IoT-Gateways – Effizienz durch Daten

Konsequente Digitalisierung kann die Produktivität und Effizienz von Unternehmen steigern. Der Automatisierungsspezialist Heitec entwickelt Lösungen, mit denen sich Maschinen und Anlagen aus dem Shopfloor direkt an ERP-Systeme anbinden und deren Daten sich so für die Optimierung der Fertigung nutzen lassen. von Rene Klaunzer

Industrie 4.0 beinhaltet die Kommunikation von Menschen, Maschinen und Komponenten während des gesamten Produktionsprozesses – nicht nur innerhalb des Shopfloors, sondern auch darüber hinaus in die Verwaltung des Unternehmens, zu dessen Kunden, Lieferanten und sogar zu bereits ausgelieferten Produkten. Die dabei zu bewältigenden Prozesse sind so vielfältig miteinander verkettet, dass eine Flut an Daten entsteht. Die Herausforderung besteht nun darin, diese Flut abzugreifen, zu filtern, zu speichern, zu visualisieren und zu analysieren, um daraus Wissen zu generieren.

Die Antwort heißt Edge-Computing. Um keine Zeit und Bandbreite zu verschwenden, werden die IoT-Sensor-Daten direkt am Ort des Geschehens verifiziert und konsolidiert. Nur Daten, die tatsächlich benötigt werden, gelangen in das ERP-System. Darüber hinaus können für die Analyse von großen Datenmengen Cloud-Computing-Dienste, wie beispielsweise Mindsphere von Siemens, einen Beitrag leisten. Dies alles ist aber nur mit einer leistungsfähigen, skalierbaren digitalen Infrastruktur realisierbar.

In der Umsetzung treffen unterschiedlichste, historisch gewachsene Konzepte in der Automatisierung als Datenquelle und gänzlich andersgeartete Informations- und Kommunikationstechnik als Datensenke zur Auswertung aufeinander. Während es in der Automatisierung zeitlich deterministisch, getaktet und prozedural vorgeht, spiegelt die weiterverarbeitende Informationstechnologie eine objektorientierte, asynchrone und dienstorientierte Welt ohne definierten „Quality of Service“ der Kommunikationsinfrastrukturen wider. Zwischen diesen beiden Welten braucht es daher eine ausgleichende vermittelnde Architektur.

Beliebige Daten abrufen

Heitec bietet mit HeiTPM eine Lösung, die beliebige Daten aus den Steuerungen und der Sensorik einer Produktionslinie rückwirkungsfrei abruft, diese mit strukturierenden und beschreibenden Informationen zu selbstbeschreibenden Objekten ergänzt und sie damit für unterschiedliche Prozessbeteiligte individuell zur Analyse und Visualisierung aufbereitet und speichert. Mit den während der Produktion aus der realen Anlage erfassten Echtzeit-Informationen und mit den direkt gekoppelten Informationen aus dem ERP System, wie Auftrags-, Qualitäts- und Messdaten sowie jeder Art von Meldungen, hat beispielweise der Produktionsleiter die Möglichkeit, Optimierungsstrategien für den Produktionsablauf und die Fertigungsfolge zu entwerfen, Qualitätsdaten zu bewerten, Fehler- und Störungsursachen zu erforschen und/oder gezielt einzugreifen.

Über das Daten-Monitoring bekommen Serviceleiter, Produktionsleiter oder betriebswirtschaftlicher Leiter die Rückmeldung, ob der Prozess wirklich so läuft wie geplant. Auf diese Weise stellt die Wertschöpfungskette einen geschlossenen Regelkreis dar und bietet eine Rückverfolgbarkeit der Daten durch eine lückenlose Dokumentation der logistischen Prozesse.

Brücke zwischen Automation und ERP

Das Gateway HeiTPM hat Heitec gemeinsam mit seinem SAP-Beratungshaus Heisab entwickelt. Dabei integriert das Gateway alle produktbezogenen Daten und Prozesse eines Unternehmens mit der in SAP ERP abgebildeten Wertschöpfungskette von der Fertigungssteuerung bis zum Controlling. Auf Basis der neuen User-Interface-Technologie SAP Fiori kann durch eine organisatorische und technische Integration ohne Zeitverzögerung und Medienbrüche die Effizienz der Produktion gesteigert werden, beispielsweise durch Nutzung mobiler Endgeräte.

Durch die sich daraus ergebende verbesserte Konnektivität lassen sich schnell Optimierungspotentiale in allen Bereichen von Logistik und IT-Infrastruktur erzielen. So erhöht sich beispielsweise durch Echtzeit-Datenerfassung vor Ort und die Verifizierung durch Plausibilitätsprüfungen die Datenqualität sowie die Datensicherheit. Da der aktuelle Bearbeitungszustand direkt im ERP-System einsehbar ist, lassen sich Folgeprozesse präziser managen und die Bearbeitungszeit verkürzen.

Komponenten der Lösung

Wesentliche Komponenten der HeiTPM-Architektur sind die Gateways. Sie puffern die zeitlich deterministisch abzugreifenden Daten in Echtzeit zur asynchronen Vorverarbeitung und zum Weitertransport an nachgeschaltete Dienste, wie etwa einer Online-Visualisierung, zur Speicherung in einer Datenbank oder zur Weiterleitung an ein MES- oder ERP-System. Um die Heterogenität der zahlreichen Protokolle in der Automatisierung abzufangen, stehen zahlreiche Plug-ins zur Verfügung. Als besonders leistungsfähig erweist sich hierbei die Kommunikation über das herstellerunabhängige Zugriffsverfahren OPC UA sowohl horizontal über alle Steuerungsgeräte als auch vertikal vom Sensor bis zum ERP-System.

In der Mehrzahl der Anwendungen müssen die Daten rückwirkungsfrei, bedeutet ohne Änderung der bestehenden Automatisierungssoftware erfasst werden. Das heißt, es stehen nur Daten (Werte) in einer zeitlichen Abfolge zur Verfügung. Was fehlt sind Informationen über deren Bedeutung und struktureller Einordnung, wie beispielsweise die physikalische Einheit, der zulässige Wertebereich oder untere und obere Warngrenzen und so weiter. Diese semantischen und strukturellen Informationen werden im Gateway ergänzt, sodass den nachgeschalten Diensten selbstbeschreibende Informationsobjekte zur Verfügung stehen, die ohne weitere Rückfragen analysiert und interpretiert werden können.

Schrittweise in die Praxis

Bei der Einführung von HeiTPM unterstützt Heitec den Anwender in vier Schritten. Im ersten Schritt werden gemeinsam die Anforderungen bezüglich der Informationsgewinnung, Speicherung, Analyse und Visualisierung in den anvisierten Anwendungsszenarien zusammengetragen und spezifiziert. Danach steht die Ist-Analyse der Datenquellen an. Dabei sind folgende Fragen zu beantworten: Welche Systeme mit welchen Schnittstellen und Protokollen sind vorhanden? Sind alle benötigten Daten vorhanden oder welche Sensoren müssen gegebenenfalls ergänzt werden?

Auf Basis der resultierenden Spezifikation erfolgt dann im dritten Schritt die Implementierung, die Installation und Inbetriebnahme der Software auf der zuvor installierten technischen Infrastruktur bestehend aus Netzwerk, Sensoren und Rechner. Die Schulung von Mitarbeitern erfolgt im vierten und letzten Schritt.

Auf diese Weise bekommt der Anwender die Möglichkeit, seinen Maschinenpark in Sachen Visualisierung und Datenauswertung flexibel zu erweitern. Aus den Daten kann er wiederverwendbares Wissen generieren, um Verbesserungsmaßnahmen einzuleiten.

Für den Instandhalter ist beispielsweise wichtig, Informationen aus unterschiedlichen Datenquellen zu bekommen, um mögliche und wahrscheinliche Fehlerursachen eingrenzen zu können. Der Qualitätsmanager benötigt eine Aufzeichnung von prozessrelevanten Produktionsparametern zum Nachweis der vereinbarten Qualität. Auch Grenzüberschreitungen in einzelnen Parametern werden ihm gemeldet und angezeigt, damit betroffene Produkte markiert und ausgeschleust werden können.

Virtuell Engpässe untersuchen

Eine Spezialität von Heitec sind virtuellen Modelle von Maschinen und Anlagen. Diese helfen bei Umrüstungen oder Modernisierungen erheblich kürzere Stillstandszeiten der Produktion zu erreichen. Das HeiVM-Framework dient der Planung, Simulation, Generierung, Programmierung und Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen auf Basis digitaler objektorientierter Zwillinge von Automatisierungskomponenten.

Durch Rückspeisung der im realen Betrieb von HeiTPM aufgezeichneten Informationen lässt sich die Produktion der letzten Schicht, des letzten Monats oder Jahres im Büro parallel zur laufenden Produktion analysieren und Schlüsse daraus ziehen. Soll lassen sich Engpässe erkennen und selbst sporadisch auftretende Probleme analysieren. Mit den gewonnenen Erkenntnissen kann der Arbeitsvorbereiter Maßnahmen risikolos am virtuellen Modell testen und anschließend auf die reale Anlage aufspielen. jbi

Autor: Rene Klaunzer ist Geschäftsführer von Heisab, der SAP-Beratungstochter derErlanger Heitec-Gruppe.