

Alexa, Cortana & Co.

Edge oder Cloud: Eine flexible IIoT-Plattform muss dem Anwender beide Wege ermöglichen. Endziel muss eine grenzenlos nutzbare Lösung sein.

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Offenen Schnittstellen gehört die Zukunft: Im privaten Alltag gewöhnen wir uns gerade an Spracherkennungssysteme und Chatbots. Alexa, Google, Siri, Cortana und Co. – es ist absehbar, dass diese Systeme bald auch viele Bereiche des beruflichen Alltags bestimmen werden. Für die fertigende Industrie sind die technologischen Möglichkeiten jetzt verfügbar.

IIoT-Plattformen mit offenen Schnittstellen für Smart Manufacturing ermöglichen es, jedwede MES-Drittanwendung wie Werkzeugverwaltung oder Qualitätssicherung zu integrieren. Auch Alexa versteht jetzt Fabrik-Maschinen. Mit einer offenen IIoT-Plattform gibt diese oder andere Sprachsteuerungen auf Wunsch Auskunft über Maschinenzustände.

In Fabriken ist es allerdings meist noch sehr laut. Deshalb sind auch andere KI-Systeme interessant für eine Integration auf einer Fabrik-IT-Plattform, zum Beispiel Chatbot-Programme. In China kommunizieren bereits viele Fabrikarbeiter über das dortige Programm Wechat, das Pendant zu Whatsapp. Auf nahezu allen mit Microsoft betriebenen Computern verrichtet Cortana ihre Arbeit und kann auf einer offenen IIoT-Plattform integriert werden.

Sehr praxistauglich ist es, Analysen und Alarmierungen in E-Mail-Programmen zu integrieren. So können Produktionsverantwortliche in Programmen wie Outlook fixe Info-Fenster zur Fertigung integrieren, über die sie online den Status der Produktion abfragen können oder sich direkt Reports anzeigen lassen können. Alarmierungen gibt es dann auch per E-Mail – zum Beispiel bei Stillständen oder beim Über- oder Unterschreiten definierter Prozesswerte.

Offene IIoT-Plattformen ermöglichen es auch, rasch und leichtgängig ohne Programmieraufwand eigene Fabrik-Apps für Smartphone, Tablet oder Smartwatch zu konfigurieren. Eine solche individuelle Fabrik-App informiert ihre Nutzer per Push-Nachricht in Echtzeit über alle wichtigen Ereignisse wie etwa über ein mangelhaftes Teil oder einen Maschinenstillstand.

Das Thema Sicherheit

Offenheit lässt bei vielen Anwendern zunächst die Alarmglocken schrillen: Wie sicher sind dann meine Daten? Die Antwort kann nur lauten: So sicher, wie auch heute schon – abhängig von den aktuell gewählten Sicherheitsstandards.

Eine wirklich flexible IIoT-Plattform bietet entweder eine Architektur ‚on premise‘ oder via Cloud-Infrastruktur. Läuft die Lösung on premise, also innerhalb eines Firmennetzwerkes eines Unternehmens, dann handelt es sich um eine vom Unternehmen gehostete IT-Anwendung und unterliegt entsprechend den IT-Standards und Restriktionen des Unternehmens selbst.

Läuft die IIoT-Plattform in einer Cloud-Infrastruktur, ist der Zugang dorthin entweder durch einen VPN-Tunnel (Virtual Private Network) abgesichert oder durch ein abgesichertes Internetprotokoll auf HTTPS-Basis (Hypertext Transfer Protocol Secure).

Eine Lösung via Public Cloud erfüllt mit dem richtigen Cloud-Infrastruktur-Anbieter höchste Sicherheitsanforderungen. Beispiel Azure-Cloud: Microsoft investiert jährlich rund eine Milliarde Dollar allein in das Thema Sicherheit. Diesen Sicherheitsstandard können Einzel-Unternehmen mit einer On-premise-Lösung in aller Regel nicht erreichen. Wenn Unternehmen das noch nicht reicht, können sie auch eine Private Cloud ordern, dann haben sie einen ganz eigenen und getrennten Server-Bereich innerhalb der Cloud-Lösung.

Fakt bleibt: Fertigende Unternehmen benötigen für das dritte Jahrzehnt leistungsstarke und grenzenlos nutzbare Lösungen, mit denen sie heute und in Zukunft ihre Produktivität optimieren können. Dazu sollten sie auf ein leis­tungsstarkes IT-Fertighaus für die Fabrik setzen, welches von ihnen einfach und beliebig um- und ausgebaut werden kann.