Die Einbindung bestehender Maschinen in smarte Prozesse spielt auch im Bereich Service eine zunehmende Rolle, etwa für den Industrie-4.0-Trend Predictive Maintenance: Hier müssen Maschinen selbstständig Informationen über ihren Betriebszustand in die Cloud und damit an Hersteller oder Instandhalter zurückmelden. Auf diese Weise können dann Wartungsprozesse bereits präventiv vor dem eigentlichen Auftreten eines Fehlers ausgelöst werden. Der ERP-Anbieter Asseco Solutions hat auf Basis von Kundenprojekten mit seiner Predictive-Maintenance-Lösung SCS mehrere Methoden entwickelt, auch ursprünglich nicht-intelligente Maschinen mit der Fähigkeit auszustatten, in Industrie-4.0-Szenarien zu kommunizieren. Da jede Fabrik jedoch ihre ganz indi-viduelle Ausgangslage besitzt, handelt es sich um ein komplexes Anwendungsgebiet mit teils sehr heterogenen Lösungsansätzen, auf Software- wie Hardware-Basis. Die konkrete Vorgehensweise ist dabei zunächst hauptsächlich an den Voraussetzungen der einzubindenden Maschine festzumachen.

Softwarezugriff ermöglicht Kommunikation

Falls die Maschine selbst bereits über eine kommunikationsfähige Steuerungssoftware verfügt, kann die Anbindung der Maschine an die Industrie-4.0-Infrastruktur des Unternehmens auf Software-Ebene bewerkstelligt werden. Wurde die Software eventuell sogar vom Kunden selbst entwickelt und besitzt dieser damit den vollen Zugriff auf den Programmcode, kann eine entsprechende Modifikation vom Kunden selbst durchgeführt werden. Auf diese Weise lässt sich dann die Übertragung der relevanten Daten durch die Ma­schine veranlassen. Um solche Daten im IT-System zu empfangen, können Unternehmen beispielsweise auf eine REST-API zurückgreifen. Diese fungiert gleichsam als Endpunkt in der Cloud, an den die Informationen gesendet werden. Da diese Methode am umfassendsten in den Kern der jeweiligen Maschine eingreift, fällt der Großteil der hierfür notwendigen Arbeit dem Kunden zu. Der Anbieter der jeweiligen smarten Technologie kann hier lediglich eine unterstützende Rolle über­nehmen.

Mit Hilfe einer Software-Bibliothek oder Hardware-Box lassen sich auch ursprünglich nicht intelligente Maschinen über die Cloud in Indus­trie-4.0-Szenarien wie smarte Services einbinden.

© Asseco

Alternativ lässt sich hier aber auch auf eine spezielle Software-Bibliothek zurückgreifen, die dem Kunden durch den IT-Anbieter zur Verfügung gestellt wird und die bereits einfache Funktionen für das Senden der Daten beinhaltet. Durch Integration in den Quellcode der Steuerungssoftware können dann entsprechende Aufgaben wie die Nutzung von Protokollen, der Aufbau verschlüsselter Verbindungen oder der Austausch von Zertifikaten auf einfache Art und Weise bewerkstelligt ­werden. Da sich der Entwickler der Maschinensoftware in diesem Fall nicht selbst um die Implementierung der Kommunikationsprotokolle kümmern muss, hat er hier deutlich weniger Eigenleistung zu erbringen als bei einer komplett eigenständigen Implementierung.

Zudem macht die Nutzung einer Software-Bibliothek eine sichere, bidirek­tionale Kommunikation möglich. Damit eröffnen sich weitere Optionen, die über eine reine Datenübermittlung hi­nausgehen und bis hin zum kompletten Update von Steuerungssoftware reichen können. Möglich wäre so beispielsweise eine Funktionalität, welche die einzelnen Maschinen in einer Verwaltungskonsole darstellt, so dass die Verwaltung zentral und effizient bewerkstelligt werden kann. Darüber hinaus könnte die Software-Bibliothek in Maschinensimulationsprogramme eingebaut werden, wodurch sich das Cloud-System auf seine Belastbarkeit bezüglich der Anbindung einer größeren Anzahl von Maschinen testen ließe.

Lösung auf Hardware-Basis

In vielen Fällen ist dem Kunden jedoch kein direkter Zugriff auf die Steuerungssoftware der Maschine möglich, beispielsweise weil aus rechtlichen oder sicherheitstechnischen Gründen keine Modifikationen an der Maschinensoftware durchgeführt werden dürfen. Gerade in hochsensiblen Industriebereichen wie der Medizintechnik ist dies die Regel. In solchen Fällen muss die Anbindung der Maschine an das Industrie-4.0-System auf Ebene der von den Maschinen angebotenen Standard-Schnittstellen bewerkstelligt werden. Dazu könnte beispielsweise eine externe Hardware-Box zum Einsatz kommen.

Eine solche Komponente ermöglicht es, Maschinensteuerungen, aber auch analoge oder digitale Sensoren sowie SPS direkt anzubinden. Auf diese Weise können die notwendigen Daten erfasst und anschließend sicher in die Systeme der smarten Fabrik übertragen werden. Dabei lässt sich für die Hardware-Box dieselbe Software-Bibliothek nutzen, die im vorigen Szenario die unmittelbare Zusammenarbeit mit der Steuerungssoftware der Maschine übernimmt. Im Falle der Hardware-Box muss die Bibliothek die benötigten Kommunikationsprotokolle wie zum Beispiel Modbus, Bluetooth, MQTT oder ZigBee beherrschen. Eine entsprechende Flexibilität ist hier vor allem aus dem Grund wichtig, weil die Lösung auch für zukünftige Anforderungen gerüstet sein muss.

Um die gesammelten Informationen anschließend in die Cloud zu über­tragen, bestehen wiederum zwei Möglichkeiten: Zum einen kann die Hardwarebox unmittelbar an das Internet angeschlossen werden. Alternativ könnte die Komponente mit einem GSM-Modul geliefert werden, also mit einer eigenen SIM-Karte, über die sie auch ohne lokalen Internet-Anschluss in der Lage wäre, zu kommunizieren. Die Methode der Wahl richtet sich wieder nach den spezifischen Voraussetzungen an der Maschine und in der Fabrik: Beispielsweise sind in vielen Produktionsumgebungen die Netzwerke isoliert und vom Verwaltungsbereich sowie dem Internet abgeschottet, so dass ­alternativ auf eine andere Über­tragungsmethode zurückgegriffen werden muss.

Smarte Sensoren im Einsatz

Als Alternative zu einer externen Hardware-Komponente besteht die Möglichkeit, unmittelbar an den Sensoren selbst anzusetzen und über diese die Kommunikation der Maschine mit der smarten Fabrik zu ermöglichen. Hierzu können beispielsweise die an der Maschine vorhandenen Sensoren durch smarte Sensoren ersetzt werden. Entsprechende Produkte werden bereits von Drittherstellern angeboten. Solche Sensoren erfassen die notwendigen Daten und senden diese mittels einer sogenannten Bridge in die Cloud. Da die zugehörigen Funksensoren in der Lage sein müssen, mit einer Batterie möglichst lange zu senden, stellt die Nutzung eines echten, verbrauchsintensiven Wi-Fi keine Alternative dar. Die smarten Sensoren greifen vielmehr auf Kommunikationsstandards wie Bluetooth LE zurück, um sehr energiesparend in der Produktionshalle zu kommunizieren. Der Nachteil dieser Variante besteht allerdings darin, dass es sich bei den aktuell verfügbaren Lösungen momentan noch um die spezifischen Systeme einzelner Hersteller handelt. Um aus den Daten der smarten Sensoren beispielsweise in Szenarien wie Predictive Maintenance tatsächlich verwertbare Schlüsse ziehen zu können, ist daher ein weiterer Schritt nötig: Sie müssen zunächst erst wieder konsolidiert und mit Daten aus anderen Systemen – beispielsweise Auftragsdaten oder Informationen zu Maschinenauslastungen aus dem ERP-System – angereichert werden.

Die Alternative Mensch

Im weitesten Sinne können auch Menschen die Funktion von Sensoren übernehmen – indem sie etwa mit Hilfe analoger oder digitaler Tags für die Übertragung von Informationen in die smarte Fabrik sorgen. Hierzu können beispielsweise QR-Codes oder auch NFC-Tags genutzt werden, die bei Bedarf vom Maschinenführer gescannt werden. Auf diese Weise könnte er Zugriff auf ein spe­zielles Portal erhalten, in dem sich bestimmte Aktionen unmittelbar auswählen lassen: Von der Rückmeldung des aktuellen Maschinenzustands über Eröffnen eines Service-Tickets bis hin zum Abruf wichtiger Anleitungen oder Dokumentationen. Alternativ können diese Aktionen auch fest in den jeweiligen Tag integriert werden, so dass die Aktionen unmittelbar durch Scannen des Tags ausgelöst werden. Damit würde die Notwendigkeit eines zwischengeschalteten Portals entfallen. Selbstverständlich ermöglicht diese Methode nur eine eingeschränkte Kommunikation und eignet sich daher in erster Linie zur ­Prozessoptimierung und Unterstützung des Maschinenführers. Je nachdem, welche Zielsetzung ein konkretes Industie-4.0-Szenario verfolgt und welcher Grad an Eingriffen in Soft- oder Hardware überhaupt zulässig ist, kann dies durchaus als leicht umsetzbare Alternative ohne jegliche Modifizierungen in Betracht gezogen werden.

Praxis erfordert Kombination

Ob die Kommunikation der Maschine mit der Cloud nun über eine modifizierte Steuerungssoftware oder entsprechende Hardware-Komponenten bewerkstelligt wird, hängt in erster Linie von den jeweiligen Gegebenheiten im vorhandenen Maschinenpark ab. Vom Ergebnis her betrachtet ermöglichen beide Varianten denselben Einbindungsgrad der Maschine in die smarte Fabrik. In der Praxis ist in der Regel eine Kombination beider Verfahren erforderlich: In vielen Firmen befinden sich unterschiedlichste Maschinengenerationen mit unterschiedlichsten Intelligenzgraden gleichzeitig im Einsatz. Ein Teil der Maschinen kann daher vielleicht auf Basis der Software-Steuerung eingebunden werden, wohingegen der andere Teil die Modifikation der Hardware notwendig macht. In jedem Fall muss der jeweilige Lösungsansatz individuell auf den Einzelfall zugeschnitten werden – und die Einbindung nicht-smarter Maschinen immer als individuelles Kundenprojekt verstanden werden, nie als fertige Lösung von der Stange.

Autor:
Christian Leopoldseder ist Vice President Operations bei Asseco Solutions.