Expertenumfrage Automatisierungslösungen: Das sind die Schlüsselfaktoren zum Erfolg

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Durch den Einsatz von Automatisierungslösungen wollen Unternehmen demografische Herausforderungen meistern, die Produktivität steigern und Kosten senken. Die Einführung automatisierter Abläufe und die zunehmende Vernetzung bringen bisweilen jedoch neue Herausforderungen mit sich. Wir haben acht Experten dazu befragt.

Die zunehmende Vernetzung von Maschinen, Systemen und Produkten ist ein nachhaltiger Trend in der Automatisierungstechnik, der leider auch Cyberkriminellen immer mehr Angriffsflächen bietet. Die Analyse und Bewertung dieser Risiken, da sind sich die von uns befragten Automatisierungsexperten einig, steht für alle Systemhersteller und -betreiber daher an erster Stelle. Welche Möglichkeiten gibt es?

Die Integration KI-gestützter Systeme ist ein weiterer Dauerbrenner, der die Branche dieser Tage bewegt. Was können diese Systeme und wo kommen sie Stand heute zum Einsatz?

Und last but not least: Welche Probleme treten auf, wenn man hochmoderne Automatisierungslösungen in bereits bestehende Anlagen integrieren will, und wie geht man am besten vor?

Fragen an die Experten:

• 1. Wie beeinflusst die zunehmende Vernetzung von Automatisierungssystemen die Datensicherheit und welche Maßnahmen sind erforderlich, um Risiken zu minimieren?
• 2. Wie lassen sich KI-gestützte Systeme in der Automatisierung heute nutzen, um Produktions- oder Wartungsprozesse zu optimieren?
• 3. Welche Herausforderungen treten häufig bei der Implementierung von Automatisierungslösungen in bestehenden Anlagen auf?

Sorgfältige Planung bei Implementierung notwendig

1. Gerade bei vernetzten Automatisierungssystemen ist eine große Beeinflussung der Sicherheit durch hohe Datenmengen und auch durch kriminelle Energie oder Sabotage zu befürchten. Maßnahmen, die die Sicherheit steigern, sind, die Systeme auf dem neuesten Stand zu halten (inklusive der Verschlüsselungsprotokolle) und die kritischen Systeme von den weniger sensiblen Netzwerken zu trennen. Zur Begrenzung von Risiken sind sicher Schulungen, Audits und auch die Implementierung von Erkennungs- und Überwachungsprogrammen ratsame Aktivitäten.

2. In der Produktion erfolgt die Überwachung der Daten idealerweise in Echtzeit dank Software, um zum Beispiel Engpässe oder Energie- oder Materialverschwendung zu vermeiden. Zudem werden Systeme zur Steuerung der Produktion auf KI-Basis genutzt, die dabei helfen, Temperaturen, Drücke, Durchflussmengen und andere Geschwindigkeiten im laufenden Betrieb anzupassen. Diese KI funktioniert ähnlich wie die der Steuerungssysteme, die wir bei Bereitstellung der digitalen Zwillinge unserer Industriestoßdämpfer von ACE Stoßdämpfer zur Integration in virtuelle Entwicklungsmodelle anbieten. Und zur Wartung lassen sich Sensoren und solche Algorithmen einsetzen, dank derer die Maschinen laufend trainiert und smarter gemacht werden. In beiden Fällen ermöglicht die KI also Effizienz- und Qualitätssteigerungen sowie Zeit- und Kostenersparnisse.

3. Die Implementierung von Neuem in Existierendes ist oft sowohl technisch wie organisatorisch gleich anspruchsvoll. Daher sind eine sorgfältige Planung und die Nutzung standardisierter Verfahren im Zusammenspiel mit erfahrenen Technologiepartnern nötig, um technische, organisatorische und kulturelle Herausforderungen zu überwinden. Erfolgt die Integration von Automatisierungslösungen in bestehende Anlagen schrittweise und gut durchdacht, zum Beispiel auch begleitet von Schulungen und Testphasen, ist sie auch erfolgreich. Berücksichtigt sie zudem die technischen Anforderungen auf einer vergleichbar hohen Stufe wie die Bedürfnisse der Mitarbeitenden und des Unternehmens, sind die Weichen für Neues verantwortungsvoll, nachhaltig und zukunftssicher gestellt.

KI-gestützte Automatisierungslösungen: Potential für Produktionsbetriebe

1. Erstens: Datensicherheit muss generell von Anfang an geplant werden. Wird dann innerhalb eines Werkes über die Zeit mehr vernetzt, entsteht zuerst einmal kein höheres Risiko. Zweitens: für viele Diagnosen und Optimierungen via Daten sind „Leserechte“ ausreichend, d.h. Definitionen wie die NOA-Diode bei der NAMUR sind ein Weg für mehr Sicherheit. Risikominimierung kann auch über gemanagte Netzwerke erreicht werden: zum Beispiel ein Router pro Maschine. Bei globaler Vernetzung von Werken sind umfangreichere Maßnahmen nötig: hier helfen spezialisierte Partner. Doch das Wichtigste sind fast immer die eigenen Mitarbeiter: Sensibilisierung und Schulung sind der Erfolgsfaktor.

2. Hier liegt das größte Potential für Produktionsbetriebe, weil durch Predictive Maintenance und Predictive Quality zwei maßgebliche Kennzahlen einer Produktion (TPM, OEE) zeitgleich massiv verbessert werden können. Kunden, die beispielsweise Festo AX als KI-Lösung einsetzen, erzielen bis zu 25 Prozent weniger ungeplanten Stillstand oder sparen 30.000-100.000 Euro Ausschusskosten pro Maschine p.a. ein. Besonders bei komplexen Produktionsprozessen kann ein KI-System Korrelationen aufdecken, die bislang unentdeckt blieben. Neben der KI-Technologie ist allerdings die Erfahrung mit den mechatronischen Produktionsabläufen ein Schlüsselfaktor zum Erfolg, weswegen ein KI-Partner genau hier stark sein muss (Software kann fast jeder, das allein hilft aber nicht!)

3. Die Konnektivität ist meist das zentrale Problem: Die SPS erlaubt bei sehr alten Anlagen keinen Zugriff auf Daten nach gängigen IT/OT-Standards - und viele relevante Daten sind zudem nicht einmal auf der SPS verfügbar. Oft kann zwar rein technisch nachgerüstet werden, doch bleibt das oftmals unwirtschaftlich. Festo bietet jedoch standardisierte KI-Apps an, die im Brownfield nachgerüstet werden können, wenn die Maschinen über Ethernet-basierte Feldbussysteme/SPS‘en verfügen. So kann zum Beispiel Predictive Maintenance für pneumatische und elektrische Aktuatoren aller Hersteller wirtschaftlich implementiert werden.

Vernetzung bringt auch Risiken mit sich

1. Die zunehmende Vernetzung erhöht in der Regel die möglichen Einfallstellen von Schadsoftware. Zusätzlich steigt das Schadenspotenzial deutlich. Die Trennung einzelner Systeme sowie ein striktes Benutzer- und Rechtemanagement sind daher unabdingbar.

2. KI-Prozesse haben heute ihre Kernanwendung in der Bildverarbeitung wie zum Beispiel bei der Qualitätssicherung oder auch bei der Steuerung von Bin-Picking. Zukünftig wird KI eine Schlüsselfunktion in der Aufarbeitung der Daten des digitalen Zwillings übernehmen, Anomalien erkennen und auch Ausfälle vorhersagen.

3. Die digitalen Schnittstellen in den Altlösungen sind oft nicht für eine Automatisierung ausgelegt. Häufig benötigen Automatisierungen zusätzlichen Bauraum, der nicht immer vorhanden ist. Am Ende stellt sich dann die Frage, ob ein Betriebsmittelersatz mit einer vollautomatisierten Lösung nicht die wirtschaftlichere Variante darstellt. Harting

Optimaler Einsatz von KI bei Automatisierungslösungen

1. Je mehr Systeme untereinander kommunizieren und miteinander vernetzt sind, desto mehr Daten entstehen und müssen verarbeitet werden. Manipulation, Datendiebstahl oder unberechtigter Zugriff sind daher tägliche Gefahren, mit denen sich die Betreiber auseinandersetzen müssen. Für die Datensicherheit heißt das: sie war noch nie so wichtig wie heute. Das haben auch Regulierer erkannt und verpflichtende Anforderungen sowohl für Systemhersteller (beispielsweise EU Cyber Resilience Act, EU RED Delegated Act, EU Machine Regulation) als auch Systembetreiber (EU NIS2-Richtlinie) definiert. Die erforderlichen Schutzmaßnahmen müssen meist individuell, basierend auf einer Risikoanalyse, bestimmt werden und können von etablierten Standardkonzepten bis zu maßgeschneiderten Security-Lösungen reichen.

2. Künstliche Intelligenz spielt schon heute eine große Rolle in der Fertigung. Für die Fabrik der Zukunft, davon bin ich überzeugt, wird der optimale Einsatz von KI zum Differenzierungsmerkmal. Ein Beispiel ist die exakte Wartungsvorhersage von Fertigungsanlagen, um Stillstand und damit Kosten zu minimieren. Schon heute sind Maschinen in der Lage zu lernen und zu erkennen, ob und wo sie gewartet werden müssen und wann dafür der optimale Zeitpunkt ist. Die Fähigkeit von Maschinen, aus gesammelten Daten zu lernen und sich im Betrieb selbst zu optimieren, wird rasant zunehmen. Professionelles Software- und Systems Engineering ist der Schlüssel, um diese steigende Komplexität zu beherrschen und das Gesamtsystem erfolgreich zu vernetzen.

3. Die heutige Fabriklandschaft ist so datengetrieben wie nie zuvor. Allerdings sind die Daten innerhalb einer Fertigung sehr heterogen und häufig in verschiedenen Silos „vergraben”. Langsame Fortschritte bei Digitalisierungsprojekten, schwer zu wartende Skripte und hoher Anpassungsaufwand bei sich ändernden Anforderungen sind die Folge. Und all das erschwert die Vernetzung und damit die Automatisierung der einzelnen Produktionsbereiche. Künftig ist es entscheidend, bereits bei der Planung neuer Maschinen oder Montagelinien mitzudenken, wie Daten optimal erfasst werden. Nur so lassen sich Prozess- und Maschinendaten effizient nutzen, um Abläufe und Prozesse zu optimieren und datengetriebene Use-Cases zu skalieren. ITK Engineering

Fragen an die Experten: 

• 1. Wie beeinflusst die zunehmende Vernetzung von Automatisierungssystemen die Datensicherheit und welche Maßnahmen sind erforderlich, um Risiken zu minimieren?
• 2. Wie lassen sich KI-gestützte Systeme in der Automatisierung heute nutzen, um Produktions- oder Wartungsprozesse zu optimieren?
• 3. Welche Herausforderungen treten häufig bei der Implementierung von Automatisierungslösungen in bestehenden Anlagen auf?

Eine Chance für höhere Produktqualität und niedrigere Kosten

1. Durch die zunehmende Vernetzung von Automatisierungslösungen und allen smartifizierten Geräten in einem heterogenen Fertigungsumfeld entstehen immer mehr Einfallstore für Cyberangriffe und das Risiko eines Produktionsausfalls steigt. Im schlimmsten Fall sind das gesamte Netzwerk und sämtliche Geräte sowie IT-Services betroffen, was zu einem Totalausfall führt. Um dieses Risiko erheblich zu reduzieren und einen potenziellen Schaden zu begrenzen, sollten die Netzwerke segmentiert werden. Die Umsetzung der gesetzlichen Richtlinien - wie NIS2 - bietet einen Leitfaden und spiegelt den Stand der Technik sowie der organisatorischen Prozesse wider. Die Aktivitäten beginnen mit einer Bestandsaufnahme und Bewertung des aktuellen Netzwerks und der Datenströme gemäß IEC 62443, sodass Schwachstellen aufgezeigt und Maßnahmen eingeleitet werden können. Anschließend folgt eine permanente Überwachung von Netzwerken und Anomalien sowie die Sicherstellung eines Device- und Patch-Managements. Darüber hinaus stellt die Sensibilisierung aller Mitarbeitenden eine wichtige Maßnahme dar. Über Trainings können die derzeitigen Bedrohungen transparent gemacht und es kann für angemessene Schutzmaßnahmen gesorgt werden.

2. Ein KI-basiertes System unterstützt den Wartungs- und Produktionsprozess durch die automatisierte Analyse von Prozess- und Verbrauchsdaten. Dabei ist das KI-System in der Lage, die Beziehungen zwischen Fehlerursache und Auswirkung festzustellen, ähnlich wie ein erfahrener Maschinenbediener, der untypische Geräusche oder Verhalten der Anlage direkt beseitigen kann. Dem Wartungsteam wird es so möglich, sich auf die Beseitigung der Probleme zu konzentrieren. Das vermeidet Stillstände, bevor es zu teuren Ausfällen kommt. KI-gestützte Systeme sind heute in unterschiedlichen Applikationen im Einsatz, wobei die Anwendungsvielfalt und Usability steigen. Während es nicht mehr nur um die vorausschauende Wartung oder Prozessverbesserung geht, zielen immer mehr Ansätze auf die Optimierung von Ressourcen wie Energie, Wasser oder Stickstoff ab. Zusätzlich lässt sich der CO2-Verbrauch reduzieren, zum Beispiel durch bessere Verbrennungsprozesse. Eine Qualitätskontrolle in Verbindung mit der Anomalieerkennung erhöht die Produktqualität und senkt die Kosten.

3. Die größten Herausforderungen in Brownfield-Anlagen sind eine Vielzahl unterschiedlicher Schnittstellen sowie proprietäre Systeme, die wenig Flexibilität zulassen und Innovationen limitieren. Hinzu kommen nicht-smarte Geräte, die nur schwer einen Datenzugang ermöglichen oder bei Veränderung sogar Zertifizierungen verlieren. Standards sind hier der Schlüssel. Es gibt viele verschiedene Protokolle und Schnittstellen im OT- und IT-Umfeld. Standards wie MQTT und OPC UA erhalten deshalb eine immer größere Bedeutung, aber auch die Modularisierung von Software via MTP (Module Type Package) macht die Integration einfacher. Offene und skalierbare Systeme erweisen sich als Muss, denn sie sorgen für Investitionssicherheit bei der zukünftigen Erweiterung bestehender Anlagen. Phoenix Contact

Höhere Cybersicherheit für KI-gestützte Systeme nötig

1. Die Vernetzung von Automatisierungslösungen steigert die Effizienz erheblich und bietet zahlreiche Vorteile. Mit der zunehmenden Vernetzung wird auch die Bedeutung von Cybersicherheit und Datenschutz stärker betont. Vernetzte Systeme ermöglichen einen umfangreicheren Datenaustausch, was die Notwendigkeit für robuste Sicherheitsstrategien unterstreicht. Folgende Maßnahmen wirken unterstützend: Netzwerksegmentierung zur Begrenzung von Sicherheitsverletzungen, starke Authentifizierung und Kontoverwaltung, robuste Verschlüsselungsprotokolle für Datenaustausch, regelmäßige Sicherheitsbewertungen und Updates.

2. KI-gestützte Systeme bieten unseren Siemens Motion Control-Kunden zahlreiche Möglichkeiten zur Optimierung. Der Schlüssel zum Erfolg ist die Entwicklung von Komponenten-, Use Case- und industriespezifischer Lösungen, welche wiederholbar und skalierbar bei den Kunden sind. Unser Ansatz ist, vorgelagerte und Domäne-spezifische KI-Algorithmen zu entwickeln, um Anomalien zu erkennen, Fehler prädiktiv zu vermeiden und die verbleibende Nutzungsdauer vorherzusagen. Wir kombinieren datengetriebene Ansätze mit dem Motion Control Know-how. Innerhalb dieser Fertigungsbereiche spielen Produktionsoptimierung und Wartungsoptimierung eine wichtige Rolle: Qualitätskontrolle, Prozessautomatisierung, vorausschauende Instandhaltung, automatisierte Diagnose.

3. Die Implementierung von Automatisierungslösungen in bestehenden Anlagen kann mit verschiedenen Herausforderungen verbunden sein. Dazu gehören technische Aspekte: Die Eingliederung neuer Automatisierungslösungen in bestehende IT-/OT-Infrastrukturen sowie Geschäftsprozesse. Kompatibilitätsprobleme: Unterschiedliche Systeme und Technologien müssen reibungslos zusammenarbeiten, was oft Anpassungen und spezielle Schnittstellen erfordert. Hinzu kommen Sicherheitsaspekte durch die IT-/OT-Konvergenz, denn die Vernetzung von Systemen erhöht das Risiko von Cyberangriffen und erfordert robuste Sicherheitsmaßnahmen. Der Umgang mit großen Datenmengen erfordert zudem Maßnahmen zum Schutz vor Datenschutzverletzungen.

Dezentrale Automation für den modularen Maschinenbau

1. In erster Linie ist es die Notwendigkeit einer Analyse und Bewertung der Risiken, die nun auch normativ zunehmend verankert wird. Datensicherheit hat aber verschiedene Facetten. Ein Prinzip ist die Verarbeitung von Daten direkt an den Stellen, wo sie anfallen. Automatisierungskomponenten werden immer leistungsfähiger, was heute eine direkte Verarbeitung ermöglicht. Wir bei Turck nennen das „dezentrale Automation für den modularen Maschinenbau“. Daten, die nicht erst übertragen werden müssen, sondern lokal ausgewertet werden, unterliegen einem geringeren Risiko als die Übertragung von der Automation in die IT-Welt. Auch diese Übertragung kann notwendig und vorteilhaft sein. Für diesen Fall sind Turcks Automatisierungskomponenten, etwa unsere Managed Ethernet-Switches, mit vielen Funktionen wie Firewall oder Broadcast-Storm-Protection ausgestattet, um die Datensicherheit zu gewährleisten.

2. KI- oder besser Machine-Learning (ML)-basierte Systeme sind nur sehr gezielt in der Automatisierung nutzbar. Breitbandig angelegte KI-Tools eignen sich eher zum Einsatz einer höher aggregierten Ergebnis-Datenebene. Machine Learning kann etwa Anomalien detektieren und durch gezielte Auswertungen einen bevorstehenden Defekt erkennen. In der Automatisierungswelt ist der Reifegrad solcher Lösungen unterschiedlich ausgeprägt. Bei Vision-Systemen etwa ist der Einsatz zur Qualitätskontrolle schon weit vorangeschritten. Wartungsprozesse lassen sich bereits heute durch ML optimieren, indem sie Abweichungen des Eingelernten früh detektieren und auf nötige Wartung hinweisen, oder Wartungen, die bisher periodisch stattfanden, flexibel anpassen.

3. Je älter eine bestehende Anlage ist, desto aufwändiger und kostenintensiver wird die Implementierung moderner Automationslösungen. Oftmals ist eine der Herausforderungen, eine datentechnische Anbindung an die vorhandene Steuerung zu schaffen. Hier schafft Turck durch die IoT-Gateways Abhilfe: Mittels vorhandener Schnittstellen lassen sich Turck-Geräte wie IoT Controller an sehr viele, auch ältere Steuerungen anbinden, ohne die Steuerungslogik zu verändern. Ein Datentransport in die IT-Welt oder vorverarbeitende Zusatzfunktionen sind so in den meisten Fällen problemlos möglich und umsetzbar. So gelingt die Digitalisierung mit der notwendigen Transparenz und dem Datentransport in die IT-Welt.

Automatisierungslösungen für mehr Zuverlässigkeit

1. Unsere Kunden wissen, wie wichtig es ist, Daten aus verschiedenen Quellen zu sichern und bei der digitalen Transformation einen Security-by-Design-Ansatz zu verfolgen. Als eines der weltweit führenden Unternehmen im Bereich der industriellen Automatisierung integrieren wir bei Honeywell die Cybersicherheit von Anfang an in unser Portfolio.

2. Künstliche Intelligenz (KI) optimiert industrielle Prozesse, indem sie Kontrolle, Zuverlässigkeit und Predictive Maintenance verbessert. Darüber hinaus reduziert ein KI-gestütztes Monitoring sowohl Ausfälle als auch Emissionen. Und letztlich federt sie auch den Fachkräftemangel ab, da junge Techniker rasch und exakt Antworten finden, um komplexe Wartungsprobleme zu lösen. Die deterministische KI bietet das größte Potenzial für die Industrie. Dank klar definierter Algorithmen liefert sie konsistente, wiederholbare Ergebnisse. Deshalb eignet sie sich besonders für Aufgaben, die eine hohe Präzision und Zuverlässigkeit erfordern.

3. In einer kürzlich von Honeywell durchgeführten Umfrage unter 1.600 führenden Industrietechnikern weltweit haben wir uns die Herausforderungen und Chancen der KI-Implementierung näher angeschaut: Dabei gaben 94 Prozent der Befragten an, dass ihre Unternehmensführung hinter der Einführung von KI steht. 91 Prozent entdeckten während der Implementierung neue Anwendungsfälle. Aber es gab auch Herausforderungen bei der Implementierung, unter anderem Geräte, die nicht KI-kompatibel sind. Auch die Rechtfertigung von Investitionen in KI stellte eine Schwierigkeit dar. Da die Betriebstechnologie (OT) oft aus langjährig entwickelten Systemen besteht, ist dies nicht überraschend. KI führt eine neue Ära der industriellen Automatisierung ein. Daher müssen Unternehmen ihre Herausforderungen strategisch angehen und einen iterativen Ansatz zur Erreichung der autonomen Fertigung verfolgen.