Schlüssel der digitalen Transformation

Auf dem Weg zur digitalisierten Fabrik stellt sich längst nicht mehr die Frage nach dem Sinn, sondern vielmehr nachdem„Wie?“. Dass eine digitale und vernetzte Produktion insbesondere für die Produktionsoptimierung und Effizienzsteigerung Vorteile birgt, steht außer Frage. Wie gelingt jedoch die digitale Transformation und welche Technologien spielen darin eine Schlüsselrolle?

Wago skizziert seine Idee und liefert die Ansatzpunkte für diese Idee gleich mit. Anhand einer virtuellen Produktion demonstriert der Automatisierungsspezialist, welche wesentlichen Attribute eine smarte Fabrik beinhaltet, welche Möglichkeiten sich daraus für den Betreiber wie für Kunden ergeben und wie diese Eigenschaften technologisch umgesetzt werden. Die fünf Attribute sind die Feldsignalintegration, horizontale Vernetzung, vertikale Vernetzung, IT Security und Modularisierung.

Fünf Attribute bestimmen die Integration

Dreh und Angelpunkt der digitalen Transformation ist zunächst die Adaption des Fertigungsprozesses durch die Sensorik. Sensoren sind ohnehin für die Automation im Produktionsmodul enthalten, jedoch müssen für eine vollständige digitale Transformation des physikalischen Produktionsablaufes auch Komponenten erfasst werden, die bisher rein passiv waren oder auch das Produkt selbst. Zudem müssen Verschleißobjekte wie Lager an Ventilen und Pumpen für eine vollständige Digitalisierung erfasst werden. Bis zum kleinsten Bestandteil im Fertigungsprozess benötigen damit alle an der Produktion beteiligten Komponenten ihre digitale Adaption. Daher gehört die Sensorik – und vor allem deren Integration – zu den eigentlichen Befähigern einer digitalisierten Fabrik.

Danach kommt die Horizontale Vernetzung, denn ein Produktionsablauf ist in mehrere Fertigungsschritte aufgeteilt.

Um auch hier einen optimalen Produktionsprozess zu schaffen, sind alle beteiligten Produktionsinseln miteinander zu vernetzen. Dies ermöglicht auch die Modul-zu-Modul-Kommunikation, sodass sich Fertigungsinseln untereinander und mit dem Produkt abstimmen, ohne den überlagerten Produktionsleitrechner zu benötigen. Diese horizontale Vernetzung gilt jedoch nicht nur für den internen Produktionsablauf, sondern auch für die externe Logistik des Fertigungsprozesses. Die Zuführung von Rohstoffen und auch der Abfluss des Logistikers sind bei Bedarf einzubinden.

Bei der vertikalen Vernetzung der digitalisierten Fertigung ist die Cloud-Anbindung in aller Munde, die jedoch in der Realität längst nicht immer akzeptiert ist. Die Cloud-Vernetzung auf im Internet öffentlich verfügbare Server – bezeichnet als Public Cloud – erzeugt große Bedenken, da dies unter Umständen den Zugang auf den Produktionsprozess weltweit öffnet. Bei der vertikalen Vernetzung der digitalisierten Fabrik sollte daher bewusst zwischen der offenen Cloud-Anwendung und der vertikalen Vernetzung auf externe, aber nach wie vor zum Unternehmen gehörende Fertigungsrechner unterschieden werden. Durch zum Beispiel eigene mit VPN, https sowie weiteren individuellen Verschlüsselungsmethodiken und Verkryptungen in der Kommunikation der privaten Client Server Topologien geschützten Zugängen auf eigene Server, wird die Internetstruktur nur noch als Vernetzung genutzt. Diese als Private Cloud bezeichnete Architektur unterscheidet sich im Wesentlichen zur Public Cloud in seiner Serverlandschaft und der Serveranbindung an offene gemietete Serverlandschaften. In beiden Fällen dreht es sich um die vertikale Anbindung aus dem Produktionsmodul heraus, über eigene Firmengrenzen hinweg. Im B2C-Geschäft kann der Zugang auf die Server auch dem Endkonsumenten ermöglicht werden, um dadurch zum Beispiel eine Bestellung direkt am Fertigungsmodul zu platzieren. WAGO bietet in seinen Controllern integrierte Fernzugriffe an, die sich somit zum IoT-Gateway (Internet-of-Things-Gateway) wandeln. Neben der eigentlichen Steuerung können dadurch parallele Kommunikationsprotokolle integriert werden, über die der Zugriff erfolgt. Im physikalischen Zugriff kann dies über ETHERNET oder Mobilfunknetz erfolgen, im logischen Zugriff über MQTT. Ob der Controller die Daten zu bekannten Cloud-Anbietern wie Microsoft Azure, Amazon Web Services oder IBM Bluemix schickt, bleibt dem Anwender überlassen.

„Produktionsdaten sind ein wertvolles Gut, welches besonders zu schützen gilt.“

Gewichtige Rolle kommt der IT-Security zu

Wo Produktionsdaten erfasst und übertragen werden, spielt das vierte Attribut,

die IT-Security eine wesentliche Rolle. Produktionsdaten sind ein wertvolles Gut, dass es besonders zu schützen gilt. Mit seinem beschriebenen Multikommunikationszugriff fällt den WAGO PFCControllern und -Kopplern damit eine große Verantwortung zu. Die Steuerungen verfügen mit ihrem LINUX Betriebssystem über Verschlüsselungsstandards nach TLS1.2 (SSH, FTPS, HTPS) und bietet Onboard-VPN-Funktionalität, basierend auf dem sogenannten Strongswan Package, einer sicheren Kommunikationslösung für LINUX Betriebssysteme. Bei der Kommunikation mit einem Controller wird eine verschlüsselte LAN/WLANVerbindung aufgebaut, deren Inhalt nur die beiden Endpunkte verstehen können. Verbindungen werden nur nach erfolgter Authentifizierung aufgebaut. Der Aufbau einer VPN-Verbindung erfolgt nach den Standards openVPN und IPsec. Während IPsec auf Betriebssystemebene im Layer 3 verschlüsselt (Layer 1 = physikalische Kommunikation, Layer 2 = Telegrammaufbau), sorgt OpenVPN auf der Anwendungsebene (Layer 7) für Datenintegrität. So entstehen abhör- und manipulationssichere Kommunikationsverbindungen zwischen den Controllern und den Netz-Zugangspunkten. Natürlich gibt es je nach Einsatz und Risikoanalyse unterschiedlich hohe Anforderungen an das Niveau der Sicherheitslösung. Grundsätzlich sollte der Anwender jedoch auch in weniger kritischen Anwendungen Vorkehrungen treffen: Unsichere Protokolle wie Telnet, http, ftp oder SNMP sind bei kritischen Applikationen zu vermeiden und verschlüsselte Protokolle zu bevorzugen. Nicht benötigte Ports (Protokolle) müssen deaktiviert werden. Default-Passwörter sollten selbstverständlich immer geändert und Benutzerrollen zugewiesen werden.

Durch immer kürzere Produktlebenszyklen gepaart mit dadurch kleineren Stückzahlen bis zur individuellen Fertigung der Losgröße 1, ist die Produktion gefordert sehr flexibel und wandlungsfähig auf diese Anforderung zu reagieren – ohne dabei die Fertigungskosten zu steigern. Die benötigte Wandlungsfähigkeit ist nur mit dem fünften Attribut, nämlich der Modularisierung des Produktionsprozesses zu schaffen. Dies gilt nicht nur für die Produktionsmodule, sondern auch für die Automation des gesamten Fertigungsprozesses. Dazu hat WAGO in 2015 die DIMA-MTP Methodik vorgestellt, die inzwischen auf dem Weg zur internationalen Standardisierung ist. Inhalt ist die Standardisierung der Schnittstelle zwischen den Fertigungsmodulen und dem übergeordneten Produktionsleitrechner. Durch diese Standardisierung können ohne Anpassung am Produktionsleitrechner Fertigungsmodule getauscht werden. Vergleichbar mit einem Tauschen von Druckern am PC, die durch den standardisierten Druckertreiber sofort wieder zur Nutzung aktiv sind, hat das DIMA-MTP Konzept ebenfalls einen Softwaretreiber für das Produktionsmodul: Das „MTP - Module Type Package“. Wie der Druckertreiber zum Drucker beinhaltet das MTP die digitale Beschreibung zum Fertigungsmodul und ist somit die virtuelle Beschreibung dessen, was physisch zur Verfügung steht. Eingebettet in die Methodik DIMA ist das MTP damit ein wichtiger Baustein, um die Industrie-4.0-Anforderungen nach modularen Anlagen zu lösen, die nicht nur modular gebaut, sondern ebenso modular automatisiert sind und damit einen wesentlichen Grundstein für die autarke, selbstverwaltende Fabrik legen. Nur so können Anlagenmodule flexibel und herstellerunabhängig miteinander kombiniert werden und sind damit die Basis für mehr Flexibilität und eine hohe Wandlungsfähigkeit.

Nutzbare Grundlage

Die Digitalisierung in der Produktion ist eine notwendige Entwicklung zur Stabilisierung und auch Steigerung der Wertschöpfung – bei zunehmendem internationalem Wettbewerbsdruck mit steigendem individuellem Produktbedarf. Wago beantwortet diese Anforderungen mit seinen Lösungen zur Sensorintegration, horizontalen und vertikalen Vernetzung, der IT Sicherheit und Modularisierung. Somit bietet das Unternehmen mit Stammsitz in Minden mit seinem Automationsportfolio eine nutzbare Grundlage die beschriebenen Anforderungen zu lösen.