Industrie 4.0 / IoT topsoft Fachmagazin 20-3 Industrie 4.0 / IoT Smart Factory ist keine Software Systemarchitektur einer Smart Factory (in Anlehnung1) Auch die Semantik (Bedeutung sprachlicher Zeichen und Zeichenfolge), sprich die Sprache, mit welcher Systeme beschrieben werden und IT- IT- IT- miteinander kommunizieren, spielt eine wich- Smart Factory – oder auf Deutsch die intelligente Fabrik – ist ein Begriff, der aus der Hightech-Strategie der System System System tige Rolle. Die Beschreibung muss einheitlich deutschen Bundesregierung stammt. Diese ist ein Teil des Zukunftsprojekts Industrie 4.0. und von der Gegenseite unmissverständlich interpretierbar sein. Hier helfen Standards wie Integrationsschicht ecl@ss um Produkte weltweit normengerecht >> Prof. Markus C. Krack | Fachhochschule Nordwestschweiz zu kategorisieren und mit einheitlichen Merk- malen zu beschreiben. Versorgungs- Versorgungs- Versorgungs- Versorgungs- Bei Industrie 4.0 Komponenten, die aus der modul modul modul modul Gegenstands- und der Verwaltungsschale bestehen, werden die kategorisierten Merk- male im Informationslayer gespeichert und Produktions- Produktions- Produktions- mittels Kommunikationslayer ausgetauscht. Leider haben solche Begrifflichkeiten aus der und Fertigungsinformationen seinen Weg spielen in der Smart Factory die sogenann- modul modul modul Marketingwelt aber die Eigenschaft, dass sie selbstständig durch die Produktion. Das Pro- ten Cyber Physischen Systeme CPS sowie die schnell für «Allerdinge» herhalten müssen. dukt übernimmt somit in der Smart Factory Industrie 4.0 Komponenten, die eine Sonder- Wo stehen wir heute?Material- Dieses erstreckt sich über den 3D-Druck bis hierarchielos die Steuerung des Produktions- form der CPS darstellen. Der Begriff Cyber Material-Produkt Produkt Produkt Die Antwort kann leider nicht eindeutig aus- hin zur diversen Software- und ERP-Lösungen, prozesses. Um dies zu ermöglichen, benötigt Physisches System leitet sich aus dem von fluss fluss fallen, je nach Technologie oder Fachgebiet welche als Schlüssel zur Smart Factory ange- das Produkt zwingend entsprechende digitale Prof. Norbert Wiener vom MIT geprägtem «am Anfang oder bereits Mittendrin». Eine priesen werden. Was aber steckt nun wirklich Komponenten, aus denen von den Logis- Begriff der Kybernetik ab, der für das Steuern wichtige Rolle spielt in der Smart Factory auch hinter der Begrifflichkeit «Smart Factory»? tik- und Produktionssystemen die benötigten und Regeln von Maschinen und Anlagen mit Konzeptionelle Komponenten: 1. Produkt; 2. Produktionsschicht; der Digitale Zwilling, der in der vorliegenden Informationen wie auch Entscheide bezogen Daten steht (Cybernetics or Control and Com- 3. Versorgungsschicht; 4. Integrationsschicht; 5. IT Systemschicht Abhandlung nicht direkt betrachtet wurde. Smart Factory SF steht per Definition für ein werden können. Nach jedem erfolgten Bear- munication in the Animal and the Machine, 1 Produktionssystem, welches sich selbststän- beitungsschritt wird es in seiner Historie auf- erschienen 1948). Das CPS stellt das Herz- Whitepaper SF: Smart Factory KL Systemarchitektur für Industrie 4.0 Sicher ist, es wird noch einige Zeit vergehen, dig organisiert und steuert. Die Smart Factory datiert, so dass der komplette Produktlebens- stück eines jeden Logistik- und Produktions- Produktionsanlagen, Technologie-Initiative Smart Factory KL e.V. bis sich das hier auszugsweise Geschilderte zu besteht, theoretisch betrachtet, aus eigenstän- zyklus nachverfolgbar ist. systems dar. Das System ist zur Erfassung und einem industriellen Standard entwickeln wird. digen Systemen, die sich autark verwalten und der Rückgabe von physischen Zuständen aus Wenn man rückblickend den in den 1990er mittels digitalen Netzen mit anderen Systemen Je nach Komplexität des Produktes, die sich seiner Umwelt mit Sensoren und Aktoren ver- herrschenden CIM-Hype (Computer Integ- kommunizieren. Bei den Systemen differen- durch die Produktstruktur ergibt, werden bunden. Ebenso enthält ein CPS multimodale Referenz Architektur Modell im Informationslayer definiert, welcher über ration Manufacturing) betrachtet, kann man ziert man zwischen den drei Elementen Pro- unterschiedlich viele Produktionsstufen benö- Schnittstellen zum Menschen so dass er auch Industrie 4.0 RAMI 4.0 als Grundlage den Funktionslayer orchestriert wird. Als sagen, dass die meisten Unternehmen erst in dukt, Produktionssystem und Logistiksystem. tigt. Das bedeutet je komplexer das Produkt, mit dem System interagieren kann. Die Ver- letzte Schicht wird im Businesslayer das den letzten Jahren dort angekommen sind, was desto komplexer wird die Smart Factory. bindung zu den anderen Systemen erfolgt über Die Grundvoraussetzung für eine Smart Fac- Geschäftsmodell hinterlegt. Denkbar wäre hier man damals angedacht hatte. Die klassische Das Produkt stellt das Zentrum der die digitalen Netze. Die Verarbeitung erfolgt tory ist der Aufbau der Versorgung- und Pro- die autonome Aufbietung der Servicetechniker Vernetzung der technischen Prozesskette in Produktion dar Klassische Softwarelösungen und im Bereich der «Embedded Systems», die das duktionsmodule. Diese müssen klare Stan- aufgrund von Laufzeiten oder Sammeln von Verbindung mit der dispositiven Prozesskette Gehirn des CPS darstellen, auf Grundlage von dards erfüllen, um später im Verbund mit den Daten für Analysezwecke. wie es das Scheer’sche Y beschreibt ist mit den Wie bei der klassischen Produktion steht Systeme funktionieren in der SF nicht Informationen und Algorithmen. Produkten und untereinander zu interagie- heutigen Technologien weitgehend problem- auch bei der Smart Factory das Produkt im Auf Grund dieser Ausgangslage dürfte es ren. Das Referenz Architektur Modell Indus- Dank dieser Systematik kann sichergestellt los möglich. Es steht somit noch eine span- Zentrum. Zwar gibt das Produkt hier nicht jedem bewusst sein, dass klassische ERP- und/ Architekturen von Smart Factorys trie 4.0, kurz RAMI 4.0 stellt hierfür den im werden, dass im Bereich der Smart Factory nende Zeit vor uns, bis der nächste Schritt, unbedingt das Fertigungsprinzip und die Fer- oder MES-Lösungen in der Smart Factory Moment besten Standard dar, wie die Kompo- alle Komponenten einen einheitlichen Aufbau «die Intelligente Fabrik» zum Standard in tigungsform vor, es sucht sich vielmehr gemäss nicht mehr funktionieren und es neue dezen- Wenn auch die vorhin genannte Funktions- nenten aufgebaut werden müssen. Es beruht bzw. eine entsprechende Architektur haben den produzierenden Unternehmen geworden der in ihm abgespeicherten Produktmerkmale trale Ansätze braucht. Eine zentrale Rolle weise der Smart Factory noch zum Teil sehr auf einer Serviceorientierten Architektur. Das und zu einem Ganzen zusammengefügt wer- ist. << futuristisch erscheint, gibt es zwischenzeitlich RAMI 4.0 Modell besitzt 3 Dimensionen, die den können. bereits praktikable Ansätze, wie eine Architek- den Lebenszyklus, die Hierarchie der Kom- tur einer Smart Factory aussieht. Ein sehr inte- ponenten und deren Vernetzung wie auch die Einheitliche Sprache – einheitliche Aufbau eines Cyber Physischen Systems ressanter Ansatz wird im White Paper «Smart- Architektur der Produktions- und Logistik- Der Autor FactoryKL Systemarchitektur für Industrie komponente (allgemein Industrie 4.0) darstel- Schnittstellen – ein Muss in der SF 4.0-Produktionsanlagen» der Technologie- len. Letztere beschreibt in sechs Schichten, wie Dass verschiedene Systeme zusammengefügt Prof. Markus C. Krack Daten Dienste Mensch Initiative SmartFactoryKL e.V. Kaiserslautern sich eine Komponente aufbaut. und miteinander kommunizieren können, ist am Institut für Busi- (Deutschland) aufgezeigt. braucht es einheitliche Schnittstellen und eine ness Engineering der Die erste Schicht stellt die reale Welt, den phy- einheitliche Sprache. Dies stellt eine weitere Fachhochschule multimodale Die Architektur besteht aus fünf konzeptio- sischen Gegenstand (Asset) dar, der über den Herausforderung auf dem Weg zur Smart Fac- Nordwestschweiz in Brugg- digitale Netze Mensch- Maschine- nellen Komponenten, von welchen Produkt, Integration Layer (2. Schicht) mit der digi- tory dar. Zwar gibt es bereits Schnittstellen Windisch für das For- Schnittstellen schungsgebiet Smart Factory verantwortlich. • verbinden die Systeme Produktions- und Logistiksystem bereits vor- talen/virtuellen Welt verbunden wird. Dies wie z. B. MQTT (Message Queuing Telemetry Neben seiner Forschungstätigkeit leitet er gängig genannt wurden. könnte zum Beispiel mit einem klassischen Transport) mit Sparkplug oder die Open Platt- im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen Analog-Digital-Wandler geschehen. form Communication Unified Architectur die Vertiefungsrichtung «Supply Chain und eingebettete Systeme: Sensoren Ergänzt wird die Architektur mit einer Integ- OPC/UA, über welche verschiedenen Steue- Production Management» und ist Studien- • Produktionsprozesse erfassen von physikalische Daten rationsschicht, über welche die Produktions- Nachdem wir nun die digitale Anbindung des rungen miteinander kommunizieren können. gangleiter der Weiterbildung «CAS Digital • Logistikprozesse und Versorgungsmodule mit verschiedenen Gegenstands sichergestellt haben, muss in der Trotz allem stellt dieser Punkt aber eine der Industry» • Engineeringprozesse IT-Systemen gekoppelt werden. Auf diese 3. Schicht die Kommunikationsfähigkeit fest- grössten Herausforderungen dar. • Koordinationsprozesse Aktoren Weise wird die Smart Factory transparent. gelegt werden. Hier bestehen vielschichtige • Managementprozesse wirken auf physikalische Vorgänge Der Status der einzelnen Module und des Möglichkeiten, vorausschauend mit 5G-Stan- Der «Knackpunkt» liegt meist darin, wie eine • Internetdienste Produkts können sichtbar gemacht und an dard oder auch mittels klassischer Wireless bestehende Maschine/Anlage/Logistiksystem die Cloud angebunden werden. oder NFC-Kommunikation. Alle relevanten entsprechend «angezapft» und eingebunden Cyber Physical Systems CPS Informationen über die Komponente werden werden kann. 4 5 Produkt Produktion Logistik Integration IT