In Zeiten hochvolatiler Märkte und großer Unsicherheit in den Zulieferketten sind Flexibilität und Wandlungs-fähigkeit entscheidende Erfolgsfaktoren für die produzierende Industrie. Seit Jahrzehnten wird hinsichtlich dieser Kenngrößen optimiert und es werden Lösungen zur vollautomatischen Adaption entwickelt. Dennoch sind die eingesetzten Produktionssysteme weiterhin relativ starr. Maschinen und Anlagen werden speziell auf ein zu fertigendes Produkt zugeschnitten. Hardware und Software sind fest miteinander gekoppelt, meist nicht anpassbar und werden als proprietäres Gesamtsystem vertrieben. Als erfolgreicher Gegenentwurf gilt die IT-Welt mit ihrer hohen Innovationskraft und Dynamik, die sich durch Anpassungsfähigkeit, schnelle Innovationszyklen und einer flexiblen Reaktion auf Kundenwünsche auszeichnet.

Ein Quantensprung hinsichtlich Flexibilität und Wandlungsfähigkeit im Produktionsumfeld lässt sich allerdings nur durch einen Paradigmenwechsel herbeiführen, bei welchem nicht nur Technologien im Fokus stehen, sondern auch Methoden, Prozesse, Geschäftsmodelle und insbesondere das Mindset: es braucht ein Software-defined Manufacturing (SDM).

Das Paradigma der Kontinuität

Im IT-Umfeld ist der Begriff Kontinuität omnipräsent, insbesondere in den Ausprägungen Continuous Integration, Continuous Delivery und Continuous Deployment – also der stetigen Integration neuer Softwarefragmente in den Product Stack, der kontinuierlichen Bereitstellung eines aktuellen Kompilats sowie der automatisierten Installation des aktuellsten Kompilats auf einem definierten Zielsystem. Das zuvor vorherrschende Prinzip der großen regelmäßigen Herausgabe neuer Produktversionen – sogenannter Releases – wird damit von einem Paradigma evolutionärer Softwareprodukte abgelöst, in der sich das Produkt gemeinsam mit den Bedürfnissen seiner Konsumenten kontinuierlich entwickelt. Die Kontinuität in Form der Continuous-X-Ansätze trägt somit entscheidend zu agilen Methoden bei und erlaubt es, frühzeitig auf sich verändernde Bedürfnisse des Marktes zu reagieren. Dies resultiert beispielsweise in schnellen und günstigen Softwareanpassungen aufgrund modularer Systeme, schlanken Prozessen und Routine in deren Durchführung.

Im Kontext von Software-defined Manufacturing (SDM) wird daher das Paradigma von Continuous-X auf die produzierende Industrie zu übertragen. Der daraus resultierende Ablauf ist in Form der beiden überlagerten Schleifen im Bild 1 dargestellt.

Die konventionelle Verwaltung von Anlagen und Produktionssystemen erfolgt typischerweise im Zusammenhang mit Projekten zu Umbauten oder Erweiterungen. Die Darstellung der blauen (äußeren) Schleife beschreibt, dass die Verwaltung von Anlagen und Produktionssystem in SDM-Logik kontinuierlich und mit dem Engineering zusammenhängend betrachtet wird.

Auf dem linken, blauen Flügel findet sich die softwaregestützte Planung und Entwicklung eines Produkts. Der rechte, blaue Flügel bildet das reale System ab und beinhaltet dessen Realisierung, Inbetriebnahme und Betrieb. Im Kreuzungspunkt dieser beiden Flügel findet von links nach rechts der Übergang in die Realisierung und von rechts nach links die Systemanpassungen statt. Bei diesem, soweit bekannten und üblicherweise verwendeten Durchlauf durch die agile Produktentwicklung und Produktion zeigt sich bereits in der Art der Darstellung, dass Kontinuität in Form der reinen Durchgängigkeit und Wandlungsfähigkeit durch die Rückkopplung des Systems in die Arbeit an eben diesem sichergestellt ist.

Um dem Vorbild der Softwareentwicklung in Gänze zu folgen, fehlt jedoch die Möglichkeit agil auf sich verändernde Bedingungen zu reagieren. An dieser Stelle lassen sich die Methoden aus der IT nicht direkt auf die industrielle Produktion übertragen. Der Aufbau und Betrieb einer Fabrik ist wesentlich komplexer und erststreckt sich über ein großes Zuliefernetzwerk mit einer Vielzahl an beteiligten Unternehmen. Um trotz der hier vorhandenen Trägheit des Systems die IT-Methoden nutzen zu können, erweitert der SDM-Ansatz die realen Systeme um virtuelle. Daraus resultieren entsprechend abgewandelte Prozesse. Deren Realisierung erlaubt die Erweiterung des Ablaufs um die zweite, innere, graue Schleife. Links, parallel zum softwaregestützten Engineering auf dem blauen Pfad, unterstützen auf dem grauen Pfad neue Methoden das Engineering nicht länger nur, sondern treiben es eigenständig und leiten, basierend auf Erkenntnissen aus vorangegangenen Durchläufen, selbstständig neue Planungen, Modell- und Softwaregenerationen (zum Beispiel zur Produktionssteuerung) ab. Auf der rechten Seite werden das reale System und ein virtuelles Abbild um den grauen zweiten Pfad ergänzt. Initial erstellte Modelle, Pläne und Softwarefragmente, wie auch darauffolgende Generationen der evolutionären Entwicklung, müssen somit nicht im realen System getestet, sondern können simulativ am digitalen Zwilling erprobt werden um zielgerichtete Verbesserungen vorzunehmen und diese angemessen validieren zu können.
In der Überlagerung beider Schleifen, an deren Kreuzungspunkte der Durchlauf nicht nur von rechts nach links, sondern ebenfalls von blau nach grau und umgekehrt gewechselt werden kann, ergeben sich so viele völlig unterschiedliche Möglichkeiten einen Durchlauf zu realisieren. Diese Flexibilität und die sich daraus ergebende Agilität erlaubt es nun den Gedanken von Continuous X in seiner vollen Breite auf die produzierende Industrie zu übertragen; beispielsweise in den Ausprägungen Continuous Engineering, Continuous Simulation, Continuous Monitoring und Continuous Improvement.

Neues Paradigma, neue Architektur

Aktuelle OT-Lösungen zeichnen sich durch heterogene Technologien, herstellerspezifische Ökosysteme und monolithische Lösungen vom Kabel bis in die Cloud aus. Die Umsetzung von SDM erfordert daher ein Umdenken von der Systemarchitektur bis in die technische Umsetzung. Nach dem Vorbild der IT und dem dort vorherrschenden Divide-and-Conquer Ansatz erfolgt eine Aufteilung des Systems: Kooperierende Teilsysteme, welche klare Aufgaben haben, durch offene Schnittstellen verbunden sind und sich durch Interoperabilität auszeichnen. Entscheidend ist ebenfalls die konsequente Abstraktion mittels eines Schichtenmodells, welches komplexe Technologien für Anwendungen abstrahiert und kapselt.

Bild 1: Kontinuierliche Prozesse auf Basis der SDM-Referenzarchitektur.

© Quelle: SDM4FZI

Die SDM Referenzarchitektur (Bild 1) lässt sich auf drei Ebenen aufteilen: Auf der Anwendungsebene findet die eigentliche Produktion und Wertschöpfung statt. Diese setzt auf einer Ab- straktionsebene auf, welche durch geeignete Referenzmodelle, Verwaltungsschalen und Funktionsschnittstellen eine Interoperabilität zwischen Applikationsmodulen und der Infrastrukturebene garantiert. Die Basis der Architektur bildet die technologische Infrastruktur. Diese vereint Hardware- und Softwarekomponenten sowie die Kommunikation.

Die SDM-Infrastruktur folgt dem as-a-Service-Gedanken. Anwendungen werden nicht für eine spezifische Plattform oder Kommunikationstechnologie entwickelt, sondern verlangen von der Infrastruktur, dass bestimmte Compute- und Kommunikationsressourcen bereitgestellt werden, welche applikationsabhängigen Anforderungen genügen müssen. Die Realisierung obliegt der Infrastruktur selbst.

Zur Umsetzung werden verschiedene aktuelle Technologien genutzt. Zur Bereitstellung von Compute-Ressourcen wird auf verschiedene Virtualisierungslösungen in Form von virtuellen Maschinen und leichtgewichtigen Containerlösungen gesetzt. Insbesondere der Aspekt der Echtzeitfähigkeit ist für viele SDM-Use-Cases von zentraler Bedeutung. Die Kommunikation zwischen einzelnen Plattformen und Systemen ist ebenfalls als integraler Bestandteil der Infrastruktur zu sehen. Im Fokus stehen hier konvergente echtzeitfähige Kommunikationsnetze, welche über eine einheitliche Schicht genutzt werden sollen. Technologisch stehen hier TSN, DetNet, Wireless TSN sowie 5G auf den unteren Kommunikationsschichten im Fokus, OPC UA ist eine zentrale Komponente auf den überlagerten Schichten.

Die technologische Infrastruktur zentral und Top-Down zu „entwickeln“ wird auf Grund der Komplexität als nicht zielführend angesehen. Stattdessen ist es als dynamisches, kontinuierliches Ökosystem zu betrachten, welches im Rahmen von SDM geformt, erklärt und verbessert werden soll.

SDM in der Praxis

SDM ist kein theoretischer Ansatz und lässt sich auch nicht wie ein solcher auf dem Papier entwickeln und anschließend umsetzen. Neben den technologischen Treibern und dem neun Mindset, sind es vor allem Applikationen welche die Entwicklung voranbringen. Innovative Lösungen, welche sich bereits heute mittels SDM realisieren lassen, sind im Folgenden aufgezeigt:

• Virtualisierung: Die Anpassung der Produktion an neue Anforderungen ist kostspielig und aufwendig, geplante Veränderungsfähigkeit erfordert große initiale Investitionen. Durch eine konsequente Trennung von Applikation und darunterliegender Infrastruktur lässt sich eine neue Flexibilität schaffen. So erlaubt die Trennung von Hardware und Steuerungen kontinuierliche Änderungen, Updates und ein neues Maß an Flexibilität und Wandlungsfähigkeit (Continuous Deployment, Continuous Integration). Als konkretes Beispiel sei die Nutzung von virtual PLCs auf einer Edge-Plattform genannt, welche einfach verwaltet und angepasst werden können. Auch ist eine PLC-übergreifende Überwachung sowie Datenverfügbarkeit einfach zu realisieren.
• Inbetriebnahme am digitalen Zwilling: Eine Inbetriebnahme mittels digitaler Zwillinge erlaubt einen effizienteren Prozess, geringere Ausfallzeiten und eine bessere Produktqualität. Die gleichzeitige Nutzung virtualisierter Steuerungstechnik erlaubt eine kontinuierliche Transition vom virtuellem zum realen System. Ein betriebsbegleitender Einsatz digitaler Zwillinge erlaubt zudem eine Prädiktion zukünftiger Ereignisse, auf die bereits vor dem Eintritt reagiert werden kann.
• Durchgängige Datenketten: Die klassische sequentielle Trennung von Engineering und Betrieb wird ersetzt durch einen kontinuierlichen Wechsel zwischen Betrieb und Weiterentwicklung. Die durchgängige Nutzung derselben Modelle über Lebenszyklusphasen hinweg erlaubt eine neue, kontinuierliche Konsistenz und Effizienz (Continuous Engineering). Beispielhaft kann die Anpassung eines Produktionssystems an sich ändernde Anforderungen, wie einer neuen Produktvariante, gesehen werden. Oder die Weitergabe von Daten über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg etwa zur Ermittlung des Gesamt-CO₂-Footprints eines Produkts.
• Monitoring und Optimierung: Eine einheitliche Infrastruktur und Abstraktionsebene ermöglicht ein einfaches Monitoring relevanter Prozessgrößen sowie die effiziente Entwicklung von Mehrwertdiensten zur Optimierung des Systems (Continuous Monitoring, Continuous Improvement). Beispielweise lassen sich Daten für die Überwachung von Maschinenzuständen, Predictive Maintenance und neue Geschäftsmodelle nutzen.

Eine offene Community

Der Übergang zu SDM hat bereits begonnen. Einen Beitrag zu diesem Paradigmenwechsel möchten die Teilnehmer des Forschungsprojekts Software-defined Manufacturing für die Fahrzeug- und Zulieferindustrie (SDM4FZI) leisten. Das Konsortium versteht sich hierbei als offene Community.