Wie man die Herausforderung mehrerer Systeme mit unterschiedlichen Protokollen meistert

Dieser Artikel umfasst folgende Themen:

• Die Herausforderungen der Synchronisierung von Altsystemen mit modernen Netzwerken.
• Die Herausforderungen, die sich bei der Implementierung von Industrie 4.0-Modellen daraus ergeben, mehrere Systeme mit unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen im Fertigungsbereich zu haben.
• Wie Unternehmen die Herausforderungen bewältigen können, die mit mehreren Protokollen bei Industrie 4.0-Implementierungen verbunden sind.

Der fortschreitende digitale Wandel, der sich im industriellen Bereich vollzieht, bringt ausgezeichnete Vorteile mit sich, die durch die Print- und Digitalmedien mit großem Trara bekannt gemacht wurden. Bei so viel Betonung der Vorteile, die die Implementierung der Industrie 4.0 für den Fertigungsbereich und den Betrieb mit sich bringt, werden die realen Herausforderungen, die mit digitalen Transformationen verbunden sind, häufig übersehen.

Altsysteme und die Implementierung der Industrie 4.0

Altsysteme spielen im Fabrikbetrieb nach wie vor eine wichtige Rolle. Heute sind etwa 90 % der Fabriken zur Bewältigung verschiedener Aufgaben auf Altanlagen angewiesen. In Situationen, in denen mehrere Altanlagen verwendet werden, sind die vorhandenen System- und Kommunikationsprotokolle in der Regel unterschiedlich. Die verschiedenen Protokolle existieren innerhalb dieser Systeme, weil gemeinsame Initiativen wie die OPC Foundation Anfang der 90er Jahre ins Leben gerufen wurden, während es Altsysteme bereits seit drei oder vier Jahrzehnten oder sogar noch länger gibt.

Unternehmen, welche die Industrie 4.0 implementieren, stellen im Allgemeinen fest, dass unterschiedliche Protokolle und der Mangel an neuen Kommunikationstechnologien Stolpersteine sind, die es zu überwinden gilt. Glücklicherweise gibt es mehrere Lösungen für die Herausforderung der unterschiedlichen Protokolle in Altsystemen. Zu diesen Lösungen gehören:

• OPC Foundation Unified Architecture (OPC UA) – Die Vereinheitlichung der bestehenden Maschine-zu-Maschine-Kommunikation erfordert ein offenes Rahmenwerk, das industrielle Anlagen und Systeme unterstützt. OPC UA bietet die plattformübergreifende Unterstützung und Dienstleistungen, die für die Entwicklung einer vernetzten cyber-physischen Umgebung erforderlich sind, die aus Altanlagen mit verschiedenen proprietären Systemen besteht. Die OPC Foundation bietet maßgeschneiderte Server und Hardware zur Unterstützung der Kommunikation im gesamten Fertigungsbereich an.

• Edge-Computing – Heute hat sich das Edge-Computing als die umfassendste Antwort auf die Herausforderungen und Fragen herauskristallisiert, die mehrere Systeme mit unterschiedlichen Protokollen mit sich bringen. Die Möglichkeit, Datenverarbeitung mit niedriger Latenz direkt in den Fertigungsbereich zu bringen, ohne sich auf eine zentralisierte Rechnerplattform verlassen zu müssen, schafft vielfältige Anwendungsfälle für Industrie 4.0-Implementierungen. Im Falle mehrerer Altsysteme mit unterschiedlichen Protokollen kommt der Edge-Hardware eine wichtige Rolle zu.
  Unter Edge-Hardware versteht man Hardware mit Rechenressourcen, die zur Datenerfassung, Datenverarbeitung oder zur Erleichterung des Datentransfers eingesetzt werden kann. So kann Edge-Hardware, wie z. B. HMI-Geräte (Human-Machine-Interface) mit Unterstützung für Industrieanlagen mit analogen Systemen, an Altanlagen angeschlossen werden. Die HMI dient dann als Kommunikationsendpunkt für die Altgeräte. Die HMI kann so konfiguriert werden, dass sie Daten überträgt, Daten sammelt oder das Gerät an bestehende Netzwerke anschließt. Die Stärke der Edge liegt auch in ihrer Fähigkeit, die Kluft zwischen Cloud-Computing und dem tiefsten Teil der Fabrikhalle zu überbrücken. Edge-Geräte ermöglichen latenzarme Datenverarbeitung auf Fertigungsbereichebene und haben gleichzeitig die Fähigkeit, Daten aus der Cloud zu senden und zu empfangen. Die durch Edge-Geräte mögliche Zusammenarbeit erlauben den Einsatz von Edge-Geräten als Kanal für die Übertragung von Informationen aus der Cloud zu Altsystemen.
  

Die Implementierung der Industrie 4.0 in Altanlagen mit mehreren Systemen

Obwohl das Streben nach einer einheitlichen Architektur bei der Implementierung von Industrie 4.0 schon seit einigen Jahrzehnten aktiv ist, entwickeln Anbieter im Bereich Industrie 4.0 immer noch proprietäre Geräte und Systeme für Endbenutzer. Mehrere Anbieter mit unterschiedlichen Geräten, Systemen und Protokollen führen zu Herausforderungen bei der Schaffung eines vernetzten Fertigungsbereichs.

Um mit den Schwierigkeiten fertig zu werden, die moderne Anlagen und automatisierte Systeme wie z. B. ein Materialflusssystem bei der Einführung der Industrie 4.0 mit sich bringen, wenden sich die Fabrikbesitzer dem Edge-Computing zu. In Altanlagen ermöglicht das Edge-Computing die Erweiterung des Netzes miteinander verbundener cyber-physikalischer Systeme auf vielfältige Weise. Im Falle von Altanlagen haben industrielle Edge-Plattformen im Vergleich zu Edge-Hardware eine wichtigere Rolle zu spielen. Moderne Anlagenoptionen sind in der Regel mit Kommunikationsmerkmalen wie z. B. drahtlosen Funktionen ausgestattet, was bedeutet, dass sie nach Möglichkeit direkt an eine zentralisierte industrielle Edge- oder Cloud-Plattform angeschlossen werden.

Moderne Industriegeräte wie CNC-Maschinen (Computer Numerical Control) können aufgrund ihrer Fähigkeit, Daten zu erfassen, zu verarbeiten und zu übertragen, als Edge-Geräte angesehen werden. Daher werden Industrie 4.0-Implementierungen in Altanlagen im Allgemeinen für vorausschauende Instandhaltung und datengesteuerte Optimierungsaufgaben verwendet. Um diese fabrikweiten Optimierungsprozesse durchführen zu können, ist eine größere Rechnerplattform erforderlich, die in der Lage ist, unendlich viele Betriebsdaten von verschiedenen Geräten zu erfassen und zu verarbeiten. OPC UA bietet das vereinheitlichende Kommunikations-Framework, während Edge-Plattformen zentralisierte Rechenressourcen für komplexe Datenanalysen bereitstellen.

In Fabriken mit sowohl modernen als auch veralteten Anlagen bietet Edge-Computing auch einen Weg zur Vereinheitlichung dieser Systeme mit verschiedenen Protokollen. Innerhalb dieser Fabriken wird die Neuverkabelung von Altsystemen im Allgemeinen wegen der hohen Kosten des Prozesses und der technologischen Beschränkungen der Altanlagen, die mit moderner Apparatur zusammenarbeiten, gemieden. Edge-Hardware kann eingesetzt werden, um das cyber-physikalische Netzwerk zu erweitern und eine vernetzte Umgebung zu schaffen, indem sowohl die modernen als auch die Altanlagen an das anlagenweite Netzwerk angeschlossen werden. Die Vielseitigkeit, die das Edge-Computing für die Implementierung der Industrie 4.0 mit sich bringt, ist der Grund dafür, dass Industrieunternehmen in den nächsten drei Jahren voraussichtlich etwa 30 % der IT-Budgets für Edge-Computing ausgeben werden.

Schlussfolgerung

Edge-Computing ist die Zukunft der Industrie 4.0-Implementierungen, da es Berechnungen mit niedriger Latenz an den tiefsten Stellen des Fertigungsbereichs und für Altgeräte unterstützt. Die Kosten für den Ersatz von Altanlagen und die Überbrückung der Qualifikationslücke nach dem Kauf neuer Anlagen sind für viele Unternehmen ein Stolperstein. Der Einsatz von Edge-Hardware wird diese Kosten senken, die Systeme mit verschiedenen Protokollen aufeinander abstimmen und die industrielle Automatisierung nahezu in Echtzeit unterstützen - und so die Vorteile der Industrie 4.0 in den Fertigungsbereich bringen.