Die Digitalisierung ist seit vielen Jahren das zentrale Thema in der Produktionstechnik. Einerseits werden damit die klassischen Ziele wie Produktivität und Präzision verfolgt, andererseits auch zunehmend digitale Mehrwerte wie prädiktive Wartung, KI-basierte Ansätze oder Nachverfolgbarkeit realisiert. Die Entwicklungsprozesse sowie die Sicht auf das Gesamtsystem sind dabei traditionell mit einem Fokus auf die Mechanik und Elektrik verbunden; die digitalen Dienste werden typischerweise als Zusatz gesehen und als konkrete Lösungen für eine konkrete Aufgabe entwickelt. Während es manche dieser Lösungen erfolgreich in die Anwendung schaffen, scheitern viele Ansätze auf dem Weg in die industrielle Praxis. Die Gründe hierfür liegen an einer mangelnden Skalierbarkeit, an hohen Kosten, an Integrationsproblemen und dem komplexen Engineering. Der oft beschworene „Wert der Daten“ wird nicht selten durch die „Kosten der Daten“ zunichte gemacht. Dabei wird oft neidisch auf die Innovationsdynamik anderer Branchen geblickt. Als erfolgreicher Gegenentwurf gilt die IT-Welt mit ihrer hohen Innovationskraft, welche sich durch Anpassungsfähigkeit, schnelle Innovationszyklen und einer flexiblen Reaktion auf Kundenwünsche auszeichnet.

Bild 1. Software-defined Manufacturing – Kontinuität und Konsistenz auf Basis eines Ökosystems.

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Erfolgreich digitalisierte Branchen, etwa die der mobilen Kommunikation, zeigen einen strukturellen Unterschied auf: Die Digitalisierung dient nicht der Umsetzung einzelner Lösungen. Vielmehr etabliert sich daraus ein Ökosystem, in welchem Lösungen auf Basis der zur Verfügung stehenden Ressourcen erwachsen. Ein solches Ökosystem geht weit über ein rein technisches System hinaus: Methoden, Prozesse, Geschäftsmodelle und insbesondere das Mindset sind integrale Bestandteile.

Ein solches Ökosystem zu etablieren, steht im Fokus des Software-defined Manufacturings (SDM). Bild 1 verbindet die zentralen Elemente dieses Ansatzes: Produktionstechnische Anwendungen werden auf Basis von Ressourcen, die mittels Modellen und Schnittstellen abstrahiert sind, realisiert. Dabei wird keine lineare Entwicklungsmethode verfolgt, sondern Engineering, Betrieb und Optimierung stellen einen kontinuierlichen Prozess dar, welcher auf Basis konsistenter Datenmodelle umgesetzt wird. Um den kritischeren Anforderungen der Produktionstechnik Rechnung zu tragen, werden neue Lösungen erst gegen digitale Zwillinge erprobt und nicht, wie im Softwareumfeld üblich, direkt im Feld.

Ein digitales Ökosystem

Heutige Produktionssysteme sind meist relativ starr, häufig speziell für ein zu fertigendes Produkt optimiert, Hardware und Software sind fest miteinander gekoppelt, eine Vielzahl an proprietären Lösungen kommt zum Einsatz und die Kopplung mit IT-Systemen ist limitiert. Dem gegenüber steht der Ökosystem-basierte Ansatz. Mit ihm stehen verschiedene Module als Ressourcen zur Verfügung. Sie erfüllen spezifische Aufgaben und interagieren über standardisierte Schnittstellen. Zudem können diese mittels Methoden der Softwaretechnik zur Erfüllung geänderter Produktionsaufgaben neu orchestriert werden. Sie sind außerdem konsistent und direkt mit IT-Systemen gekoppelt.

Doch wie kann ein solches Ökosystem für die Produktionstechnik entstehen? Der SDM-Ansatz unterscheidet sich zwar signifikant vom Stand der Technik, doch „Software-defined“ an sich ist weit verbreitet: Software-defined Networking (SDN), die gesamte IT-Welt sowie jedes Smartphone setzen diese Idee um. Alle vereinen Software, Hardware und Konnektivität.

Bild 2. Vereinfachte SDM-Architektur: Lösungen und Ressourcen sind durch Daten und Dienste gekoppelt.

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Ein Ökosystem für SDM nach dem klassischen Vorgehen mit Anforderungen, Spezifikation und Umsetzung entwickeln zu wollen, wäre jedoch zum Scheitern verurteilt. Vielmehr müssen die Entstehungsprozesse der oben genannten Beispiele als Vorbild dienen. Eine iterative Entwicklung, welche sowohl applikations- als auch technologiegetrieben ist, muss parallel zur Etablierung des Ökosystems erfolgen. Technologisch gesehen entwickeln sich momentan eine Vielzahl an passender Lösungen, beispielsweise im Kontext echtzeitfähiger Kommunikation mittels Standardtechnologien oder deterministische Compute-Lösungen in Prozessorarchitekturen. Diese Ansätze gilt es zu konsolidieren und zusammenzuführen, sowie wenn nötig, zu erweitern.

Entscheidend für die Etablierung des Ökosystems ist die branchenweite Entwicklung einer gemeinsamen Sichtweise und eines Systemverständnisses. Hierzu wird im Rahmen von SDM eine Architektur definiert, welche im Grundsatz SDM-Lösungen auf der Basis von Ressourcen definiert. Ressourcen müssen dabei durch geeignete Modelle abbildbar und mittels geeigneter integrierter oder externer Dienste software-definierbar sein. Gekoppelt sind Lösungen und Ressourcen über den SDM-Kern, in welchem alle Informationen und Modelle in einem Datenraum zusammengefasst sind und grundlegende Dienste – wie die Orchestrierung – zur Verfügung stehen. Bild 2 stellt die Architektur vereinfacht dar.

SDM-Lösungen können klassische Produktionsaufgaben, digitale Mehrwerte, aber auch eine optimierende Funktion sein. Auf der Ressourcenseite gibt es neben klassischen OT-Systemen – wie Sensoren und Aktoren – auch rein digitale Ressourcen – etwa virtuelle Steuerungen (vPLC) – sowie Infrastruktur, also Rechen- und Kommunikationsressourcen. Diese ganzen Ressourcen gilt es zu virtualisieren: zum Beispiel Plattformen durch virtuelle Maschinen oder Container-Technologien.

Die notwendige Konnektivität

Bild 3. Die Dimensionen der Konvergenz.

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Eine grundlegende Voraussetzung für ein Software-definiertes Ökosystem ist die Konnektivität. Das bedeutet: Alle Ressourcen, angefangen bei der virtualisierten Plattform, über die physischen Komponenten bis hin zum digitalen Dienst, müssen sich identifizieren und konfigurieren lassen. Aber auch miteinander, mit zentralen Diensten sowie mit internen und externen Akteuren kommunizieren. Diese Konnektivität muss den verschiedenen Rahmenbedingungen der Ressourcen genügen, eine hohe Flexibilität und Interoperabilität aufweisen, als auch deterministische Anforderungen erfüllen.

Im Kern gilt es daher, auf interoperable IT-Technologien zu setzen, welche mittels Time-Sensitive Networking (TSN) die deterministischen Anforderungen erfüllen können: Ethernet, drahtlose Verbindungen mit deterministischem Wi-Fi und 5G, sowie DetNet zur Konnektivität über geroutete Netze. Auf den oberen Schichten der Kommunikation kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. OPC UA wird in diesem Zusammenhang ein großes Potenzial zugesprochen. Im Ergebnis ergibt sich ein Netzwerk, das (wie in Bild 3 dargestellt) sowohl hinsichtlich der Datenklassen als auch der der Technologien konvergent ist.
 

Konvergente Kommunikation als Ressource

Aus Sicht des SDM-Ökosystems ist die Kommunikationstechnik eine Ressource, welche verschiedene Aufgaben erfüllen kann: Einerseits ist diese für die grundlegende Konnektivität verantwortlich, andererseits kann sie aber auch eine limitierte Menge an deterministischen Verbindungen zur Verfügung stellen. Damit sich diese Ressource nutzen lässt, muss sie zum einen digital in geeigneten Modellen abbildbar sein. Andererseits muss sie sich aber auch konfigurieren lassen.

Zur Abbildung der Kommunikation gibt es bereits eine Vielzahl domänenspezifischer Modelle für Geräte, Topologien, Konfigurationen aber auch zur Beschreibung von konkretem Datenverkehr. Diese Modelle sind teils von der IEEE oder der IETF spezifiziert. Um diese in eine ganzheitliche Beschreibung eines SDM-Ökosystems zu integrieren, können diese beispielweise mittels Verwaltungsschalen referenziert werden.

Was die Konfiguration betrifft, so bringen die einzelnen Technologien ebenfalls eine große Anzahl an Lösungen mit. In der Regel handelt es sich um Standard-IT-Technologien, welche gemanaged werden müssen. Als zentraler Ansatz steht daher Software-defined Networking im Fokus, wodurch bereits viele Aspekte der Konnektivität abgedeckt werden können. Zur Nutzung der deterministischen Eigenschaften entwickeln sich momentan verschiedene, technologiespezifische Lösungen-Ansätze heraus, beispielweise der des zentralen Managements bei TSN.

Ökosystem: Antwort auf die Komplexität

Die Konfiguration wird nach wie vor als zentrale Herausforderung für die TSN-Technologie insgesamt gesehen. Während für geschlossene TSN-basierte Systeme Lösungen gefunden wurden, sind für komplexe Systeme in einem offenen Ökosystem noch Fragen offen. Insbesondere mehrere, unabhängige Applikationen in Kombination mit virtualisieren Plattformen stellen noch Herausforderungen dar. Wird nicht nur das rein Ethernet basierte TSN betrachtet, sondern beispielweise auch drahtlose Technologien, steigt die Komplexität weiter. Die Meinungen, inwieweit sich diese Herausforderungen mit welchen Mitteln lösen lassen, gehen weit auseinander. So werden einerseits pragmatische Lösungen gesucht, intelligente Tools entwickelt oder auf die Nutzung komplexer Features verzichtet.

Ein Ökosystem bietet hier die Möglichkeit eines anderen Ansatzes: Die Akzeptanz und Ausnutzung der vollen Komplexität durch Kapselung mittels zentraler Dienste und geeigneter Abstraktionsschichten und Modellen. Dieser grundsätzliche Ansatz ist konsistent mit anderen Software-definierten Ökosystemen, beispielweise moderne Mobilfunktechnologien im mobilen Kommunikationssektor oder komplexe Peripherie über USB im Office-Bereich. Dabei kann nicht nur die Konfiguration der Kommunikation an sich gelöst werden, sondern insbesondere auch die Integration mit verwandten Themen wie der Virtualisierung.