Intelligent Factory – Industrie 4.0 durch Industrial IoT

Im privaten Umfeld ist das Internet der Dinge (engl. Internet of Things – IoT) allgegenwertig. Die Heizung, Rollläden und Beleuchtung sind „online“ und können von überall mit dem Smartphone gesteuert und automatisiert werden. Wenn Maschinen und Sensoren in einer Produktionsstätte untereinander und mit dem Internet kommunizieren, spricht man vom Industrial Internet of Things (IIoT). Diese Form der Vernetzung ermöglicht das Sammeln und Auswerten von Daten in einem völlig neuen Ausmaß, weswegen dieser Trend als die vierte industrielle Revolution, daher Industrie 4.0, bezeichnet wird.

Durch IIoT Anwendungen können Aktivitäten und Bedingungen überwacht und Funktionen aus der Ferne gesteuert werden. Dies ermöglicht eine höheres Maß an Überwachung und Automatisierung von Produktionsprozessen, das fein-granulare und differenziertere Steuern von Maschinen und Anlagen sowie die detaillierte Erfassung von Daten für das Qualitätsmanagement. All dies mit der Zielsetzung eine höhere Qualität, kürzere Durchlaufzeiten oder höhere Stückzahlen zu erreichen. Weiter lassen sich durch die gesammelten Daten digitale Services erstellen und neue Geschäftsmodelle können abgeleitet werden.

Basierend auf der Intelligent Factory Referenzarchitektur unterstützen wir Sie als Anlagenbauer, Maschinenbauer oder Fabrikbetreiber in Ihrer jeweiligen Rolle, eine für Ihren Bedarf passende Lösung zu implementieren – einem schnellen Einstieg in neue, innovative Geschäftsfelder steht nichts mehr im Weg.

Auf Basis von Industriestandards helfen wir Ihnen Ihre spezifische Lösung zu erstellen und Ihre Kompetenz in der Softwareentwicklung zu erweitern. Denn wettbewerbsdifferenzierende Vorteile lassen sich nicht mit Produkten von der Stange erreichen. Für jeden Maschinen- oder Anlagenbauer ist es deshalb unternehmenskritisch, seine Digitalkompetenz zu erweitern. Die AIT ist hierbei ein erfahrener und zuverlässiger Partner, der seine Kunden als Bergführer der Digitalisierung sicher ans Ziel führt, so dass Sie sich auf Ihre branchenspezifischen Business-Aspekte konzentrieren können.

Intelligent Factory Referenz­architektur

Eine zentrale Rolle in einer durchgängigen IIoT-Lösung spielt, neben der Wahl der richtigen Cloud-Lösung, die Edge Komponente. Sie ist die Schnittstelle zwischen den lokalen Elementen wie Maschinen und Sensoren und Ihrer Cloud-Plattform. So muss der Edge-Baustein eine flexible Datenkommunikation und Datenverarbeitung auf Fabrikebene ermöglichen und die sichere Kommunikation mit der Cloud sicherstellen. Dieser Baustein besteht aus der Hardware (Edge Device) und der Software (IIoT Edge Software), wobei die Hardware ein separates Gateway sein kann, als auch ein existierender Industrie PC in einer Anlage o.ä.

In der Regel senden nicht jeder Sensor und jede Maschine die Daten direkt an die Cloud Plattform. Neben dem zum Teil unnötig hohen Datenverkehr ist es vor allem aufgrund von Cyber Security Aspekten sinnvoll, eine Abstraktion über eine dedizierte Edge Komponente zu schaffen. So können in der Edge Komponente zum Beispiel die Daten mehrerer Datenquellen zu einem gebündelten Datenstrom zusammengeführt und vorverarbeitet werden.

Nicht jedes lokale Element kommuniziert über standardisierte Industrieprotokolle. Das bedeutet, dass die IIoT Edge Software im Bedarfsfall auch für die Verarbeitung von proprietären Protokollen erweiterbar sein muss, ebenso wie für domänenspezifische Analysesoftware o.ä. Häufig ist es auch der Fall, dass man sich als Maschinenhersteller nicht an eine einzige Cloud-Plattform binden kann, da die Auswahl der Plattform in der Hand des Maschinenbetreibers liegt. Daher sollte die Edge Komponente anhand von definierten Regeln entscheiden, welche Daten an welche Zielplattform gesendet werden und diese entsprechend aufbereiten.

Neben der Akquisition von Daten ist es zwingend notwendig eine bidirektionale Kommunikation zwischen der Cloud Plattform und der Edge Komponente zu ermöglichen, denn sonst bleibt Ihre IIoT Anwendung „nur“ ein cloudbasiertes Reporting. Dadurch können dann Parameter an der Maschine gesetzt, Befehle ausgelöst oder auch neue Software-Komponenten installiert werden. Erst diese Kontrolle über Ihre Edge Komponente aus der Cloud macht aus Ihrem IIoT Prototyp ein marktreifes Produkt.

Viele dieser Anforderungen ein eine IIoT Lösung und die Edge Komponente sind nicht-differenzierende Merkmale. Erst die Anwendung, die Sie auf Basis dieses funktionalen Fundaments aufbauen differenzieren Sie von Ihrem Wettbewerber. Konzentrieren Sie sich daher auf Ihre Domäne. Für das Management von Edge Komponenten und deren Basissoftware existieren fertige Lösungen. Mit AIT Smart Edge stellen wir einen Baukasten zur Verfügung welcher als Solution Accelerator ohne Vendor-Lock-In hilft, schnell zu neuen IIoT Lösungen zu gelangen.

Die verschiedenen Rollen bei Industrie 4.0 / IoT

Was ist Ihre Rolle?

Der Maschinenhersteller ermöglicht es dem Maschinenbetreiber Daten von der Maschine zu beziehen. Diese umfassen typischerweise Konfigurationsparameter, Betriebs- und Diagnosedaten. Die Möglichkeit diese Daten zu bekommen ist in aller Regel im Kauf der Maschine beinhaltet und die Integration dieser Daten in übergelagerte Systeme wird meist als kundenspezifisches Projekt realisiert. Die Bereitstellung der Daten kann aber auch standardisiert mit einer Edge Komponente abgebildet werden, welches industriespezifische Datenmodelle (z.B. OPC UA Companion Specifications) und Standardprotokolle (HTTPS, MQTT, AMQP, …) beherrscht.

Der Maschinenhersteller ermöglicht dem Maschinenbetreiber mittels einer standardisierten Schnittstelle den Zugriff auf Daten und Funktionen seiner Maschine, sowie die Remote-Steuerung verschiedener Funktionen. Gewisse Fähigkeiten der Maschine werden durch Software abgebildet, die einfach neu konfiguriert und angepasst werden können. Der Maschinenhersteller oder ein dritter Softwareanbieter kann zusätzliche Softwarelösungen, die über den reinen Betrieb der Maschine hinausgehen (z.B. Datenanalyse, …), anbieten. Industriespezifische Datenmodelle (z.B. OPC UA Companion Specifications) werden abgebildet und Standardkommunikationsprotokolle werden unterstützt. Durch fertige Edge Module wie den OPC-UA Connector oder unseren Multi-Cloud-Router hilft Ihnen der  AIT Smart Edge Baukasten beim IoT Enablement Ihre Maschinen und Geräte.

Es wird ein digitaler Service angeboten, der es dem Betreiber der Maschine ermöglicht diese flexibler und effizienter einzusetzen. Als Services kommen z.B. Wartungsmodelle für die Maschine (Predictive Maintenance) oder Abo Modelle, bei denen der Betreiber die Maschine oder gewisse Funktionen nach tatsächlicher Nutzung bezahlt, zum Einsatz. Als Basis für solche Services benötigt man eine IIoT-fähige Maschine sowie eine IIoT Plattform, welche entweder vom Maschinenhersteller selbst oder vom Betreiber der Maschine bereitgestellt wird. Alternativ kann auch eine externe IIoT Plattform genutzt werden. Neben unterschiedlichen Edge Modulen umfasst der AIT Smart Edge Baukasten eine Cloud-Umgebung welche das Verwalten von Edge Komponenten ermöglicht. Auf dieser Basis können nun beliebige digitale Dienste in die Plattform integriert werden, da Ihnen der gesamte Quellcode zur Verfügung gestellt wird.

Der Anbieter einer IIoT Plattform ermöglicht es Maschinenbetreibern digitale Services von Maschinenherstellern oder anderen Lösungsanbietern zu benutzen. Die Plattform kümmert sich um die Anbindung der Maschinen, die „IIoT-enabled / IIoT-ready“ sein müssen. Im Detail geht es um das sichere Speichern sowie den sicheren Zugriff auf Daten und Abrechnungsmodelle für die digitalen Services. Die Plattform unterstützt industriespezifische Standards, wie z.B. OPC UA und ist typischerweise weltweit verteilt. Mit dem Microsoft Azure IoT Hub und weiteren Azure Services können Sie eine entsprechende Plattform aufbauen (siehe Fallstudie tapio eine IoT Plattform für die Holzbranche). Hierfür steht mit der AIT Smart Edge die perfekte Basis bereit um eine komplette End-to-End Plattform von der Edge in die Cloud in kürzester Zeit entstehen zu lassen.

Verschiedene IoT Perspektiven

Fabrikbetreiber

  • Bindet mit dem intelligent Edge Gateway Maschinen verschiedener Hersteller an seine Infrastruktur (MES oder ERP System, IIoT Plattform) an
  • Gewinnt Flexibilität bei der Auswahl der Maschinen indem Daten über standardisierte Schnittstellen ausgetauscht werden
  • Kann digitale Services maschinenübergreifend nutzen
  • IIoT ermöglicht die kontinuierliche Maschinenüberwachung in der Fertigung, die Optimierung von Produktionsprozessen oder den Einsatz von Predictive Maintenance, um Ausfallzeiten zu verkürzen

Maschinenhersteller / OEM

  • Ermöglicht seinen Kunden mit dem intelligent Edge Gateway seine Maschinen in horizontalen Produktionsprozessen zu vernetzen und Daten an die vom Kunden bevorzugte Plattform bzw. an das interne MES oder ERP System zu liefern
  • Macht seine Produkte mit Softwarekomponenten smarter
  • Kann digitale Services (wie z.B. Pay-Per-Use, Predictive Maintenance, Energie­­management etc.) anbieten
  • Bietet IoT Retrofit Lösungen für ältere Maschinengeneration an

Anlagenbauer

  • Bindet mit dem intelligent Edge Gateway Maschinen verschiedener Hersteller an eine gemeinsame Plattform an
  • Kann die Daten an die vom Kunden bevorzugte IoT Plattform bzw. an das interne MES oder ERP System liefern
  • Kann über Microsoft IoT Central eine eigene Plattform bzw. Services für Monitoring und Datenauswertung anbieten

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IIoT-Prozess
Der IoT-PoC Workshop ist als erstes Element im IoT-Innovationsprozess zu sehen. Der IoT-Innovationsprozess ist eine systematische Vorgehensweise zur Entwicklung von IoT-Lösungen und sieht mehr “Hands on” als Powerpoint vor:

Der IIoT-Prozess ist als inkrementelles und iteratives Vorgehensmodell zu verstehen. Jeder einzelne Schritt, als auch der gesamte Prozess können beliebig häufig wiederholt werden. Damit kann die IoT-Lösung Schritt für Schritt ausgebaut werden. Somit erlaubt dieses Vorgehen eine stetige Evaluation der Ergebnisse, geringe Investionshürden und ein schnelles Time-to-Market.

IoT PoC Workshop

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Flyer IoT PoC 1

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