Der Trend zur Digitalisierung stellt produzierende Unternehmen vor einige Herausforderungen: Die Individualisierung von Produkten, schnellere Produktzyklen und höhere Produktvielfalt verlangen unter anderem mehr Flexibilität in der Fertigung bei niedrigeren Kosten. Die ‚Smart Factory‘ soll die Antwort hierauf liefern. Das in diesem Kontext viel beschworene Rami-Modell, welches die Architektur für Industrie 4.0 und die Fabrik der Zukunft abbildet, mag zwar gut und richtig sein; in der Praxis tun sich viele Anwender aber nach wie vor schwer, eine neue spezifische Aufgabenstellung in dieser Matrix einzuordnen.

Aus Sicht von Wago sind es aktuell fünf Attribute, die eine Smart Factory ausmachen: Feldsignal-Integration, horizontale Vernetzung, Cloud Connectivity, Cyber Security und Modularisierung. Entscheidend ist, dass der Übergang zur intelligenten Fabrik sowohl mit skalierbarem Aufwand als auch planbarem ROI zu stemmen ist. Das bedeutet aber auch: Der Weg dorthin beziehungsweise die Integration dieser Schlüsseleigenschaften kann durchaus Schritt für Schritt und je nach Bedarf erfolgen – schließlich weiß der Produktionsleiter selbst am besten, was er zukünftig von der Automation und Digitalisierung erwartet.

Attribut 1: Sensor-Integration

Dreh- und Angelpunkt der digitalen Transformation ist zunächst die Adaption des Fertigungsprozesses durch die Sensorik. Sensoren sind ohnehin für die Automation im Produktionsmodul enthalten, jedoch müssen für eine vollständige digitale Transformation des physikalischen Produktionsablaufes auch Komponenten erfasst werden, die bisher rein passiv waren – wie zum Beispiel ein Lagerbehälter, ein Transferband, eine Rohrleitung oder gegebenenfalls auch das Produkt selbst. Zudem sind Verschleißobjekte wie Lager an Motoren und Antrieben für eine vollständige Digitalisierung zu erfassen. Bis zum kleinsten Bestandteil im Fertigungsprozess benötigen damit alle an der Produktion beteiligten Komponenten ihre digitale Adaption. 

Die Integration dieser neuen Vielzahl unterschiedlichster Sensoren in möglichst kosteneffizienter Weise ist damit ein Grundpfeiler der digitalisierten Fabrik und eine entsprechend große Herausforderung. Im Falle des E/A-Systems 750 von Wago etwa erfassen mehr als 500 I/O-Module, 60 Steuerungen und 40 Feldbus-Ankopplungen so gut wie jedes Signal aus der Feldebene. Der erste Schritt – und zwar die Gewinnung elementarer Daten – ist damit geschafft.

Attribut 2: Horizontale Vernetzung

Der Produktionsablauf ist üblicherweise aufgeteilt in mehrere Fertigungsschritte. Um auch hier einen optimalen Prozess zu schaffen, sind alle beteiligten Produktionsinseln miteinander zu vernetzen. Dies ermöglicht auch die ‚Modul-zu-Modul‘-Kommunikation, sodass sich Fertigungsinseln untereinander und gegebenenfalls  mit dem Produkt abstimmen, ohne den überlagerten Produktionsleitrechner zu benötigen. Diese horizontale Vernetzung gilt jedoch nicht nur für den internen Produktionsablauf, sondern auch für die externe Logistik des Fertigungsprozesses. Die Zuführung von Rohstoffen und ebenso der Abfluss des Logistikers sind bei Bedarf einzubinden. Kurzum: Aus einem Knoten heraus müssen sich mehrere Clients mit unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen bedienen lassen.

Die Voraussetzung hierfür schaffen ­beispielsweise  Multikommunikationslinien wie sie in den PFC-Steuerungen von Wago vorhanden sind: So kann aus dem Controller beispielsweise die Kommunikation zu den vor- und nachgelagerten Fertigungsinseln durchgeführt werden – darüber hinaus per Bluetooth zum Produkt selbst und über Ethernet-TCP/IP zum überlagerten Produktionsführungssystem. Dies alles mit getrennten Kommunikationspfaden im Controller.

Attribut 3: Vertikale Vernetzung

Bei der vertikalen Vernetzung der digi­talisierten Fertigung ist die Cloud-Anbindung sofort in aller Munde. In der Realität ist diese allerdings längst nicht immer akzeptiert. Insbesondere die Cloud-Ver­netzung auf im Internet öffentlich ver­fügbare Server – sprich einer ‚Public Cloud‘ – erzeugt große Bedenken, da dies unter Umständen den Zugang auf den Produk­tionsprozess weltweit öffnet. Bei der ver­tikalen Vernetzung der digi­talisierten Fabrik sollte daher bewusst ­zwischen der offenen Cloud-Anwendung und der ver­tikalen Vernetzung auf externe, aber nach wie vor zum Unternehmen ge­hörende Fertigungsrechner unterschieden werden.

Durch zum Beispiel eigene, mit VPN, https sowie weiteren individuellen Verschlüsselungsmethodiken und ‚Verkryptisierungen‘ in der Kommunikation der privaten Client-Server-Topologien geschützte Zugänge auf eigene Server wird die Internetstruktur nur noch als Vernetzung genutzt. Diese als ‚Private Cloud‘ bezeichnete Architektur unterscheidet sich zur Public Cloud im Wesentlichen in ihrer Serverlandschaft und der Serveranbindung an offene gemietete Serverlandschaften. 

Das im Controller PFC200 standardisierte MQTT-Protokoll sorgt für die nahtlose Verbindung mit Web- und Cloud-Diensten: Über diese Schnittstelle lassen sich Daten von der Feldebene sicher in die Cloud schicken.

© Wago Kontakttechnik

Unabhängig von Private oder Public Cloud: In beiden Fällen dreht es sich um die vertikale Anbindung aus dem Produktionsmodul heraus – über eigene Firmengrenzen hinweg. Im B2C-Geschäft etwa kann der Zugang auf die Server ebenso dem Endkonsumenten ermöglicht werden, um dadurch zum Beispiel eine Bestellung direkt am Fertigungsmodul zu platzieren. Indem die bereits erwähnten PFC-Controller die Möglichkeit integrierter Fernzugriffe bieten, können sie die Rolle eines IoT-Gateway (Internet-of-Things-Gateway) übernehmen. Das bedeutet: Neben der eigentlichen Steuerung sind parallele Kommunikationsprotokolle integrierbar, über die der Zugriff stattfindet – physikalisch über Ethernet oder Mobilfunknetz, logisch über MQTT.

Wie bei der horizontalen Vernetzung ermöglicht der Multikommunikationszugriff auf den Controller den Zugriff unterschiedlicher Clients auf die Steuerung. Damit lassen sich Zustandsinformationen wie Run/Stop, Verbindungsstatus, Geräteinformationen sowie im IEC-Programm definierte Variablen in die Cloud senden und visualisieren. Über die Programmierung sind die Variablen definierbar, die in die Cloud übertragen werden sollen oder die zu schützen sind. Sensible Daten verlassen das Unternehmen auf diese Weise nicht.

Ob der Controller die Daten zu bekannten Cloud-Anbietern wie Microsoft Azure, Amazon Web Services oder IBM Bluemix schickt, bleibt dem Anwender überlassen. Zudem lassen sich Anbindungen an Cloud-basierte Third-Party-Lösungen mittels des MQTT-Protokolls ebenso realisieren wie an lokale Server des Anwenders. 

Mit der ‚Cloud Data Control‘ bietet Wago ebenfalls eine Lösung, die das Bindeglied zwischen den Elementen der realen und digitalen Welt darstellt. Sie verwaltet und überwacht alle PFC-Controller sowie deren Applikationen und Daten. Der Cloud-Dienst wird bei Microsoft Azure gehostet, ein Web-Portal dient als Benutzer-oberfläche für den Anwender. Über dieses hat er Zugriff auf Funktionen wie Projekt-, Controller- und Benutzerverwaltung oder Controller-Status-Monitoring, Alarmfunktionen und E-Mail-Benachrichtigungen. Auf einem Dashboard lassen sich Texte, Trends, Tabellen, Diagramme, Zeigerelemente und Kommando-Buttons bequem und übersichtlich bedienen. Bei anwendungsspezifischen Lösungen kommt schließlich die REST- oder OPC-UA-Schnittstelle zum Einsatz – beispielsweise beim Energie-Monitoring, aber auch für Predictive-Maintenance-Applikationen.

Attribut 4: IT-Security

Wo Produktionsdaten erfasst und in eine Cloud übertragen werden, spielt das Thema IT-Security eine große Rolle. Aus gutem Grund: Produktionsdaten sind ein wertvolles Gut, das es besonders zu schützen gilt. Um Cyber-Attacken abwehren zu können, verfügen etwa die Controller PFC100/200 über eine Verschlüsselung nach TLS1.2 (SSH, FTPS, HTPS etc.) und bieten Onboard-VPN-Funktionalität basierend auf dem sogenannten ‚Strongswan Package‘, einer sicheren Kommunikationslösung für Linux-Betriebssysteme. Bei der Kommunikation mit einem Controller wird dabei eine verschlüsselte LAN/WAN-Verbindung aufgebaut, deren Inhalt nur die beiden Endpunkte verstehen können. Zudem werden Verbindungen nur nach erfolgter Authentifizierung aufgebaut. Hierbei kommt mit Pre-Shared-Key ein einfach zu realisierendes Verschlüsselungsverfahren zum Einsatz, bei dem die Schlüssel vor der Kommunikation beiden Teilnehmern bekannt sein müssen.

Der Aufbau einer VPN-Verbindung erfolgt nach den Standards openVPN und IPsec. Während IPsec auf Betriebssystemebene beziehungsweise Layer 3 verschlüsselt, sorgt OpenVPN auf der Anwendungsebene (Layer 7) für Datenintegrität. So entstehen abhör- und manipulationssichere Kommunikationsverbindungen zwischen den Controllern und den Netz-Zugangspunkten. Zudem enthalten die besagten Controller einen integrierten Managed Switch, mit dem sich Linien oder redundante Ethernet-Verbindungen realisieren lassen. Außerdem ermöglichen sie eine Bandbreitenbegrenzung direkt im Switch. Damit ist eine durchgängige Integration in Ringstrukturen beziehungsweise eine redundante Ankopplung an die Netzwerk-Infrastruktur möglich. Eine Nutzerverwaltung sowie die Zugriffsprotokolle wie HTTPS, FTPS, SNMPV3 und SSH sind ebenfalls integriert und abschaltbare Ports, MAC-Whitelisting sowie Firewalls erhöhen die Sicherheit zusätzlich.

Für eine weitere Absicherung sorgt die Protokollierung aller Konfigurationen auf dem Controller. Dazu erzeugt das Betriebssystem der Steuerung Systemfiles beziehungsweise anwendungsspezifische Logfiles. Es protokolliert alle Zugriffe, Aktionen und Ereignisse und speichert diese direkt auf dem System.

Je nach Einsatz und Risikoanalyse gibt es unterschiedlich hohe Anforderungen an das Niveau einer Sicherheitslösung. Grundsätzlich sollte man jedoch selbst in weniger kritischen Anwendungen einige einfache Vorkehrungen treffen: Unsichere Protokolle wie Telnet, http, ftp oder SNMP sind möglichst zu vermeiden und verschlüsselte Protokolle zu bevorzugen; nicht benötigte Ports (Protokolle) bestenfalls zu deaktivieren. Default-Passwörter sollten immer geändert und Benutzerrollen zugewiesen werden. 

Attribut 5: Modularisierung

DIMA ist eine neutrale Softwareschnittstelle ­zwischen den Fertigungsmodulen und der ­Produktionssteuerung und basiert auf der digitalen Beschreibung von Fertigungsmodulen mit MTP – Module Type Package – als Kernelement.

© Wago Kontakttechnik

Durch immer kürzere Produktlebenszyklen gepaart mit dadurch kleineren Stückzahlen bis zur individuellen Fertigung der Losgröße 1 ist die Produktion gefordert, sehr flexibel und wandlungsfähig auf diese Anforderung zu reagieren – ohne dabei die Fertigungskosten zu steigern. Die benötigte Wandlungsfähigkeit ist nur mit einer Modularisierung des Produktionsprozesses zu schaffen. Dies gilt nicht nur für die Produktionsmodule, sondern auch für die Automation des gesamten Fertigungsprozesses. Dazu hat Wago im Jahr 2015 die DIMA-MTP-Methodik vorgestellt, die inzwischen auf dem Weg zur internationalen Standardisierung ist. 

Inhalt ist die Standardisierung der Schnittstelle zwischen den Fertigungsmodulen und dem übergeordneten Produktionsleitrechner. Durch diese Standardisierung können ohne Anpassung am Produktionsleitrechner Fertigungsmodule getauscht werden. Vergleichbar mit einem Tauschen von Druckern am PC, die durch den standardisierten Druckertreiber sofort wieder zur Nutzung aktiv sind, hat das DIMA-MTP-Konzept ebenfalls einen Softwaretreiber für das Produktionsmodul: Das Module Type Package (MTP), welches die digitale Beschreibung zum Fertigungsmodul beinhaltet und somit die virtuelle Beschreibung dessen ist, was physisch zur Verfügung steht. Im Detail beschreibt das MTP die Funktionen des Produktionsmoduls, seine visuelle Darstellung im Produktionsleitrechner, Diagnoseinformationen und technische Daten. Aufgebaut ist es in AutomationML, erzeugt wird es bei der Programmierung der SPS – im Engineering-Tool e!Cockpit von Wago sogar ‚auf Knopfdruck‘. 

Eingebettet in die Methodik DIMA ist das MTP damit ein wichtiger Baustein, um die Industrie-4.0-Anforderungen nach modularen Anlagen zu lösen, die nicht nur modular gebaut, sondern ebenso modular automatisiert sind und damit einen wesentlichen Grundstein für die autarke, selbstverwaltende Fabrik legen. Nur so sind Anlagenmodule flexibel und herstellerunabhängig miteinander kombinierbar und damit die Basis für mehr Flexibilität und eine hohe Wandlungsfähigkeit.

Autor:
Ulrich Hempen ist Leiter Market Management Industry & Process bei Wago Kontakttechnik.

Smart Factory begreifen

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Auf der Hannover Messe 2018 können die Besucher am Wago-Messestand in Halle 11 anhand einer virtuellen Saftfabrik erleben, wie Daten aus der Feldebene in die Cloud gelangen, Produktionsdaten über Fabrikgrenzen vernetzt werden, Wertschöpfungsprozesse vom Rohstoffeingang bis Warenausgang optimiert und Anlagenmodule ohne Programmieraufwand getauscht werden können. An mehreren Technologie-Inseln lässt sich dabei selbst ausprobieren, wie leicht beispielsweise das Einrichten einer Site-to-Site-Kommunikation unter Umgehung einer öffentlichen Cloud gelingt.