Kommentar von Anselm C. Magel

Smart Factory Integration auf Basis verarbeiteter Echtzeitproduktionsdaten

| Autor / Redakteur: Anselm C. Magel* / Nico Litzel

Anselm C. Magel
Anselm C. Magel (Bild: Anselm Magel Management Consultants)

Viele Produktionsunternehmen haben bisher noch nicht mit einer Smart-Factory-Transformation begonnen oder erleben den Exitus ihrer Pilotinitiativen. Am Beginn stehen verarbeitete Produktionsechtzeitdaten sowie neuartige leistungsfähige Softwarearchitekturen als Basis für eine erfolgreiche Smart-Factory-Transformation

Echtzeitdaten, welche von Produktionsmaschinen und -anlagen, -systemen und ggf. von intelligenten Werkstückträgern erzeugt werden, sind die Lebensader einer Smart Factory. Im Unterschied zu Plandaten, welche Systeme auf der Unternehmensleitebene generieren, ermöglichen Produktionsechtzeitdaten die Optimierung des Fertigungsmanagements. Sie erlauben eine Reaktion auf Fertigungssituationen in Echtzeit und ermöglichen ein vernetztes digitales Abbild unternehmensspezifischer Fertigungsprozesse und deren stufenweise Digitalisierung.

Will man Smart Factory Best Practices auf Basis von Echtzeitdaten effizient realisieren, benötigt man leistungsstarke Softwarearchitekturen. Am Markt entsteht derzeit eine neue Klasse von Softwarelösungen, welche wir mit Smart Factory Integration bezeichnen. Alle derzeit kommerziell verfügbaren Softwarelösungen dieser Klasse sind als zentralisierte Architektur aufgebaut. Dabei speisen sich zentrale Steuerungselemente mit Echtzeitdaten aus den intelligenten Werkstückträgern sowie aus den angebundenen IT- und OT-Systemen.

Leistungsstarke Softwarelösungen besitzen spezielle Architektureigenschaften, welche einen flexiblen und effizienten Einsatz gewährleisten. Sie müssen umfassend, offen, skalierbar, integriert und Analytik-unterstützend sein. Die analysierten Architekturen am Markt teilen sich dabei in drei Kategorien auf: Die hierarchische Produktionsarchitektur, mit ERP-, MES- und PLS-Systemen, die Produktionsplattformarchitektur und die Manufacturing Service Bus-Architektur.

Vergleich zentralistische Smart-Factory-Architekturen
Vergleich zentralistische Smart-Factory-Architekturen (Bild: Anselm Magel Management Consultants)

Die hierarchische Produktionsarchitektur

Die hierarchische Produktionsarchitektur ist geprägt durch die hierarchische Verbindung des ERP mit dem Manufacturing Execution System (MES) zu den verteilten Systemen der Prozessautomatisierung. Das verbindende MES ist häufig ein monolithisches System mit starrem Wertschöpfungsfluss, mit eingeschränktem Horizont und normierter Unterstützung von KPI-Analysen.

Bei den MES-Systemschnittstellen handelt es sich um programmierte Schnittstellen. Mit einem vorhandenen Manufacturing Execution System und standardisierten Maschinenschnittstellen im Produktionsnetzwerk kann eine fokussierte, investitionsschützende Smart-Factory-Transformationen gelingen. Typische MES-Lösungen sind iTAC, camLine sowie MPDV mikrolab. Derzeit lösen sich die starren hierarchischen Architekturen auf und werden von den Anbietern in Plattform-basierte Lösungen migriert.

Die Produktionsplattformarchitektur stellt umfassende Funktionalitäten, welche die Unternehmens-mit der Betriebsleitebene vernetzt. Wesentliche Komponenten sind die Adapter zu Kernsystemen im Produktionsumfeld. Eine weitere Kernfunktionalität sind Adapter zu Maschinen und Anlagen, basierend auf standardisierten Beschreibungsformaten. Weiter werden plattformeigene Anwendungsdienste angeboten. Für die Anbindung fremder Anwendungsdienste ist eine offene Programmierschnittstelle (API) vorgesehen. Komplementiert wird die Plattform von Datenerfassungs-, Datenvalidierungs- und Datenanalytikdiensten sowie dem Orchestrierungsdienst und dem Workflow-Management.

Umfangreiche Transformationen realisieren

Mit den Plattformfunktionen und einem Softwareökosystem lassen sich umfangreiche Transformationen realisieren. Die Integrationsfähigkeit der Plattform stellt sicher, dass die Transformation, auch mit einem heterogenen Maschinenpark, gelingen kann. Typische Plattformlösungen sind Force von Forcam, Axoom von Trumpf oder Sight Machine.

Die Manufacturing-Service-Bus-Architektur (MSB) fokussiert sich auf wesentliche Adaptions-, Kopplungs- und Integrationsdienste. Anwendungsdienste liegen außerhalb der Architektur und werden effizient angeschlossen. Der MSB bildet somit das Rückgrat für eine flexible Erweiterung mit verteilten Diensten. Dabei werden Integrationsdienste, wie Event-based Messaging, Datentransformation, Orchestrierung und Workflow-Management zur Verfügung gestellt, genauso wie Adapter zur Kopplung verteilter Dienste mittels einer offenen Programmierschnittstelle (API). Auch Kernsysteme im Produktionsumfeld werden hierüber angeschlossen. Bei der Anbindung von Maschinen und Anlagen ist der MSB auf standardisierte Beschreibungsformate und Adapter angewiesen. Die hohe Flexibilität der Architektur ist sowohl für die Integration eigenentwickelter, also auch am Markt kommerziell erworbener, Softwaredienste sinnvoll. Typische Lösungen sind der MSB der VFK Virtual Fort Knox oder auch der ATSbus von ATS Global.

Die effiziente Anbindung heterogener Maschinenparks ist eine der größten Herausforderungen in der Smart Factory Integration. Von den verschiedenen Standardisierungsbemühungen ist die Technologiearchitektur OPC UA einer der vielversprechendsten. Sie ist eine Hersteller- und Plattform-unabhängige, konvergente Kommunikationsarchitektur, welche den Transport von Maschinendaten und -informationen regelt. Auch stellt sie Mechanismen für die Systemsicherheit und den Systemzugriff bereit. Mithilfe der Companion Specifications können für Geräte-/Maschinenklassen Funktionen standardisiert beschrieben werden. Einflussreiche Verbände, wie der VDMA, definieren und testen Companion Specifications global. Auch wurde die Interoperabilität mit dem US-amerikanischen Standard MTConnect sichergestellt. Jeder Beteiligte, Anwender, Anbieter oder Maschinenbauer kann hier seinen Beitrag zur Durchsetzung eines Standards leisten.

Noch begrenzte Funktionsumfänge

Ein rascher Auf- und Ausbau des Softwareökosystems verbreitert die Funktionsabdeckung und erweitert das Wertschöpfungspotenzial für die Anwender. Die meisten Smart-Factory-Integrationslösungen sind erst kurzfristig und mit begrenzten Funktionsumfängen auf dem Markt. Eine Abdeckung aller Smart Factory Best Practices aus eigener Ressourcenkraft ist nicht zu stemmen, zudem kommen laufend innovative partielle Smart-Factory-Lösungen auf den Markt. Es gilt, die Netzwerkeffekte von Softwareökosystemen gezielt zu nutzen, um die Lösungsattraktivität zu steigern. Serviceorientierte Architekturen sind prädestiniert dafür. Der Auf-/Ausbau ist eine Kernforderung der Anwender und alternativlos für geschäftstüchtige Anbieter.

Die Auswahl der geeigneten Smart-Factory-Integrationslösung lässt sich am geplanten Wertbeitrag sowie an der Abdeckung der dafür benötigten Eigenschaften/ Funktionen festmachen. Nachdem die strategische Stoßrichtung vereinbart ist, kann die Auswahl nützlicher und bewährter Digitalisierungselemente und deren Quantifizierung vorgenommen werden. Schließlich wird der Abdeckungsgrad dieser mit Lösungsfunktionen und -eigenschaften von potenziellen Softwarelösungen und deren Softwareökosystemen analysiert. Die rigide Ergebnisorientierung ist hilfreich bei der Auswahl multipler Softwarekomponenten im Ökosystem.

* Anselm Magel Management Consultants sind Managementberater, spezialisiert auf die digitale Transformation sowie die Entwicklung von Technologieunternehmen. kaumSmartFactoriesrealisiert@magel.biz.

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