Industrie 4.0 Wie die Vernetzung von Sensoren und intelligenten Bedienelementen gelingt

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Unternehmen, die ihre Sensoren und Mensch-Maschine-Schnittstellen wie etwa Taster vernetzen, können vollkommen neue Anwendungsfelder erschließen. Denn so lassen sich beispielsweise Wartungszyklen oder Betriebsabläufe optimieren.

In vielen KMU und Großunternehmen sind Sensoren und intelligente Bedienelemente noch nicht vernetzt. Sie befinden sich oft an einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) und regeln die Anlage lokal beziehungsweise senden einen Alarm, falls ein Eingriff erforderlich sein sollte. Doch damit wird viel Potenzial verschenkt.

Denn die Vernetzung von Sensoren eröffnet viele neue Möglichkeiten. Dazu zählt unter anderem die Analyse zusätzlicher Parameter. Während ein insular arbeitender Sensor lediglich den Status seiner Maschine oder Umgebung abbildet, lassen sich miteinander vernetzte Sensoren über die gleichzeitige Auswertung ihrer Daten vergleichen. Damit können intelligente Bedienelemente etwa den Kommissionierern nicht nur aufzeigen, welche und wie viele Objekte aus einem Vorrat entnommen werden sollen. Das Unternehmen kann darüber hinaus auch analysieren, warum diese Aufgabe in einem Arbeitsbereich schneller vonstattengeht als in anderen. Auf Basis solcher Informationen lassen sich die jeweiligen Betriebsabläufe optimieren - zum Beispiel durch eine zusätzlich installierte Sensorik, die weitere Erkenntnisse über einen Prozess liefert.

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Der erste Schritt bei der Anbindung von Sensoren und intelligenten Bedienelementen besteht darin, sie mit einem geeigneten Kommunikationssystem wie IO-Link untereinander aber auch mit einem Edge-Knoten zu verbinden. Hier dient ein IO-Link-Master als Schnittstelle zur übergelagerten Steuerung und regelt die Kommunikation mit den vernetzten Geräten. Dieser Master ist wiederum über das Netzwerk an den Edge-Server angebunden.

Flexibles Geräte-Onboarding dank Vernetzung

Der Vorteil dieses Modells liegt aber nicht nur in den erweiterten Möglichkeiten zur Analyse. Auch die Installation lässt sich damit erheblich vereinfachen. So existieren sehr viele Varianten von ein und demselben Bedienelement. Der Kunde muss bereits bei der Bestellung die Funktionen beziehungsweise die Konfiguration eines Tasters genau spezifizieren, etwa indem er den jeweiligen Ausgangsimpuls definiert. Das erschwert allerdings das Onboarding neuer Geräte.

Sind diese dagegen vernetzt, können sie bei der Installation automatisch konfiguriert werden. In Zukunft kommen damit auch generische Geräte zum Einsatz, die sich den Erfordernissen flexibel anpassen.

Auf diese Weise sind beispielsweise ERP-Hersteller in der Lage, mit ihren Lösungen die Betriebsabläufe und Logistik zu kontrollieren. Auch die Installation von Updates oder die Steuerung einzelner Geräte wie autonomer Fahrzeuge oder Mensch-Maschine-Schnittstellen ist denkbar. Ferner können Unternehmen die Arbeitsweise der gesamten Anlage an veränderte Anforderungen zentral anpassen.

Vernetzung in Schichten

Bei Geräten in der Produktion wirken verschiedene Schichten zusammen. Die erste bezieht sich auf das Gerät selbst. Hierzu gehört das erwähnte automatische Onboarding, das Daten-Management, Reparaturen, die Versorgung mit Ersatzteilen sowie das Software- und Konfigurationsmanagement. Darauf baut die zweite Schicht, die Anwendungen, auf. Hier wird der Zustand des Gerätes gemessen und Predictive Maintenance sowie Fernwartung betrieben. Beide Schichten sind lokal, die Prozesse laufen vor Ort ab.

Die dritte Schicht bilden die Prozesse. Die erste Cloud-Ebene befindet sich bereits auf der Seite des Edge-Knotens, der über Faktoren wie Produktqualität oder Ressourcenoptimierung wacht, indem er mehrere lokale Komponenten zusammenfasst. Hinzu kommen die Ebenen der Fertigungsstätte, auf denen beispielsweise Simulationen und der Digital Twin ablaufen, sowie unternehmensbezogene und unternehmensübergreifende Schichten.

Falls lediglich Daten einer einzigen Produktionsstätte von Belang sind, reicht die Verarbeitung innerhalb eines lokalen Edge-Clusters. Geht es allerdings um die Steuerung mehrerer Fertigungsstätten eines Unternehmens oder der gesamten Lieferkette, ist das ohne eine Cloud-Lösung kaum machbar.

Für die Einrichtung neuer Sensoren oder intelligenter Bedienelemente ist die Integration mit einem Edge-Knoten auch aufgrund der einfachen Schnittstellendefinition interessant. Im Edge Computing Layer wird die Software meist in Containern geliefert. Wenn die Knoten IO-Link-fähig sind, muss die Schnittstelle nicht immer neu geschrieben, sondern nur einmal im entsprechenden Container integriert werden. Dadurch lassen sich auch Auswertungen leichter durchzuführen.

Digitale Ausstellung und Prüfung von Zertifizierungen

Ein weiteres Argument für die Vernetzung von Sensoren und intelligenten Bedienelementen ist das vereinfachte Handling bei Zertifizierungen. Wenn sich Rahmenbedingungen ändern und entweder die bestehende Zertifizierung überprüft oder eine neue ausgestellt werden soll, ist dies nun auch digital möglich. Die notwendigen neuen Zertifikate werden einfach nach der Prüfung über das Netzwerk bereitgestellt. Diese Methode ist der bislang üblichen Papierform weit überlegen. Denn hier werden wertvolle Personalressourcen nicht für eine Aufgabe verschwendet, die auch automatisiert oder zumindest zentralisiert erfolgen kann.

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Stand vom 15.04.2021

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So könnte ein intelligentes Gesamtvernetzungskonzept für lokale Geräte in der Praxis aussehen: Das System identifiziert jedes Kunden-Asset eindeutig, inklusive Details wie Wartungspläne oder Garantien. So können Hersteller planen beziehungsweise Dienstleister entsprechende Ressourcen in Form von Fachkräften oder Ersatzteilen bereitstellen. Eine kollaborative Plattform sammelt alle relevanten Daten und bringt die Beteiligten zusammen – sei es OEMs, Anlagenbetreiber oder Service Provider. Damit lassen sich die Zusammenarbeit optimieren und Prozesse effizienter sowie reibungsloser gestalten.

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Fazit

Die Praxis zeigt, dass die Vernetzung lokaler Geräte Unternehmen wesentliche Vorteile bietet. Prozesse in der Produktion, aber auch in der Logistik erfolgen auf diese Weise verzahnt, was nicht nur dem Unternehmen selbst, sondern auch seinen Partnern in der Lieferkette zusätzliche Flexibilität, Innovationsfähigkeit und Kosteneinsparungen ermöglicht.

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