Digitalisierung der Produktion Den Datenschatz aus dem Maschinennetzwerk heben

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Um die Produktion zu überwachen und zu optimieren, sind granulare Daten notwendig. Die sind in der Werkshalle vorhanden – allerdings kommen Unternehmen nicht an sie heran. Um diese Daten zu erheben, sind das Vorantreiben der Digitalisierung und die Öffnung der Maschinennetzwerke die entscheidenden Schritte. Aber wo liegen dabei die Probleme und wie sind sie zu überwinden?

Immer mehr Unternehmen erkennen zwar die Notwendigkeit, Digitalisierungsprojekte anzustoßen, sie scheitern aber nicht selten an der Umsetzung – auch, weil Topfloor und Shopfloor nicht ausreichend miteinander vernetzt sind beziehungsweise die Kommunikation zwischen beiden Ebenen oftmals nicht stattfindet. Auf Shopfloor-Ebene wird die Digitalisierung vorangetrieben. Allerdings wird längst nicht das gesamte Potenzial ausgeschöpft, da die Shopfloor-Ebene wertvolle Datenquellen nicht nutzt. Die Sensoren und Aktoren in der Maschine werden lediglich zur Steuerung und Regelung genutzt, jedoch weder für ein Condition Monitoring, 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 zugänglich zu machen, sondern auch der Digitalisierungssoftware oberhalb der Maschinen im Scada-Netzwerk, gilt es, die Maschinennetzwerke zu öffnen. 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 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 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.

Predictive Maintenance

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Die Betreiber der Maschinen erkennen die Notwendigkeit der Netzwerköffnung oftmals eher als die Errichter, die durch die Öffnung die Sicherheit der Netzwerke und ihrer Maschinen gefährdet sehen. Dabei verpassen sie durch die Abschottung ihrer Maschinen und der Netzwerke eigene Vorteile: Um Anlagen 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 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 darüber erfolgt, 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.

Die Sicherheit der Maschinennetzwerke weiterhin gewährleisten

Bedingung für die Öffnung der Netzwerke ist, dass ihre Sicherheit gewährleistet ist. Es geht daher darum, die Netzwerke zugänglich zu machen und nicht nach außen hin zu öffnen. Die Netzwerke werden also intern durchlässig, Maschinen geben all ihre Daten an die die Topfloor-Ebene weiter. Durch bestimmte Mechanismen, wie beispielsweise Firewalls, bleiben die Maschinennetzwerke aber 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 Umgebungen aus, um die zusätzlichen Digitalisierungsanwendungen mit abzudecken. Auch einfache Anpassungen, wie die Erhöhung der Backbone-Kapazität, sind unter diesen Voraussetzungen möglich.

Wichtig ist es zudem, einen direkten Übergang zwischen dem OT-Maschinennetzwerk und dem überlagerten Scada- beziehungsweise IT-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- und ERP-Systeme direkt auf Daten aus der SPS zugreifen müssen. Den dafür anfallende SPS-Programmieraufwand nehmen die Unternehmen in Kauf. 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 rotierende Teile in der Anlage über die Schwingungsanalyse beziehungsweise finden über eine erhöhte Stromaufnahme von Motoren heraus, dass ein Motorlager schwer läuft. Für diesen Prozess gibt es entsprechende Instandhaltungsmanagementprogramme, sogenannte Computerized Maintenance Management Systeme (CMMS).

In der Vergangenheit wurde der Übergang zwischen IT und IIT/Scada durch Firewalls und 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, verbauen Unternehmen lieber zusätzliche Sensoren auf der Maschinenebene und schließen sie direkt an das IIT/Scada-Netzwerk an.

Dadurch entstehen aber erstens sehr teure und zweitens sehr wartungsintensive parallele Infrastrukturen. Zusätzlich ist die Dichte an Sensoren zu gering, um wirklich alle Maschinendaten erheben zu können – mehr als 20 Prozent der vorhandenen Daten sind in der Regel nicht brauchbar. 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.

Warum es sich lohnt, Maschinennetzwerke zu öffnen

Profitable Digitalisierungsprojekte beginnen im OT-Netzwerk

OT-Netzwerk nach Erfordernissen von Funktion und Digitalisierung planen

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

Wie der Betreiber die Netzwerköffnung über das Lastenheft einfordert, ist ein weiterer wichtiger Aspekt: Um dabei 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 zugeschnittenes Consulting, kann daher maßgeblich zum Gelingen des Projektes beitragen.

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

Blick in die Zukunft

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Die Maschinennetzwerke organisiert zugänglich machen

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

* Karl-Heinz Richter und René Heidl arbeiten in der Geschäftsführung der Indu-Sol GmbH.

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