Kommentar von Jonas Schramm, Inray

Middleware für Industrie-4.0-Prozesse

| Autor / Redakteur: Jonas Schramm / Nico Litzel

Der Autor: Jonas Schramm ist stellvertretender Abteilungsleiter Projektentwicklung bei Inray
Der Autor: Jonas Schramm ist stellvertretender Abteilungsleiter Projektentwicklung bei Inray (Bild: Inray)

Unternehmen, die eine Industrie-4.0-Systemintegration aufbauen wollen, sehen sich mit drei zentralen Herausforderungen konfrontiert: eine nicht standardisierte Datenbasis aus diversen Datenbanken und Quellen, ein heterogenes Maschinenumfeld sowie der schwierigen Anbindung der Operation Technology (OT) der Anlagen an die kaufmännischen IT-Systeme des Betriebs.

Die Komplexität entsteht durch die unterschiedlichen Kommunikationsprotokolle und Sprachen der beteiligten Systeme und Anlagen. Eine Middleware kann als zentrale Plattform übersetzen und eine Vernetzung möglich machen.

Maximale Transparenz und steigende Effizienz bei sinkenden Kosten: Die Vorteile einer im Sinne der Industrie 4.0 vernetzten Produktion sprechen für sich. Damit das gelingt, benötigen Unternehmen standardisierte Daten aus allen an der Produktion beteiligten Systemen. Nur so entsteht eine Vergleichbarkeit und nur auf dieser Basis, nämlich der Aufzeichnung von Prozesswerten, Produktionszahlen, Störzeiten und -gründen oder Verbräuchen, lassen sich die Optimierungspotenziale voll heben.

Doch das ist nicht so einfach. Denn um das Internet of Things (IoT) im eigenen Unternehmen aufzubauen, müssen Betriebe eine Vielzahl von heterogenen Systemen und Anlagen mit unterschiedlichen Technologien, verschiedenen Herstellern und Softwaresystemen sowie Kommunikationsprotokollen vereinheitlichen und vernetzen. Das kann bei individueller Programmierung mit einem erheblichen Zeitaufwand und hohen Kosten einher gehen. Eine Middleware löst die Konnektivitätsprobleme einfach und effektiv.

Relevante Daten vereinheitlichen und zusammenführen

Relevante Daten werden in der Regel in unterschiedlichen Systemen vorgehalten, zum Beispiel in Maschinensteuerungen, Clouds, Datenbanken oder lokalen Computersystemen. Damit Industrie 4.0 gelingen kann, müssen diese Daten zentral in einer Datenbank oder der Cloud gespeichert werden. Nur so entsteht die gewünschte Übersicht über die Effizienz und den Status aller Anlagen unabhängig von deren Standort. Auf Basis der Datenlage kann durch Condition Based Monitoring oder Predictive Maintenance eingegriffen werden, wenn sich Probleme ankündigen – noch bevor eine Anlage stillsteht, es zu Produktionsverzögerungen und Ausfällen kommt.

Die direkte Vergleichbarkeit der Daten macht eine genaue Analyse möglich. Dafür zieht eine Middleware die relevanten Informationen aus den verschiedenen Quellsystemen und speichert sie in den Formaten und Protokollen, die von dem jeweiligen Zielsystem benötigt werden, etwa im OPC-, SQL-. MQTT-, REST- oder JSON-Format.

Einheitliches Kommunikationsprotokoll im Maschinenumfeld

Eine zentrale Herausforderung bei der Automatisierung ist ein heterogenes Maschinenumfeld. Unternehmen unterhalten in ihren Anlagen in der Regel nicht nur verschiedene Maschinenarten und -typen. Sie unterscheiden sich auch im Baujahr, im Hersteller und der Software. Das hat zur Folge, dass unterschiedliche Sprachen und Protokolle unterstützt werden und die Maschinen untereinander nicht kommunizieren können – ein zentrales Problem.

Um das Potenzial der Automatisierung ausschöpfen und Mehrwerte generieren zu können, muss eine bidirektionale Kommunikation auf allen Automatisierungsebenen und zwischen den Systemen aufgebaut werden. Hier hilft ein Software-Tool, das alle Protokolle in die Standard-Protokollsprache OPC übersetzt – ein OPC-Server (wie KEPServerEX). Mit der richtigen Middleware wird die Kommunikation der verschiedenen Systeme und Maschinen unabhängig von der Sprache möglich. OPC UA gilt als eines der wichtigsten IoT- / Industrie-4.0-Protokolle. Die Middleware fungiert dann als OPC-Client-Software für OPC DA und OPC UA und garantiert eine gesicherte Kommunikation.

Mit einer Middleware ist es ebenfalls möglich, sehr alte oder seltene Anlagen anzubinden und eine Konnektivität herzustellen. Diese, beispielsweise Drucker oder CNC-Maschinen, kommunizieren in der Regel über seltene, proprietäre Protokolle, die es nicht in standardisierter Form gibt. Eine Middleware löst das, indem sie über entsprechendes Scripting die Erstellung nativer Treiber ermöglicht. Sie kann individuelle Plug-ins für diverse Verbindungsarten – auch Übersetzungen für seltene Systeme – erstellen. In der Regel sind neue Plug-ins schon mit dem nächsten Software-Release verfügbar. Einzelne Anbindungen und Transfers werden über eine grafische Konfiguration erstellt und visualisiert.

OT und IT anbinden

Damit eine Automatisierung gelingt, benötigt es den Brückenschlag zwischen den kaufmännischen IT-Systemen wie ERP und der OT der Anlagen- und Maschinenseite. Neben der Komplexität und den hohen Kosten der Anbindung führen hier unterschiedliche Sichtweisen schnell zu Verständnisproblemen. Eine Middleware macht über Plug-ins die Kopplung an SAP oder andere kaufmännische Systeme möglich. Daten im OPC-Format aus der Steuerung und den Systemen der Produktion werden dabei in SAP übertragen.

So entsteht eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle zwischen Produktion und kaufmännischem Bereich. Auch die Anbindung unterschiedlicher weiterer Quellen im Betrieb wie Drucker, Kamerasysteme, Wiegesysteme, Laborsysteme, Barcode-/Handscanner, RFID Reader/Writer gelingt mit einer Middleware. Denn nicht nur die Maschinen in der Produktion müssen angebunden werden – auch die Daten aller anderen sind relevant für eine vollständige Vernetzung. Über das Tool wird es möglich, auch für Sonderlösungen eine Kommunikation einzurichten. Es sammelt alle Daten zu einem Vorgang aus den unterschiedlichen Quellen und stellt so die Dokumentation im Rahmen von validierten Prozessen sicher.

Fazit

Die Vernetzung und Kommunikation aller beteiligten Systeme in der industriellen Produktion ist die zentrale Voraussetzung für Automatisierung und Industrie-4.0-Prozesse. Eine Middleware fungiert dabei als zentrale Kommunikationsplattform und ermöglicht einen automatisierten und bidirektionalen Datenaustausch durch komplette Integration aller Systeme und Insellösungen wie etwa OPC UA, SAP und SQL. Eine solche Lösung wie der OPC Router dient damit als Datenlogger, Machine-to-Machine Gateway, IoT-Treiber und Schnittstelle zwischen kaufmännischen Systemen und den Anlagen der Produktion.

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