Smart Factory Level One Vernetzungsstrategien für die Smart Factory im Vergleich

Ein Gastbeitrag von Steffen Wulf*

Für die Gestaltung einer Smart Factory ist die Vernetzung von Anlagen und Maschinen entscheidend. Hierfür gibt es unterschiedliche Herangehensweisen, die entsprechende Vor- und Nachteile haben. Wir geben einen Überblick.

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Man unterscheidet zwischen direkter und indirekter Vernetzung – welcher Weg ist der richtige?
Man unterscheidet zwischen direkter und indirekter Vernetzung – welcher Weg ist der richtige?
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Im vorausgegangenen Teil haben wir gesehen, wie man mit einer einfachen Strategie zur transparenten Fabrik gelangt. Von zentraler Bedeutung ist hierbei die Vernetzung. Allerdings exisitieren hierfür mehrere verschiedene Strategien. Doch wie und wofür können wir diese Vernetzungsstrategien einsetzen? Was machen wir, wenn wir möglichst schnell voran kommen wollen? Welche Ziele können wir mit welcher Strategie erreichen?

Das erste Ziel: Ort, Zeit und Auftrag im System zusammen bringen

Grundlegendes Ziel bei der Vernetzung von Anlagen sollte es zunächst sein, Ort, Zeit und Auftrag im System zusammenzubringen und so eine Transparenz in Echtzeit zu erhalten.

Mit Hilfe dieser IST-Zeiten wird (nicht nur) die Reaktion bei Problemen und die Steuerung von Materialflüssen deutlich verbessert.

Natürlich müssen die so gewonnenen Daten automatisch aufbereitet und allen relevanten Personen zur Verfügung gestellt werden, damit sie auch wirksam werden.

Strategie 1: Direkte Vernetzung

Bei der direkten Vernetzung strebt man eine vollumfängliche Vernetzung der relevanten Anlage an. Hierbei wird die Anlage in erster Linie online gebracht und mittels Gateway ein Zugriff auf die Steuerung von außen ermöglicht. Eine direkt vernetzte Anlage kann also zum Beispiel auch über das Internet aus, ein- und ausgeschaltet oder die Steuerung webbasiert programmiert werden.

Dieser Weg in in vielen Fällen jedoch recht aufwendig. Nicht immer ist in die jeweilige Steuerung bereits ein IIoT-Gateway integriert, so dass häufig zusätzliche Hardware nötig wird. Zudem müssen auch – gegebenenfalls mittels OPC UA oder einer Message Queue – die Protokolle netzfähig gemacht werden. Diese Protokolle kann man auch als die Maschinensprache bezeichnen. Dies ist insbesondere bei älteren Anlagen, die zunächst nicht für Industrie 4.0 gedacht und gestaltet wurden, nicht immer so einfach, wie es scheint oder zunächst besprochen wird. Schließlich tickt ein TCP/IP-Netzwerk einfach anders als ein Feldbus, Profinet oder ein anderes Netz, welches intern in einer Anlage agiert. Diese grundlegende Hürde ist im Bild mit der Mauer dargestellt und es bedarf einiger Anstrengungen, diese Mauer zu durchbrechen – dafür steht die Faust.

Abbildung 1: Bildliche Darstellung der Herausforderung beim Vernetzen von Maschinen und Anlagen.
Abbildung 1: Bildliche Darstellung der Herausforderung beim Vernetzen von Maschinen und Anlagen.
(Bild: Steffen Wulf/iStock)

Zusätzlich spielt natürlich auch die Absicherung der Anlage im Sinne einer guten Cyber Security eine entscheidende Rolle. Die Anlage ist schließlich online, von außen steuerbar und damit auch hackbar.

Das kann im Detail sehr mühselig und anstrengend sein. Nicht selten geht es auch langsamer als erwartet beziehungsweise gewünscht voran. Es ist ebenso nicht unüblich, dass auf diesem Weg zusätzliche Aufwendungen oder Kosten für notwendige Lösungen im Detail entstehen, die zunächst nicht vollständig absehbar waren.

Allerdings steht nach einer direkten Vernetzung einer Anlage einer vollumfänglichen Nutzung im Sinne der Industrie 4.0 nichts mehr im Wege und alle gegebenenfalls später gewünschten Schritte in dieser Richtung können darauf aufbauen.

Strategie 2: Indirekte Vernetzung

Eine indirekte Vernetzung erfogt mit Hilfe von Sensoren. Allerdings sind diese Sensoren nicht in die Steuerung der jeweiligen Anlage eingebunden. Wir sprechen hier also von anlagen- oder steuerungsunabhängigen Sensornetzen. Diese Idee ist im Bild mit dem Pfeil über die Mauer dargestellt. Die Mauer kann also einfach übersprungen werden.

Dafür braucht es zunächst einmal ein zusätzliches Netz, in dem die Sensoren eingebunden werden können. Hierfür können verschiedene Technologien – kabelgebunden oder kabellos – verwendet werden. Der Vorteil von kabellosen Netzen, zum Beispiel mit LoRaWAN, liegen in der Flexibiltät. Stellt man fest, dass die Sensorposition noch nicht optimal ist, kann diese einfach verändert und angepasst werden, ohne dass Kabel neu oder anders verlegt werden müssen. Zudem kann die Stromversorgung hier auch mit Hilfe einfacher Batterien oder Akkus erfolgen, die eine erstaunlich lange Zeit genutzt werden können. Moderne Systeme melden übrigens rechtzeitig einen niedrigen Akkustand.

Zudem gibt es natürlich auch Möglichkeiten, sich an öffentliche Netze anzudocken, zum Beispiel via GSM oder NB-IoT.

Die Sensoren selbst sind bestenfalls mittels I/O-Link entsprechend standardisiert und identifizieren sich so immer gleich und komfortabel im System.

Im zweiten Schritt braucht es also ein System, welches die Sensordaten empfangen und verarbeiten kann. Hier gibt es inzwischen eine Fülle von Anbietern, die eine superschnelle Integration, teils unter einer Minute, von zusätzlichen Sensoren erlauben. In den meisten Systemen kann man dann auch gleich Eingriffsgrenzen und Alarme setzen. Hierfür gibt es übrigens auch Open-Source-Lösungen und die Anbindung/Verarbeitung zusätzlicher Sensoren ist auch in fast allen MES oder IoT- beziehungsweise Edge-Conectivity-Plattformen möglich.

Da es jeden Sensortyp für diese Form anlagenunabhängiger Sensornetze gibt, können Unternehmen mit Hilfe eines kreativen Einsatzes dieser Sensoren eine Menge erreichen. Unter anderem können zum Beispiel auch Auftragsfortschritte, Stückzähler und der jeweilige Materialverbrauch in Echtzeit verfolgt werden, so dass auch der punktuell abgestimmte Nachschub deutlich erleichtert wird.

Vernetzung – direkt, indirekt oder beides?

Abbildung 2: Die Vor- und Nachteile direkter und indirekter Vernetzung.
Abbildung 2: Die Vor- und Nachteile direkter und indirekter Vernetzung.
(Bild: Steffen Wulf/iStock)

Der Vorteil der indirekten Vernetzung liegt eindeutig in der Schnelligkeit und Einfachheit. Hier ist sogar im Laufe einer einzigen Woche schon so Einiges machbar.

Da die Anlage selbst hierbei nicht online gebracht wird und damit nicht hackbar ist, spielen auch Cyber Security Themen eine weniger prominente Rolle beziehungsweise können mittels der genutzten Anwendungen gut behandelt werden.

Der klare Nachteil einer indirekten Vernetzung ist, dass es keinen Zugriff auf die Steuerung der Anlage gibt. Das heißt Alarme können zwar gesetzt, jedoch nicht vollautomatisch verarbeitet werden. Die Anlage kann von Außen weder angehalten noch dem aktuellen Zusatand entsprechend neu eingestellt werden. Hierfür sind weiterhin manuelle Eingriffe in die Steuerung der Anlage notwendig.

Dennoch können Unternehmen mit der indirekten Vernetzung schnell große Schritte in Richtung einer Smart Factory gehen und das bei insgesamt geringen Aufwendungen. Zudem wird sich die zusätzliche gewonnene Transparenz recht schnell bemerkbar machen und zu weiteren Verbesserungen und Effizienzvorteilen führen. Zudem besteht mit der Installation eines unabhängigen Sensornetzes zugleich auch eine hervorragende Grundlage für Condition Monitoring und, darauf aufbauen, Predictive Maintenance oder Digital Twins.

Abbildung 3: Direkte und indirekte Vernetzung clever kombiniert.
Abbildung 3: Direkte und indirekte Vernetzung clever kombiniert.
(Bild: Steffen Wulf/iStock)

Die Vor- und Nachteile der direkten und indirekten Vernetzung sind im Bild 2 zusammengefasst.

In der Realität wird es natürlich darauf ankommen, beide Vernetzungsstrategien möglichst clever zu kombinieren. Bei neueren Anlagen bietet sich beispielsweise häufig die direkte Vernetzung an während bei älteren Anlagen auch Retrofit-Konzepte in indirekter Form eine wichtige Rolle spielen. Allerdings lassen sich auch neuere Anlagen, die bereits vernetzt sind, mit Hilfe von Retrofit-Konzepten und steuerungsunabhängiger Sensorik gut weiterentwickeln. So fällt dann auch der Einstieg in Themen wie Predictive Maintenance oder Digital Twin etwas leichter.

* Steffen Wulf verfügt über 15 Jahre Erfahrung als Lean Experte/Inhouse-Consultant in der Industrie und bietet Projektmanagement, Beratung und Training zur Digitalen Transformation an.

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