Das Internet der Dinge (IoT) und Smart Manufacturing sind in der Welt der industriellen Automatisierung von heute zu zwei der aktuellsten Konzepte geworden. Gemeinsam ebnen sie den Weg für eine neue Ära in der Produktionswelt – oft auch als industrielles IoT oder Industrie 4.0 bezeichnet – in der Sensoren, Geräte und Maschinen über das Internet miteinander verbunden sind, ohne menschliche Interaktion arbeiten und Unmengen von Daten bereitstellen, die umfassende neue Einblicke und Einsichten ermöglichen.

Das Kernstück des industriellen IoT ist das Phänomen einer hoch automatisierten „Smart Factory“, die durch vernetzte Geräte, intelligente Technik und nahtlose Prozesse gesteuert wird. Dies stellt die nächste Weiterentwicklung in der modernen Fertigung dar und verspricht, Raum für große betriebliche Effizienz, nie da gewesene Flexibilität, zunehmende Produktivität und höhere Gewinnspannen zu schaffen.

Trotz dieser Vorteile kann die Fabrik der Zukunft auf viele Industrieanlagen von heute wie ein entmutigender und teurer Schritt wirken. Sie sind durch hohe Investitionen in bestehende Geräte eingeschränkt, die auf dieselbe Art wie vor Jahrzehnten implementiert sind, als die Kommunikationsprotokolle aus eigener Entwicklung untereinander nicht kommunizieren mussten. Bis jetzt gab es nur wenige Knoten, die miteinander verbunden, gesteuert und überwacht werden mussten, und die Automatisierungsingenieure, Entwicklungsingenieure und Techniker konnten ihre Netzwerke mithilfe von Software, die auf das Automatisierungssystem zugeschnitten war, effektiv verwalten und Fehler beheben. Wenn dadurch die Bereitstellung zeitweise auch schwierig war, war es schon an sich weniger risikobehaftet, da eine vorgegebene Netzwerksegmentierung verschiedener Systemteile entstand.

Mit der zunehmenden Geschwindigkeit, mit der die vernetzte Welt in der Fertigung Einzug hält, ist die Realität einer intelligenten Fabrik keine weit hergeholte Zukunftsvision mehr. Fertigungsunternehmen müssen vielmehr beginnen, sich anzupassen und Innovationen jetzt zuzulassen, damit sie nicht in Gefahr laufen, den Anschluss zu verlieren.

Wenn man bedenkt, dass kleinere und mittlere Fertigungsanlagen noch vor zehn Jahren an jedem Standort zehn bis zwölf  Ethernet-Geräte effektiv verwalteten, und heute mehr als 300 Geräte dort arbeiten, kann man von einem außergewöhnlichem Zuwachs sprechen. Darüber hinaus gehen Führungskräfte in der Fertigungsindustrie davon aus, dass 95 Prozent der Unternehmen innerhalb von drei Jahren von der industriellen IoT-Technik profitieren werden, wenn sie darauf abzielen, ihre Fertigungsabläufe durch Implementierung von Smart Manufacturing und IIoT-Konzepten zu automatisieren.

Dadurch wird die Zahl der vernetzten Industriegeräte in der Fertigung künftig drastisch ansteigen. Mit derzeitigem Stand sind unzählige Komponenten in der Fertigung miteinander vernetzt, etwa E/A-Geräte, SPS-Steuerungen, Mensch-Maschine-Schnittstellen (MMS), Antriebe, Prozessgeräte und IP-Kameras.

Unter der Annahme, das durch das Internet der Dinge in wenigen Jahren erstaunliche 50 bis 100 Milliarden vernetzte Geräte zum Netzwerk hinzu kommen, stehen Fertigungsanlagen vor der beinahe unlösbaren Aufgabe, eine Reihe von wichtigen Hürden zu nehmen, bevor sie von den Vorteilen von dem industriellen IoT profitieren können. Wenn sie jedoch die folgenden drei Schritte befolgen, können Fertigungsanlagen die vielen Vorteile, die das industrielle IoT verspricht, und von denen sich einige schon in nur sechs Monaten erreichen lassen, für sich nutzen:

  1. Modernisierung des industriellen Ethernet-Netzwerks,
  2. Anwendung eines proaktiven und präventiven Zugangs zur Wartung und
  3. das Erreichen von Bewusstheit und Transparenz auf der gesamten Betriebsebene.

Um besser zu verstehen, wie sich Fertigungsanlagen auf industrielles IoT umstellen lassen und eine umfassende Bewusstheit und Transparenz in der gesamten Anlage entsteht, ist vorerst ein Rückblick auf das Rückgrat der Fertigung – das Ethernet-Netzwerk – erforderlich: Warum wurde es in der Fertigung zur beliebtesten Netzwerk-Option, und wie schneidet es im Vergleich mit industriellem Ethernet ab?

Industrielles Ethernet im Vergleich zum Unternehmens-Ethernet

Das Ethernet wurde vor Jahrzehnten zum populären Netzwerkstandard für Unternehmensumgebungen. Dafür sorgen die geringen Kosten, die Zuverlässigkeit und die insgesamt hohe Leistungsfähigkeit. Aus ähnlichen Gründen zog das Ethernet in Form des industriellen Ethernets auch in die Fertigungsnetzwerke ein. Dabei kommen dieselben Netzwerkprotokolle auf Standardbasis wie im Unternehmensnetzwerk zum Einsatz; es ist jedoch genau auf die rauen und schroffen industriellen Umgebungen im Fertigungsbereich ausgelegt. Zu solchen Faktoren gehören extreme Temperaturen, Luftfeuchtigkeit, Vibrationen und andere Störungen durch Fertigungsanlagen, die weit über die Bereiche (und Anforderungen) von IT-Geräten hinausgehen, die unter kontrollierten Bürobedingungen funktionieren.

Die Tabelle zeigt die wichtigsten Unterschiede zwischen Unternehmensnetzwerken für einen Unternehmens(büro)bereich und dem Fertigungsbereich.

Während Unternehmensnetzwerke häufig eine Bandbreitenbeschränkung aufweisen, geht es in Fertigungsanlagen mehr um Zeitabläufe und Kollisionen im Netzwerkverkehr als um Bandbreite. Durch die Nutzung von Standard-Ethernet-Protokollen und der für die Fertigungsumgebungen benötigten hohen Geschwindigkeit wurde industrielles Ethernet in der Fertigung bald standardisiert und ersetzte die Feldbusnetzwerke, die vorher in der Fabrik zum Einsatz kamen.

Daher wurde industrielles Ethernet-Netzwerk die allgemein bevorzugte Wahl für Fertigungs- und Automatisierungssysteme und Unternehmenssysteme. Es bildet ganz einfach eine Basis für die Zusammenarbeit aller Hersteller, indem es ein gleichmäßiges und robustes System für die problemlose Vernetzung von Computern, Netzwerken, Rechenzentren, Maschinen und einer Vielzahl von automatisierten Geräten bietet.

Heute haben industrielle Ethernet-Netzwerke aufgrund der großen Anzahl von vernetzen Geräten in der Fertigung das Ende ihrer Leistungsfähigkeit erreicht. Selbstentwickelte Netzwerke sind den Anforderungen, die neue Anwendungen an sie stellen, nicht mehr gewachsen. In Kombination mit der fehlenden Transparenz dieser vernetzten Automatisierungsgeräte, die in hohem Grad für die Gesamtproduktion einer Anlage verantwortlich sind, wird die Erkennung, Diagnose und Fehlerbehebung zu einer kostspieligen, zeitaufwändigen und extrem komplexen Aufgabe.

Auch dies wird sich als Nebeneffekt der industriellen IoT ändern und umfasst auch die Art und Weise, wie die Fertigung in vielen Anlagen aussieht, da Automatisierungs- und Kontrolltechniker die älteren, bestehenden und seriellen industriellen Netzwerke in die neuen Netzwerksysteme auf Basis einer IT-Infrastruktur integrieren müssen. Im Wesentlichen schließt sich zum allerersten Mal die Lücke zwischen Informationstechnik (IT) und Betriebstechnik (OT).

In der Zwischenzeit zeigen viele Fertigungsunternehmen die schlechte Angewohnheit, offensichtliche Probleme in ihrem Automatisierungssystem auf andere Weise (sei es absichtlich oder nicht) zu betrachten, und dabei wissentlich auf drohende Probleme zu warten. Wenn man die Kosten für das Ignorieren von Unterbrechungen in der Fertigungswelt in Geld ausdrückt, dann könnte mit der Zeit ein gesamtes Unternehmen entweder untergehen oder einen schmerzlichen Preis dafür zahlen.

Ein Beispiel: Ein großer Lebensmittelhändler hat weitreichende betriebsstörende Ethernet-Verbindungsprobleme in praktisch dem gesamten Anlagennetzwerk erkannt. Insbesondere haben Geräte im Automatisierungsnetzwerk der Anlage aus unerklärlichen Gründen die Kommunikation eingestellt In einem seiner Milchbetriebe, der täglich 452.000 Liter Milch produziert, wurde ein derart schwerwiegender Netzwerkfehler entdeckt, dass der Betrieb fast einen ganzen Tag stillstand. Es kam zu Datenunterbrechungen, die ihren Ursprung in bestimmten speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) hatten. Mithilfe der Intravue-Anwendung, die Transparenz, Diagnose und Analyse liefert, konnte das Anlagenteam mehrere SPS mit doppelten IP-Adressen lokalisieren, die dazu geführt hatten, dass das Netzwerk fehlerhaft arbeitete.

Mit dem passenden Werkzeug (Beispiel: Intravue-Software) haben Automatisierungs- und Kontrolltechniker jederzeit Zugriff auf Echtzeitinformationen über die Leistung der Infrastruktur ihres Automatisierungssystems.

Das IT-Team verwendete die Intravue-Software zur Isolierung verschiedener Geräte im Netzwerk und lokalisierte ein nicht dokumentiertes, nicht industrielles Gerät, das oberhalb einer Zwischendecke montiert war. Das Gerät wurde entfernt, und das Problem war dadurch gelöst.

Dieser Lebensmittelhändler hat seitdem in allen 33 Anlagen eine Standardisierung mit Intravue-Software durchgeführt und nutzt sie hauptsächlich als Analysewerkzeug beim Auftreten von Problemen. Ferner nutzt er die Warnfunktion zur Information über etwaige plötzliche Veränderungen im Netzwerkverhalten.

Anders als im obigen Beispiel nutzen beinahe 80 Prozent der Unternehmen nicht ausreichende oder ineffiziente Programme zur vorbeugenden Wartung. Es gibt einen Bedarf, dem sie nicht entsprechen – und die Nachfrage nach einer zuverlässigen Netzwerkinfrastruktur war noch nie so hoch wie heute. Um sich weiterentwickeln zu können, müssen Fertigungsunternehmen das aktuelle reaktive Handlungsverhalten (also nur dann reagieren, wenn eine Störung auftritt) zugunsten eines proaktiven Ansatzes ablegen. Dies ist der einzige Weg, wie sich in Fertigungsanlagen sowohl die Verfügbarkeit als auch die Leistungsfähigkeit dieser wichtigen Echtzeitnetzwerke signifikant verbessern lassen. Gleichzeitig spart dies auch wertvolle Zeit und Kosten, was einen besonders wichtigen Faktor beim Ausschöpfen der Vorteile von industrieller IoT darstellt.

Das A und O des IoTs sind verwertbare Einblicke und Einsichten, die es den Experten für industrielle Steuerung erlauben, fundiertere Entscheidungen zu treffen. Für das industrielle IoT ist es entscheidend, dass die Möglichkeit besteht, zu wissen, welche Geräte und Systeme wo miteinander vernetzt sind – und einzugrenzen, wodurch bestimmte Störungen hervorgerufen werden, die zu Ausfallzeiten führen. Mit Transparenz, Überwachung und aufschlussreichen Analysen in das und aus dem Netzwerk in Echtzeit, können die Personen, die für die Produktivität der Anlage verantwortlich sind, die Netzwerkverfügbarkeit gewährleisten und auf Risiken sofort reagieren, wenn diese auftreten, bevor sie überhaupt zu einem Problem werden.

Mit dem passenden Werkzeug (Beispiel: Intravue-Software) haben Automatisierungs- und Kontrolltechniker jederzeit Zugriff auf Echtzeitinformationen über die Leistung der Infrastruktur ihres Automatisierungssystems. Sie können Leistungskennzahlen (KPIs) und Analysemöglichkeiten nutzen, um die Leistungsfähigkeit zu überwachen und Probleme sofort beseitigen, wenn sie auftreten, etwa doppelte IP-Adressen, Gerätefehler, zeitweilige Verbindungsprobleme, Switch-Rückstellungen und umfangreiche Dateiübertragungen zwischen Geräten.

Die Fabrik der Zukunft benötigt mehr automatisierte Kommunikation über die Lieferkette hinweg. Dies kann nur ein modernisiertes, gut durchdachtes und verwaltetes industrielles Ethernet-Netzwerk bieten. Während jedes Fertigungsunternehmen vor seinen eigenen, einzigartigen Herausforderungen steht, führt der Einfluss von vernetzten Geräten, der durch das industrielle IoT zu erwarten ist, zu einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit von Störungen. Daher wird es noch wichtiger sein, solche Störungen rasch zu erkennen.

Die Implementierung eines umfassenden Instruments zur Verringerung des Potenzials für zeitweilig auftretende Kommunikationsstörungen macht eine Überwachung in Echtzeit und Remote-Support möglich. Ferner lassen sich in Fertigungsanlagen jeder Größe heute und in Zukunft wertvolle Zeit und Kosten sparen. Mit vollständiger Kenntnis und Transparenz in Echtzeit innerhalb der gesamten industriellen Ethernet-Gerätearchitektur von Geräteebenen und Konnektivität können Betriebstechniker vor Ort effizient mit den IT-Ressourcen kommunizieren. Diese sind ausreichend mit wichtigen Informationen ausgestattet, um einen Wechsel von reaktivem Handlungssverhalten auf einen proaktiven und umfassenden Ansatz zu erlauben. Dies und der Zugang zu Echtzeit-Einblicken und verwertbaren Informationen für fundiertere Entscheidungen sind die Schlüssel zur erfolgreichen Nutzung aller Vorteile des industriellen IoT.

 

Michael Vermeer ist Product Line Manager bei Panduit, www.panduit.com.