Erschienen am: 19.11.2015, Ausgabe SPS-MAGAZIN SPSS 2015

Intelligente Vernetzung und Analyse heterogener Systeme und Daten

Rückgrat der smarten Fabrik

Ohne durchgängige IT-Infrastruktur und standardisierte Schnittstellen ist Industrie 4.0 zum Scheitern verurteilt. Weiterer elementarer Aspekt ist die Analyse der anfallenden Daten. Als Mitglied im SmartFactory-Verbund will IBM hier ansetzen und trotz der unterschiedlichen Hersteller und Systeme ein durchgängiges digitales Abbild der gesamten Anlage schaffen.

Autoren: Dr. Siegfried Florek, IBM Deutschland GmbH;
Plamen Kiradjiev, IBM Deutschland GmbH.


Die SmartFactory KL auf der SPS IPC Drives

Die SmartFactory und das DFKI stellen in Nürnberg gemeinsam mit 15 Partnern aus der Industrie aus. Schräg gegenüber des Forums 'Automation meets IT' zeigt das Partnerkonsortium seine Vision der industriellen Produktion. Besonderheit der Demonstrationsanlage ist die Interoperabilität zwischen Modulen, Infrastruktur und IT-Systemen, die über verschiedene Hersteller hinweg durch einheitliche Schnittstellen realisiert ist. Die Produktionsschritte des beispielhaften Prozesses sind auf einzelne, autarke Module aufgeteilt, die beliebig aneinandergereiht werden können. Das daraus entstehende Plug&Produce soll den Konfigurationsaufwand einer Produktionsanlage stark reduzieren. Dabei kommunizieren Produkte, Maschinen und IT-Systeme direkt miteinander. Die Partner haben im Demonstratorprojekt zum Teil bereits marktreife Produkte entwickelt. Weiterhin steht beim Projekt SmartFacroty auch der Mensch im Blickpunkt. Neuartige Interaktionstechnik via Augmented Reality und Co. bieten dem Werker bedarfsgerechte Unterstützung bei Instandhaltungs-, Schulungs- oder Montagetätigkeiten.

Bild 1: Intelligent, modular, herstellerübergreifend – die Industrie-4.0-Anlage von SmartFactoryKL
Bild: SmartFactoryKL

Erst mit einer nahtlosen vertikalen Integration von Maschinendaten und der horizontalen Integration von Planungs-, Produktions- und Logistikdaten sowie weiteren relevanten Einflussgrößen und deren umfassender Analyse lässt sich das Potenzial von Industrie 4.0 ausschöpfen. Zudem müssen die Schnittstellen für ein reibungsloses Plug&Produce erst noch geschaffen werden. Erst damit kann sichergestellt werden, dass Maschinen oder Fertigungsmodule nahtlos miteinander kommunizieren und zu jedem Zeitpunkt und an jeder Stelle im Produktionsprozess ausgetauscht oder modifiziert werden können. Der Beitrag von IBM zum Demonstrator SmartFactory KL als herstellerübergreifende modulare Industrie-4.0-Anlage umfasst daher Lösungen für die Datenintegration sowie Analyse und konzentriert sich daher auf drei Aspekte:

1. Vertikale und horizontale Integration, um Daten aus den Maschinen und anderen relevanten Systemen zu extrahieren,

2. Sammlung aller relevanten Daten in einem Data Historian sowie

3. Einsatz von intelligenten mathematischen und analytischen Modellen, mithilfe derer aus der (deterministischen) Vergangenheit gelernt wird.

Integration Layer als Schlüssel

Die Datenintegration erfolgt über einen sogenannten Integration Layer, mit dessen Hilfe einheitliche Schnittstellen zu Modulen und Infrastruktur geschaffen werden. Dabei werden verschiedene Informationen, wie die dynamische Energiedatenanzeige, der Betriebszustand beziehungsweise -modus, Daten zur Produktverfolgung sowie weitere Informationen, die im Produktionskontext entstehen, gesammelt und in einem einheitlichen Format zur späteren Anzeige oder Analyse vorbereitet. Die Datenanalyse greift auf die über den Integration Layer gesammelten Daten im Data Historian zu und schafft wiederum die Voraussetzungen für folgende Aktionen: den Produktionsleitstand in Echtzeit zu führen, Topologieveränderungen aktuell zu visualisieren, im Sinne einer vorausschauenden Instandhaltung präventiv einzugreifen sowie eine nutzerspezifische Sicht auf die Anlage zu gewährleisten. Darüber hinaus erlaubt die Sammlung historischer Daten aus der Anlage einen vereinfachten Zugriff auf Anlagendokumentationen für den Wartungsfall.

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Aktuelles Zustandsbild

Eine besondere Herausforderung des Plug&Produce-Ansatzes ist die kontrollierte Abschaltung eines Moduls in der Anlage, um im Fehlerfall den Abbruch der Produktion und daraus entstehender Folgefehler zu vermeiden. So wird daran gearbeitet, nicht nur ein aktuelles Zustandsbild der SmartFactory zu erhalten, sondern auch eine zentrale Kontrollmöglichkeit mit Durchgriff auf alle Module der Anlage zu schaffen. Der Integration-Bus, als Drehscheibe für die Kommunikation aller Module in einer Produktionslinie, liefert hierfür einen wichtigen Integrations- und Orchestrierungsbeitrag. Basis für den Demonstrator ist das mit allen Modulherstellern vereinbarte OPC-UA-Protokoll, mit dem die Modul- und Produktdaten über die OPC-UA-Input-Knoten des IBM-Integration-Bus im Data Historian gespeichert werden können. Die daraus entstehenden Echtzeit- und historischen Reports liefern die Grundlage für die Datenanalyse und Live-Topologie-Darstellungen zur Steuerung der Anlage und zur Prävention. Sie werden im konkreten Fall mithilfe der IBM-Tools Cognos und SPSS analysiert. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:

  • • schnellere und gezieltere Prävention
  • • flexible Produktionsplanung nahezu in Echtzeit
  • • höhere Produktqualität
  • • einfachere Interaktionen, beispielsweise bei der Wartung
  • • die Möglichkeit herstellerübergreifender Produktionsprozesse

Darüber hinaus wird über die zentrale Integrationsschicht gleichzeitig ein Security-Gate geschaffen, das einerseits die Kommunikation der Maschinen untereinander ohne sicherheitsbedingte Unterbrechungen gewährleistet, andererseits aber unautorisierte Zugriffe von außen nahezu unmöglich macht.

Digitales Abbild als Leitidee

Die Leitidee des IBM-Beitrags zur SmartFactory KL ist das exakte digitale Abbild der Anlage. Es kombiniert Daten aus Maschinen, Anlagen und Systemen, um Fragen rund um Qualität, Kontinuität oder Anomalien der Produktion zu beantworten und die operationale Exzellenz zu steigern. Ein solches digitales Abbild stellt eine einheitliche, konsolidierte, sehr flexible Sicht auf die ganze Anlage bereit und ermöglicht zudem den zentralen Zugriff auf die modulspezifischen HMIs über herstellerspezifische Tools. An dieser Vision arbeitet IBM gemeinsam mit allen beteiligten Partnern. Doch dazu müssen noch weitere Schritte in Angriff genommen werden. Neben der bereits erwähnten zentralen Kontrollmöglichkeit ist es auch ein Ziel, intelligente Sicherheitsmechanismen direkt in die Anlage einzubetten, um auch unterhalb des Integration Layers für noch mehr Sicherheit zu sorgen. Damit wird die durch den Integration Layer bereits realisierte Trennung zwischen Produktion und IT um spezifische Security-Intelligence-Werkzeuge erweitert. Sie sind in der Lage, Anomalien in den Prozessen frühzeitig zu erkennen und gegebenenfalls direkt darauf zu reagieren. Schließlich soll mit erweiterten Datenservices eine noch genauere Analyse zum Zustand und der Leistung der Anlage möglich werden.

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