Die Fertigung optimieren durch Zusammen­führung der Datenräume von OT und IT

Fertigung
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Dieser Artikel zeigt Ihnen anhand eines konkreten Beispiels, wie Sie die Fertigung aufgrund von Sensorwerten aus dem Shopfloor steuern, indem Sie die Datenräume der IT mit denen der Operational Technology, Physical Things und Assets verbinden.

Haben Sie sich schon einmal eine dieser Fragen gestellt?

  • Was sind die nächsten Schritte bei der Optimierung der bestehenden Geschäftsprozesse und der zugehörigen IT-Landschaft in Logistik und Produktion?
  • Wie digitalisieren wir die Fertigung, ohne die Maschinen komplett austauschen zu müssen?
  • Wie sollten wir eine Fabrik ausgestalten, um optimal für die Zukunft vorbereitet sind?
  • Wie können wir unsere IT-Systeme und OT (Operational Technology) besser vernetzen und zusammenführen?

Beim Nachdenken und Diskutieren über diese Fragen stößt man auf sehr spannende Use Cases. Im Themenfeld "Vernetzte Produktion" gibt es beispielsweise die Use Cases "Vernetzte Produktion in der Supply Chain", "Vernetzte Produktion unternehmensintern" und "Automatisierte Fertigungssteuerung". Im Bereich des Monitorings gibt es Use Cases wie das „Condition Monitoring“ oder bezüglich der Überwachung einzelner Parameter wie beispielsweise der Energieminimierung. Ein weiteres Themenfeld ist die Instandhaltung mit Use Cases wie „Predictive Maintenance“ oder „Ganzheitliche Instandhaltungsplanung“.

Wie kommt man von Use Cases zu konkreten Lösungen?

Hierbei empfiehlt es sich, mit einem Proof of Concept (PoC) in einem spezifischen Themengebiet zu starten. Die Firmen WAGO Kontakttechnik GmbH & Co. KG und SALT Solutions GmbH haben sich den Use Case "Automatisierte Fertigungssteuerung" ausgesucht und sich hierbei auf das Unterthema "Steuerung der Fertigung aufgrund von Sensorwerten aus dem Shopfloor" fokussiert. Dabei sollen die Sensorwerte von Sensoren kommen, die über einen Plug-and-Work-Mechanismus installiert wurden. Unter dem Plug-and-Work-Prinzip versteht man, dass sich Maschinen und Anlagen oder einzelne Komponenten selbständig und selbstkonfigurierend in die Produktion integrieren, ohne dass ein Ingenieur oder Softwareentwickler involviert sein muss.

Beide Firmen bringen dazu die nötige Soft- und Hardware mit. WAGO fertigt und vertreibt Komponenten für die elektrische Verbindungstechnik, Interfaceelektronik sowie für die dezentrale Automatisierungstechnik, Steuerungstechnik und die aktuellsten IoT- und Edge-Anwendungen. Die SALT Solutions GmbH verbindet mit der Business- und IoT-Plattform Data for Services (D.for.S) zum einen die Geschäftsprozessebenen (zum Beispiel Prozesse aus ERP-, WMS- und MES-Systemen) mit der Ebene der Physical Things und Assets, zum anderen orchestriert sie unternehmensübergreifende Supply Chain-Prozesse. Konkret bindet dieser so entstehende Datenraum die IT-Systeme der Business Partner entlang der Supply Chain ein und verbindet sie mit der OT-Ebene.

Welche Probleme adressiert dieser Use Case?

Die Motivation für den Use Case "Steuerung der Fertigung aufgrund von Sensorwerten aus dem Shopfloor" ist die oftmals fehlende horizontale Integration im Sinn der Prozess- und Systemintegration und eine fehlende vertikale Integration im Sinne der Automatisierungspyramide. Außerdem fehlt häufig die Übersicht über die relevanten Daten aus dem Shopfloor und die Möglichkeit der direkten, automatisierten Produktionssteuerung auf Basis dieser Daten.

Die verwendete Forschungsplattform

Die Forschungsplattform (das sogenannte „Testbed“) für den PoC besteht aus dem IT-System SAP ERP PP und der Plattform D.for.S sowie aus den OT-Komponenten "WAGO Controller PFC200" (IoT-Gateway als Edge Gateway), IoT-Gateways und einer Fischertechnik-Fabriksimulation. Der Supply Chain-Prozess beinhaltet die Schritte "Bestellung von Keramikbremsscheiben durch den Endkunden", "Automatisierte Materialversorgung aus einem Lieferantenlager" und "Fertigung auf Basis von SAP Fertigungsaufträgen" in der Fischertechnikfabrik mit den Schritten Brennen, Fräsen und Sortieren. Den Ablauf dieses Prozesses sieht man gut in diesem Video ab Minute 1:53:

Die zwei Baustufen des PoC „Steuerung der Fertigung aufgrund von Sensorwerten aus dem Shopfloor"

Der PoC beschäftigt sich mit den Sensordaten des Brennofens (vor allem der Temperatur) und der automatisierten Ansteuerung des Brennofens. Die Lösung beinhaltet zwei Baustufen, welche in den nächsten Abschnitten näher beschrieben werden.

Baustufe 1: Steuerung des Brennofens der Fischertechnikfabrik über WAGO Gateway

Das Ziel der ersten Baustufe besteht darin, die prinzipielle Connectivity zwischen D.for.S und dem Brennofen über den WAGO Controller nach dem Datenaustausch-Standard OPC UA herzustellen und den Brennvorgang im Brennofen aus D.for.S heraus zu starten.

Die Architektur für den PoC

  • In der untersten Schicht "Physical Things" kommt die Fischertechnik-Fabriksimulation zum Einsatz.
  • In Schicht "1. Open Edge Connectivity" kommen IoT-Gateways zum Einsatz, welche die Kommunikation zwischen Edge und Physical Things übernehmen. IoT-Gateway 3 kümmert sich um den Brennofen und beinhaltet einen OPC-UA-Client.
  • Das WAGO Edge Gateway "WAGO-Controller PFC200" wird in der Schicht "2. Edge Computing" verwendet. Es hat einen OPC-UA-Server an Bord.
  • In den Schichten "3. Core Platform" und "4. Platform Apps & Integration" läuft die Business- und IoT-Plattform D.for.S, die verschiedene Microservices beinhaltet. Für diesen PoC ist der Microservice "D.for.S-MFPS-Asset" wichtig, der sich in D.for.S um die Kommunikation zwischen D.for.S und Assets beziehungsweise Physical Things wie fahrerlosen Transportsystemen, Fördertechnik und Maschinen (und deren Sensoren und Aktoren) kümmert. "D.for.S-MFPS-Asset" beinhaltet zur Kommunikation unter anderem einen OPC-UA-Client.
  • Die Schicht "5. ERP & Legacy Systems" wird in diesem PoC von SAP repräsentiert, aus welchem unter anderem die Fertigungsaufträge kommen.

Die einzelnen Schritte bei der Ansteuerung des Brennofens

  • Die Ansteuerung des Brennofens erfolgt in mehreren Schritten. Die Basis hierzu ist ein Fertigungsauftrag, der von D.for.S in SAP angelegt wurde. Die Vorgänge (Brennen, Fräsen, Sortieren) dieses Fertigungsauftrages werden mit Hilfe der „D.for.S Process Engine“ automatisiert angestoßen.
  • Wenn der Prozess beim Schritt "Brennen" angekommen ist, sendet der OPC-UA-Client aus dem Microservice "D.for.S-MFPS-Asset" eine Nachricht an den OPC-UA-Server des WAGO Edge Gateways. Der OPC-UA-Client in IoT-Gateway 3 abonniert diese Nachricht, und sobald diese eingeht wird der Brennvorgang in der Fischertechnik-Fabrik gestartet.
  • Sobald der physische Vorgang beendet wurde, setzt der OPC-UA-Client auf IoT Gateway 3 den Parameter "Brennen fertig" im OPC-UA-Server. Der OPC-UA-Client im Microservice "D.for.S-MFPS-Asset" abonniert diesen Parameter und gibt eine Rückmeldung an die „D.for.S Process Engine“ mit der Information, dass der Brennvorgang abgeschlossen wurde.

Somit wurde gezeigt, dass die Kommunikation zwischen D.for.S und dem physischen Brennofen über das WAGO Edge Gateway in beide Richtungen funktioniert.

Variante zu Baustufe 1

In einer Variante von Baustufe 1 wird neben der Ebene "2. Edge Computing" auch die Ebene "1. Open Edge Connectivity" vom WAGO Edge Gateway abgedeckt. Das IoT Gateway 3 wird hier nicht mehr benötigt. In dieser Variante kommt ein SPS-Steuerprogramm zum Einsatz, welches direkt auf dem WAGO Gateway läuft.
Der Prozessablauf in dieser zweiten Variante ist sehr ähnlich zu Variante 1. Das folgende Schaubild zeigt die Architektur der zweiten Variante:

Baustufe 2: Plug-and-Work-Sensor und Daten-Monitoring

Das Ziel der zweiten Ausbaustufe besteht darin, einen Plug-and-Work-Mechanismus für den Temperatursensor inklusive des direkten Daten-Monitorings zu implementieren. Plug and Work ist sowohl im Brownfield als auch im Greenfield ein relevantes Ziel, es führt zu kürzeren Projektdauern bei der initialen Inbetriebnahme von Maschinen (Greenfield) und auch zu kürzeren Projektdauern bei der Nachrüstung von Sensorik in Maschinen im Brownfield. Wie sieht also eine Architektur aus, die Plug and Work ermöglicht? Die Architektur besteht ebenfalls aus den schon vorgestellten Ebenen:

  • In der Schicht "Physical Things" kommt die Fischertechnik-Fabriksimulation zum Einsatz.
  • In Schicht "1. Open Edge Connectivity" wird das WAGO Edge Gateway verwendet, welches die Kommunikation zwischen Edge und Physical Things übernimmt. Im WAGO IOT Gateway läuft ein SPS-Steuerprogramm und ein OPC-UA-Client.
  • Ein WAGO Edge Gateway mit Docker-Umgebung wird in der Schicht "2. Edge Computing" verwendet. Es hat einen OPC-UA-Server an Bord.
  • In den Schichten "3. Core Platform" und "4. Platform Apps & Integration" läuft wie in Baustufe 1 die Business- und IoT-Plattform D.forS. Neben dem Microservice "D.for.S-MFPS-Asset" sind für die Baustufe 2 der Service „D.for.S UI“ und der Microservice "OPC UA to MQTT Mapper" relevant.
    In der Lowcode-UI-Plattform „D.for.S UI“ wird ein Dashboard für die Echtzeit-Anzeige des Temperatursensors des Brennofens eingerichtet. Der Microservice "OPC UA to MQTT Mapper" erledigt das technische Mapping vom OPC-UA-Protokoll ins MQTT-Protokoll.
  • Die Ebene "5. ERP & Legacy Systems" wird von SAP repräsentiert, aus welchem unter anderem die Fertigungsaufträge kommen.

Der erste Schritt hin zum Daten-Monitoring über den Plug-and-Work-Mechanismus ist es, den Temperatursensor für den Brennofen am WAGO Edge Gateway anzuschließen (1.). Diese Aktion wird im Gateway erkannt, nun wird über den OPC-UA-Server die Nachricht "Device anlegen" (2.) an D.for.S UI geschickt. Auf Basis eines vorkonfigurierten Device-Typs wird das konkrete Device, ein Temperatursensor, in D.for.S UI angelegt.

Sobald dies erfolgt ist, kann der Microservice "OPC UA to MQTT Mapper" Temperaturwerte des Sensors über den OPC-UA-Server abonnieren und somit konsumieren (3.).

Anschließend werden die Daten vom OPC-UA-Protokoll ins MQTT-Protokoll gemappt und können in D.for.S UI angezeigt werden (4.).

Variante zu Baustufe 2

In einer Variante von Ausbaustufe 2 läuft der Microservice "D.for.S-MFPS-Asset" nicht in der Cloud beziehungsweise nicht im Business-System D.for.S, sondern direkt im Edge, also auf dem WAGO IOT Gateway. Somit wird es möglich, relevante Logik maschinennah ablaufen zu lassen. Dies kann aus Gründen der Performance und der Robustheit der Gesamtanwendung vorteilhaft sein und führt zu einer partiellen Offlinefähigkeit des Edge, im konkreten Fall hier also in Bezug auf die Ansteuerung des Brennofens.

Einsatzgebiete und weitere Use Cases

Im Rahmen dieses PoCs haben wir anhand konkreter Beispiele verschiedene Varianten der integrierten und automatisierten Datenkommunikation zwischen der Ebene der Geschäftsprozesse und der Ebene der Steuerung erprobt. Die Steuerung des in der grafischen Spezifikationssprache BPMN modellierten Business-Prozesses erfolgte hierbei durch die D.for.S Process Engine auf Ebene der Plattform. Es wäre auch möglich, die operativen Prozessschritte der Fertigung (Brennen, Fräsen, Sortieren) durch Installation einer weiteren Process Engine auf Ebene 2 im Edge zu steuern.

Die Umsetzung des PoCs erfolgte im Rahmen des Use Cases "Automatisierte Fertigungssteuerung". Hierbei wurden verschiedene Patterns, Methodiken, Designprinzipien und technische Frameworks kombiniert. Exemplarisch seien hier genannt: Business Process Orchestration, Edge Computing, OPC UA, MQTT, Real-Time Monitoring, Low Code, Containertechnik (Docker), Plug and Work und vieles mehr.

Desweiteren wurde das Edge Gateway von WAGO verwendet, um die Welt der Software mit der Welt der physischen Dinge zu verbinden. All diese Bausteine ermöglichen die Umsetzung von weiteren interessanten und relevanten Use Cases.

Ganz ähnliche Bausteine benötigt man zum Beispiel zur Umsetzung der Use Cases "Ganzheitliche Instandhaltungsplanung" und "Predictive Maintenance". Die Voraussetzungen für beide Use Cases sind die möglichst vollständige Digitalisierung der Maschinen und die enge Integration von IT und OT, wie es im PoC gezeigt wurde.

Thematisch sehr ähnlich ist der Use Case "Condition Monitoring", welcher auf einer regelmäßigen oder permanenten Erfassung des Maschinenzustandes durch Messung und Analyse physikalischer Größen wie Schwingungen, Temperaturen und Lage/Näherung, basiert. Voraussetzung hierfür ist wieder die enge Verbindung von IT und OT, zum Beispiel mit Hilfe eines WAGO Gateways. Das Plug-and-Work-Prinzip vereinfacht die Digitalisierung der Maschinen für permanente Datenerfassung. D.for.S bietet die optimale Datenplattform und kann, wenn notwendig, Folgeprozesse aufgrund von erkannten Schwellwertabweichungen oder anderen Regeln anstoßen.

Das Prinzip des Real-Time-Monitorings ermöglicht eine Vielzahl von Monitoring-Use-Cases. Einen Schritt weitergedacht, können die Maschinendaten nicht nur zum Monitoring verwendet werden, sondern sie bilden auch die Grundlage für kontinuierliche Verbesserungsprozesse für interne Prozesse auf Basis von KPIs. Auch weitere Optimierungen wie zum Beispiel beim Energieverbrauch können auf Basis der Sensordaten umgesetzt werden.

Schließlich sei noch der Use Case "Vernetzte Produktion" als Einsatzgebiet der oben beschriebenen Bausteine erwähnt. Mit dem Bereich "Intern vernetzte Produktion" können Unternehmen sofort beginnen. Der nächste Schritt ist dann die "Vernetzte Produktion in der Supply Chain", bei dem Lieferanten, Produzenten und Kunden ihre Prozesse ganzheitlich abbilden.

Fazit

Die Business- und IoT-Plattform D.for.S und die Hardware von WAGO bilden die Grundlage für die Umsetzung dieser Use Cases im Bereich von Industrie 4.0, Edge Computing und Maschinenanbindung. Alle relevanten Technologien und Protokolle werden unterstützt. So erfolgt die Northbound-Integration zum Beispiel mit OPC UA oder MQTT und die Southbound-Anbindung zum Beispiel über Feldbusstandards wie Profinet oder Profibus oder direkt über Steuerungsprotokolle für S5 und S7.

Beide Unternehmen sind hierbei sehr flexibel. So kann D.for.S von SALT mit verschiedenen IoT-Gateways kommunizieren. Die WAGO Komponenten sind aufgrund der verwendeten Standards in der Lage, mit verschiedenen IT-Systemen zu kommunizieren. Somit können die Datenräume der IT mit den Datenquellen und Aktoren der OT zur vollautomatisierten Supply Chain verbunden werden.

Der PoC hat gezeigt, dass Plug and Work ein erreichbares Ziel ist. Außerdem wurde im PoC gezeigt, wie eine engere Verbindung der Ebene der Geschäftsprozesse mit der Ebene der Steuerung aussehen kann. Dies bildet die Basis für eine höhere Verfügbarkeit und geringere Latenz im Gesamtsystem und kann somit die Fertigung rundum optimieren. Digitalisierungsvorhaben im Bereich der oben genannten Use Cases, auch im Rahmen von Pilotanwendungen, können auf diesem Wege optimal vorbereitet und durchgeführt werden.

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