Expertenbeitrag

 Maximilian Fischer

Maximilian Fischer

Co-Founder, Actyx

Trend-Dossier 2021 Ein neues Computing Paradigma macht Fabrikprozesse digital und flexibel

Autor / Redakteur: Maximilian Fischer / Lea Täufer

In 2021 wird es darum gehen, Fabrikprozesse zu digitalisieren und zu automatisieren. Maschinen, Werkstücke, Aufträge und Menschen kooperieren in der Zukunft vollständig digital miteinander. Dies erfordert eine robuste und einfache Art und Weise, wie IoT-Geräte digital untereinander interagieren.

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Die Entwicklung des Internet of Things ist und bleibt unaufhaltsam. Welche Trends stehen im Jahr 2021 an?
Die Entwicklung des Internet of Things ist und bleibt unaufhaltsam. Welche Trends stehen im Jahr 2021 an?
(Bild: pexels)

Corona hat unsere Welt nachhaltig verändert und hat auch keinen Halt vor dem produzierenden Gewerbe gemacht. Durch die Pandemie wurde uns bewusst, wie wichtig und zugleich fragil die Industrie für unsere Gesellschaft immer noch ist. Lieferprobleme, stillstehende Produktionslinien oder Mitarbeiterausfälle waren keine Seltenheit. Auch die Umstellung auf vergleichsweise einfache Produkte, wie Handschuhe oder Atemschutzmasken, waren sehr herausfordernd. Viele Unternehmen realisieren jetzt, dass sie sich verändern müssen; das Industrial IoT wird dabei eine entscheidende Rolle spielen.

Im Kern des Wandels geht es darum, Prozesse und Abläufe effizienter, robuster und flexibler zu machen. Durch eine steigende Effizienz können Kosten gesenkt werden -robuste Prozesse bedeuten weniger Stillstände. Mitarbeiterausfälle können durch formalisiertes Wissen oder durch stärkere Automatisierung kompensiert werden und flexiblere Prozesse erlauben es, schneller auf Marktveränderung zu reagieren. Um dies zu erreichen, müssen Prozesse innerhalb der Fabrik digitaler werden. Dies ist auch die Grundlage für eine tiefere digitale Integration zwischen Firmen über Lieferketten hinweg.

Prozesse auf dem Shop-Floor werden durchgehend digitalisiert

Doch die Umsetzung ist nicht einfach. Fabriken sind komplexe Systeme, in denen unterschiedlichste Maschinen, Anlagen und Roboter mit Werkstücken, Produktionsaufträgen, Rohmaterialien und Menschen interagieren müssen. Alles muss perfekt abgestimmt sein, damit das richtige Produkt, zur richtigen Zeit in der richtigen Qualität hergestellt wird. Man könnte auch sagen: Alles muss perfekt miteinander kooperieren. Die Digitalisierung dieser Kooperation ist heute noch nicht wirklich vorangeschritten und mit herkömmlichen IIoT-Ansätzen auch nur schwierig zu realisieren.

Bisherige IIoT-Ansätze haben sich stark auf die Digitalisierung einzelner Assets konzentriert. So werden häufig Daten von Maschinen oder Anlagen über Gateways ausgelesen und in der Cloud zentralisiert, um dort Analysen zu fahren. Edge Computing wird genutzt, um Daten vor zu verarbeiten und gewisse Entscheidungen, wie beispielsweise eine anstehende Wartung, lokal zu treffen. Eine Kooperation zwischen einzelnen IoT-Geräten, die eine Kommunikation zwischen den Geräten erfordert, sowie Logik, die aufeinander reagiert, ist nur umständlich, über einen zentralen Server zu realisieren. Die Kommunikation erfolgt häufig über mehrere Netzwerk-Hierarchien, was zu einer hohen Komplexität führt. Zudem müssen Fabrikprozesse erst umständlich in die IT-Welt mit Datenbankschemas, Datenbankprozeduren oder Message Queues abstrahiert werden.

Neuer Computing-Ansatz: Local-First Cooperation

Ein neues Computing Paradigma verspricht die Digitalisierung der Kooperation zwischen Computern erheblich zu vereinfachen: Local-First Cooperation, ein Trend, der in 2021 an Fahrt aufnehmen wird. Bei diesem Paradigma sind IoT-Geräte vollständig autonom, benötigen also keinerlei Verbindung zu einer zentralen Instanz. Zudem erfolgt die Kommunikation zwischen den IoT-Geräten auch lokal und direkt; ein zentraler Message Broker oder ähnliches wird nicht benötigt.

Die eigentliche Magie liegt aber an der einfachen Art und Weise, Logik zu programmieren. Sie basiert auf sogenannten Local Twins. Local Twins sind vereinfachte, digitale Abbilder von realen Komponenten, wie beispielsweise Maschinen, Werkstücken, Robotern oder Produktionsaufträgen. Sie interagieren miteinander, sodass beispielsweise der Local Twin einer Maschine, dem Local Twin des Roboters kommuniziert, dass ein Werkstück fertig ist und der Roboter dieses entnehmen kann. Der Trick dabei ist folgender: Die Local Twins kooperieren immer lokal auf einem Computer miteinander und niemals direkt über das Netzwerk. Der lokale Zwilling der Maschine ist sowohl auf deren Computer als auch auf dem des Roboters (und umgekehrt). Das ermöglicht es, Entscheidungen zu treffen, auch wenn das Netzwerk mal kurzzeitig unterbrochen ist. Die Kommunikation zwischen den Computern und damit die Synchronisierung der Zustände der Local Twins erfolgt bei bestehender Verbindung über Events im Peer-to-Peer-Netzwerk. Die Events werden auch lokal auf den Geräten gespeichert. Technologien wie BitTorrent oder IPFS sind Enabler für diesen Ansatz.

Dieses Konzept macht es für den Entwickler sehr einfach, die Domäne und vor allem die Kooperation zwischen "Dingen” zu programmieren. Durch den local-first Ansatz und die Eliminierung von zentralen Komponenten werden Softwaresysteme deutlich robuster und zuverlässiger. Die eigentliche Idee des Internet of Things, bei dem alle Dinge miteinander sprechen, sich abstimmen und eine Intelligenz besitzen ist mit dieser neuartigen Vorgehensweise sehr gut zu vereinbaren. Ich bin überzeugt, dass dieser Trend unglaublich wichtig für Fabriken wird.

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