Digitalisierung der Produktion 19.08.2022, 09:10 Uhr

Endlich den Datenschatz aus dem Maschinennetzwerk heben

Um die Produktion zu überwachen und zu optimieren, sind granulare Daten notwendig. Die sind in der Werkshalle auch vorhanden – allerdings kommen Unternehmen an sie nicht heran. Gezeigt wird ein Lösungsansatz.

Der Schatz liegt in vielen Produktionsunternehmen noch im Verborgenen: Wenn es gelingt, die Daten der Maschinen zu erheben und zu nutzen, kann er erschlossen werden. Grafik: Indu-Sol

Der Schatz liegt in vielen Produktionsunternehmen noch im Verborgenen: Wenn es gelingt, die Daten der Maschinen zu erheben und zu nutzen, kann er erschlossen werden. Grafik: Indu-Sol

Die Daten sind für die Fertigungsbetriebe schwierig zu erschließen – zum einen, weil sie die Chancen der Digitalisierung nicht ausreichend wahrnehmen, zum anderen, weil die Maschinennetzwerke aus Sicherheitsgründen abgeschottet sind. Der Datenschatz bleibt dadurch verborgen. Um diese wichtigen Daten zu erheben, sind das Vorantreiben der Digitalisierung sowie die Öffnung der Maschinennetzwerke die entscheidenden Schritte. Voraussetzung hierfür: Ein intensiver Austausch zwischen Errichter und Betreiber der Maschinen, sowie zwischen dem Topfloor und dem Shopfloor.

Ebenen im Unternehmen miteinander vernetzen

Immer mehr Betriebe erkennen zwar die Notwendigkeit, Digitalisierungsprojekte anzustoßen, sie scheitern aber nicht selten an der Umsetzung – auch, weil Topfloor und Shopfloor nicht ausreichend miteinander vernetzt sind bzw. die Kommunikation zwischen beiden Ebenen oftmals nicht stattfindet. Auf Shopfloor-Ebene wird die Digitalisierung durchaus vorangetrieben, allerdings wird längst nicht das gesamte Potenzial ausgeschöpft, weil wertvolle Datenquellen nicht genutzt werden. Die Sensoren und Aktoren in der Maschine werden lediglich zur Steuerung und Regelung genutzt, jedoch weder für eine Zustandsüberwachung, noch für die Prozessoptimierung auf Shopfloor-Ebene oder für die Kennzahlenermittlung und Produktionsplanung auf Topfloor-Ebene.

Um die zahlreichen Daten aus den Sensoren nicht nur der Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) zugänglich zu machen, sondern auch der Digitalisierungssoftware oberhalb der Maschinen im Scada-Netzwerk, gilt es, die Maschinennetzwerke zu öffnen. Die Abkürzung Scada steht für „Supervisory Control and Data Acquisition“ und beschreibt die grundlegenden Funktionen. Unternehmen nutzen derartige Systeme, um ihre Anlagen standortübergreifend zu steuern sowie Daten über deren Betrieb zu sammeln und aufzuzeichnen.

Anhand der dann vollständig erhobenen Daten lassen sich Einsparpotenziale beim Energieverbrauch ermitteln. Zusätzlich sind Predictive Maintenance und Condition Monitoring dann erst vollumfänglich möglich: Verschleißerscheinungen lassen sich so frühzeitig erkennen und vor dem Totalausfall einer Maschine wird rechtzeitig gewarnt – weg vom Feuerlöschen, hin zu vorausschauender Instandhaltung.

Die Sensoren und Aktoren in der Maschine werden häufig nur zu deren Steuerung genutzt. Sie können jedoch auch wichtige Daten für eine Zustandsüberwachung oder Prozessoptimierungen liefern. Grafik: Indu-Sol

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Voraussetzung: Die Lücke zwischen Errichter und Betreiber überwinden

Das grundsätzliche Problem, das einer Öffnung der Maschinennetzwerke entgegensteht, ist der Dissens zwischen Betreibern und Errichtern. Betreiber fokussieren sich auf die Digitalisierung der Produktion, Errichter haben hingegen einzig die Funktion ihrer Maschine im Blick. Während Betreiber nach Optimierung, Effektivität, Flexibilität und Agilität streben, geht es Errichtern vielmehr um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Maschinen. Sie richten die Maschinennetzwerke daher auf Funktionalität und einzelne Applikationen aus, wohingegen die Betreiber auf ein optimiertes Energiemanagement, ein Condition Monitoring und die Predictive Maintenance abzielen. Aus ihrer jeweiligen Position heraus machen beide Seiten das Richtige – einzig ein verbindendes Element zur Überwindung der Lücke fehlt. Die Öffnung des Maschinennetzwerks schließt diese Lücke.

Die Betreiber der Maschinen erkennen die Notwendigkeit der Netzwerköffnung oftmals eher als die Errichter. Diese sehen durch die Öffnung die Sicherheit der Netzwerke an sich und ihrer Maschinen gefährdet. Dabei verpassen sie durch die Abschottung ihrer Maschinen eigene Vorteile: Um Maschinen zum Beispiel zu warten, müssen die Errichter bislang zur Werkshalle fahren. Dabei verlassen sie sich in der Regel auf Erfahrungswerte und subjektive Wahrnehmungen: Techniker hören zwar oftmals, wenn zum Beispiel irgendwo ein Zahnrad ausgetauscht werden muss, doch wo sich das defekte Rad tatsächlich befindet, können sie nur grob bestimmen. Der zeitliche Aufwand ist immens, die Maschinen stehen in dieser Zeit still.

Das lässt sich vermeiden, wenn eine genaue Information erfolgen kann, welches Element beschädigt ist – und die betroffene Maschine selbst den Defekt meldet. Durch die Öffnung der Netzwerke könnten Techniker zudem Fernwartungen über einen Remote-Desktop vornehmen und so Zeit und Aufwand sparen. Im Grunde profitieren die Maschinenbauer also von der Netzwerköffnung.

Sicherheit der Maschinennetzwerke ist weiterhin gewährleistet

Bedingung für die Öffnung der Netzwerke ist natürlich, dass ihre Sicherheit gewährleistet ist. Es geht daher darum, sie zugänglich zu machen, nicht aber im klassischen Sinne nach außen hin zu öffnen. Die Netzwerke werden also intern durchlässig, Maschinen geben alle ihre Daten an die die Topfloor-Ebene weiter. Durch bestimmte Mechanismen, beispielsweise Firewalls, bleiben die Maschinennetzwerke geschützt.

Mit der Zugänglichkeit des Maschinennetzwerks geht auch ein erhöhter Anspruch an dessen Leistungsfähigkeit einher. In den meisten Fällen reicht die Bandbreite in den existierenden Maschinennetzwerken aus, um die zusätzlichen Digitalisierungsanwendungen mit abzudecken. Auch einfache Anpassungen, wie die Erhöhung der Backbone-Kapazität, sind unter diesen Voraussetzungen möglich.

Wichtig ist zudem, einen direkten Übergang zwischen dem OT (Operational Technology)-Maschinennetzwerk und dem überlagerten Scada- bzw. IT (Informationstechnik)-Netzwerk zu schaffen. Denn die Smart-Sensor-Daten müssen an der SPS vorbei direkt den Applikationssoftwaren zugeführt werden, die auf Rechnern in den IT-Netzwerken laufen.

Barrieren unterhalb der SPS durchbrechen

Innovationsfreudige Unternehmen haben im Zuge ihrer Digitalisierungsstrategien die Verbindung zwischen IT und IIT/Scada bereits vorgenommen, da MES (Manufacturing Execution System)- und ERP (Enterprise Resource-Planning)-Systeme direkt auf Daten aus der SPS zugreifen müssen. Der dafür anfallende SPS-Programmieraufwand wird in Kauf genommen.

Die Abnehmer für die Smart-Sensor-Daten – direkt aus Ethernet-fähigen OT-Geräten für das Condition Monitoring – sitzen meist im IIT/Scada-Netzwerk. Sie überwachen zum Beispiel über die Schwingungsanalyse rotierende Teile in der Anlage bzw. finden über eine erhöhte Stromaufnahme von Motoren heraus, dass ein Motorlager schwer läuft. Für diesen Prozess gibt es entsprechende Instandhaltungsmanagement-Programme, sogenannte „Computerized Maintenance Management Systeme“ (CMMS).

In der Vergangenheit wurde der Übergang zwischen IT und IIT/Scada durch Firewalls und virtuelle Netzwerktrennung (VLAN) sicher gestaltet. Nun wird ebenfalls der Übergang von der IIT/Scada zu den OT-Netzwerken derart abgesichert, dass sowohl die Funktionssicherheit der Maschinen als auch alle Security-Belange gewährleistet werden.

Anstatt aber konsequent auf diesen direkten, gesicherten Zugang zum OT-Netzwerk zu bestehen, werden lieber zusätzliche Sensoren auf der Maschinenebene verbaut und direkt an das IIT/Scada-Netzwerk angeschlossen. Dadurch werden aber erstens sehr teure und zweitens sehr wartungsintensive parallele Infrastrukturen aufgebaut. Zusätzlich ist die Dichte an Sensoren zu gering, um wirklich alle Maschinendaten erheben zu können – mehr als 20 Prozent der vorhandenen Daten werden in der Regel nicht nutzbar gemacht. Der Nutzen steht somit in keinem Verhältnis zu Aufwand und Kosten – viele Digitalisierungsprojekte scheitern daher. Um wirklich alle Daten zu erheben und das volle Potenzial der Digitalisierung auszuschöpfen, braucht es einen digitalen Zwilling, der nur durch die Zugänglichkeit der Netzwerke erstellt werden kann.

Eine wichtige Funktion hat das Lastenheft, in dem der Betreiber darlegt, wie das Maschinennetzwerk konfiguriert sein soll. Grafik: Indu-Sol

OT-Netzwerk nach Erfordernissen von Funktion und Digitalisierung planen

Um Digitalisierungsprojekte und die Zugänglichkeit der Netzwerke umzusetzen, muss sich das Netzwerk von der Applikation (z.B. Profinet) lösen. Voraussetzung dafür ist ein intensiver Austausch zwischen Betreiber und Errichter. Sie müssen Verantwortlichkeiten festlegen, ihre Aufgaben klären, Ziele definieren und ebenso ihre Befindlichkeiten offenlegen – und das von Anfang an.

Eine wichtige Funktion hat dabei das Lastenheft, in dem der Betreiber darlegt, wie das Maschinennetzwerk konfiguriert sein soll. Ist die Zugänglichkeit des Maschinennetzwerkes darin vorgemerkt, kann der Betreiber schließlich auf alle relevanten Daten, zum Beispiel zum Energiemanagement oder zu Predictive Maintenance, zugreifen.

Wie der Betreiber die Netzwerköffnung über das Lastenheft einfordert, ist ein weiterer wichtiger Aspekt: Um hierbei alle Anforderungen an den Errichter gut strukturiert und nachvollziehbar zu formulieren, kann ein externer Experte von großem Nutzen sein. Denn: Wer genau weiß, welche Daten durch eine Netzwerköffnung zugänglich werden sollen – und auf welche Weise dies geschehen kann –, wird sowohl textlich als auch inhaltlich einen wichtigen Beitrag leisten. Ein solches –auf das jeweilige Unternehmen exakt zugeschnittene – Consulting kann daher maßgeblich zum Gelingen des Projektes beitragen.

Darüber hinaus ist eine enge Zusammenarbeit von IT, IIT und OT notwendig. Und nicht zuletzt muss das OT-Netzwerk an die Erfordernisse von Funktionen der Digitalisierung angepasst bzw. bereits bei der Planung berücksichtigt werden. Das heißt, dass die Leistungsfähigkeit des Netzwerks erhöht und ebenso seine Zuverlässigkeit und Sicherheit garantiert werden muss.

Fazit

Unternehmen müssen ihre Digitalisierungsprojekte mit Weitblick und einer ganzheitlichen Strategie angehen. Es gilt dabei, bestehende Ressourcen zu nutzen. Anstatt mit viel Aufwand und hohen Kosten ein paralleles Netzwerk mit zusätzlichen Sensoren und Leitungen aufzubauen, sollten die Betriebe vielmehr ihre vorhandenen Maschinennetzwerke organisiert zugänglich machen. Nur so können sie alle Daten für die Zustandsüberwachung und Optimierung der Prozesse nutzen.

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Von Karl-Heinz Richter, René Heidl

Karl-Heinz Richter und René Heidl sind Geschäftsführer der Indu-Sol GmbH in Schmölln. Als Spezialisten für industrielle Kommunikationsnetzwerke unterstützen sie Anlagenerrichter und -Betreiber bei der Planung, Inbetriebnahme und dem Betrieb moderner Industrienetzwerke.