Die Grenzen der klassischen Automatisierungs­pyramide mit IoT-Plattformen durchbrechen

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Um den Produktionsprozess ganzheitlich zu optimieren, müssen Daten zwischen allen Ebenen vom Shop-Floor bis zum ERP fließen. Die klassischen, voneinander weitgehend isolierten Systeme können das nicht gewährleisten. IoT-Plattformen als Datendrehscheibe sind die Lösung.

Daten sind bekanntlich der wichtigste Rohstoff des 21. Jahrhunderts. Sie entscheiden darüber, ob traditionelle Unternehmen auch zukünftig erfolgreich bleiben und sind der Stoff, aus dem die Geschäftsmodelle der Zukunft entstehen. Die Daten kommen aus den verschiedenen IT-Systemen, Tools, Maschinen und Anlagen, aber auch aus IoT-Assets. Aus diesen vielfältigen Daten gewonnene Informationen sind die Grundlage dafür, die bestmöglichen Entscheidungen zu treffen. Obwohl die Daten eigentlich die Vergangenheit oder Gegenwart beschrieben, lassen sich daraus doch mithilfe von Algorithmen Vorhersagen modellieren und so bessere Entscheidungen treffen.

Nur bedingt interaktionsfähige Produktionsebenen

Um Daten schnell und reibungslos zu erfassen und zu verarbeiten, ist eine flexible und leicht erweiterbare Infrastruktur immens wichtig. Doch in der Produktion sind traditionelle Systeme größtenteils an die Schichten der klassischen Automatisierungspyramide gebunden und nur bedingt interaktionsfähig. Daher erweist sich die vertikale Digitalisierung entlang der Schichten derzeit oft als komplex, aufwendig und langsam. Das hemmt den Erfolg, denn gerade die Fähigkeit zum schnellen Reagieren ist ein geschäftsentscheidender Faktor in der globalisierten Welt mit sich immer schneller ändernden Rahmenbedingungen.

Die klassische Automatisierungspyramide

Seit den 1990er-Jahren werden die sechs Ebenen der Automatisierung üblicherweise in der sogenannten Automatisierungspyramide dargestellt. Sie wird in folgende, strikt voneinander getrennte Bereiche unterteilt:

Fehlende Kommunikation zwischen den Schichten

Auf der Fertigungsebene findet man schon oft einen hohen Grad an Automatisierung vor. In den darüber liegenden Schichten findet die Kommunikation allerdings meist nicht mehr in Echtzeit statt, da sie dafür technisch und organisatorisch nicht ausgestattet sind.

Dabei geht es nicht darum, alle Daten weiterzuleiten, sondern darum, wichtige Informationen aus den Daten zu extrahieren und an die entsprechenden Stellen zu verteilen.

Traditionell werden Entscheidungen, je näher sie der Pyramidenspitze kommen, immer langsamer und auf Basis von zunehmend verdichteten Daten getroffen. Die Automatisierung wird oft durch die Struktur der Schichten und Hardware geprägt und unterstützt die Prozesse daher nicht oder viel zu wenig.

Die im Brownfield vorgefundenen Systeme lassen sich heute meist in die strikt definierten Schichten einordnen. Unternehmen benötigen aber flexible, schichtübergreifende Lösungen. Diese sind derzeit aber noch kaum im Einsatz, obwohl sich Unternehmensanforderungen und auch Lieferketten rasant ändern. Denn mit jeder neuen Maschine kommt auch eine neue Technologie mit ins Haus. Einführungsprojekte von IT-Lösungen in der Produktion in einem Werk dauern auch nicht mehr mehrere Jahre lang, sondern eher einige Wochen oder Monate. Starre Prozesse und voneinander isolierte Schichten sind hier starke Bremser.

Paradigmenwechsel in der Automatisierung

Den steigenden Anforderungen an Flexibilität und Geschwindigkeit lässt sich mit neuen Technologien begegnen, deren Fokus mehr auf die Nutzung und Verteilung von Daten gerichtet ist. Themen wie Industrie 4.0, IIoT, Cloud und IT-Architektur verändern nicht nur die Produktionsprozesse an sich, sondern auch die Strukturen und die Art der Kommunikation innerhalb der Produktion. Zusätzlich werden die starren und unflexiblen Strukturen der klassischen Automatisierung auch durch Entwicklungen aufgesprengt, welche man nicht auf Anhieb in der Produktion verorten würde, beispielsweise plattformbasierte Lösungen, Micro Services, Containertechnologie und Virtualisierung. Gerade in der IT-Strategie findet mit containerisierten Lösungen und einem hybriden Deployment mit Cloud-, Edge- und On-Premise-Komponenten ein Paradigmenwechsel statt.

Solch eine zukunftsfähige hybride IT-Infrastruktur für Container-Anwendungen bietet verschiedene Vorteile wie

  • Unabhängigkeit vom Betriebssystem,
  • schnelles Deployment,
  • Ausfallsicherheit,
  • Wartbarkeit und
  • Erweiterbarkeit

Micro Services statt eines monolithischen MES

Durch den Einsatz von einzelnen Softwarekomponenten für jeweils spezifische Prozesse, sogenannten Mirco Services, lässt sich das klassische Manufacturing Execution System (MES) in verschiedene Teilfunktionalitäten auflösen. Das Verwenden von vielen solchen kleineren Apps mit jeweils abgegrenzten MES-Funktionalitäten reduziert das MES auf die tatsächlich genutzten Funktionen. Es ist entsprechend viel schlanker und lässt sich schneller im Unternehmen einführen und warten. Und wenn diese MES-Micro-Services noch mit einer Plattform verbunden sind, die als Datendrehscheibe fungiert, dann verbessert dies die vertikale Integration – von Top-Floor zu Shop-Floor – immens. Denn solche Datendrehscheiben sind mit ihrer Micro-Service-Architektur darauf ausgelegt, andere Systeme effizient entlang der klassischen Automatisierungspyramide zu integrieren und deren Daten in einen gemeinsamen Datenraum zu überführen.

Die größten Vorteile einer solchen Datendrehscheibe sind

  • die Event-getriebene Architektur,
  • die einfache Anbindung von IT-Systemen und Maschinen,
  • die schnelle und einfache Verteilung von Daten innerhalb dieser Struktur und
  • die Abschaffung von Medien- und Formatbrüchen.

Eine Datendrehscheibe versetzt die verschiedenen Systeme und Techniken in die Lage, miteinander zu kommunizieren. Das wird in der Regel unter dem Begriff „Interoperabilität“ zusammengefasst.

Datendrehscheiben verwenden neue, allgemeine, hersteller- und plattformunabhängige Kommunikationsstandards und verschiedene Maschinenprotokolle wie zum Beispiel OPC UA und MQTT. Das hilft dabei, das starre Verständnis der Automatisierungspyramide aufzubrechen. Diese neuen Standards spielen in der Industrie 4.0 bzw. im IIoT eine zentrale Rolle, wenn es um den sicheren, standardisierten Daten- und Informationsaustausch zwischen Geräten, Maschinen und Diensten geht.

Fazit und die wichtigsten Vorteile

Vertikale und horizontale Integration: Datendrehscheiben tragen nicht nur zur besseren vertikalen Integration bei, indem sie Informationen vom Shop-Floor bis in die ERP-Ebene verteilen, sondern durch die Vernetzung in der Supply Chain auch zur besseren horizontalen Integration. Das zeigt sich etwa, wenn Unternehmen nachvollziehen möchten, wie Fertigungsaufträge von der Produktionsplanung bis zur Fertigstellung abgearbeitet und bei etwaigen Problemen direkt im Prozess gesteuert werden.

Ganzheitliche Betrachtung: Dank der horizontalen Integration können Unternehmen ihren End-to-End-Prozess gesamtheitlich betrachten, indem sie Zulieferer, Lieferdienste, Hersteller, Dienstleister und Kunden einbinden.

Datensicherheit und -konsistenz: Unter Berücksichtigung eines Rollen- und Rechtekonzeptes und eines inhärenten Security-Konzepts werden alle Business-Partner an einen Datenraum angebunden. Als wichtigste Vorteile ergeben sich daraus hohe Datenkonsistenz, Geschwindigkeit und Transparenz.

Informationsfluss in alle Richtungen: Wichtig ist im horizontalen Informationsfluss, dass entlang der Integration die Daten in Feedbackschleifen in beide Richtungen fließen. Also von Zulieferern, Lieferdiensten, Herstellern, Dienstleistern und Kunden zum Unternehmen – und wieder zurück. Nur so lassen sich die Potenziale, die sich aus der Digitalisierung der End-to-End-Prozesskette ergeben, gesamtheitlich heben.

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