Clevere Netzwerkplanung Woran Digitalisierungsprojekte auf Shopfloor-Ebene scheitern

Ein Gastbeitrag von Dipl.-Ing. (FH) Nora Crocoll und Dipl.-Wirt. Ing. (FH) Alex Homburg* |

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Digitalisierung ist seit Jahren in aller Munde. Auf Shopfloor-Ebene bringt sie gerade beim Condition Monitoring und der Optimierung von Prozessen Vorteile. Warum aber geschieht in der praktischen Umsetzung so wenig? Schlechte Netzwerknutzung ist ein Grund dafür.

Keine Innenstadt würde auf die Idee kommen, für die LKWs des örtlichen Paketzustellers nachträglich eigene Straßen parallel zum bestehenden Straßennetz zu bauen. In der Digitalisierung handhaben es aber viele Unternehmen so.
Keine Innenstadt würde auf die Idee kommen, für die LKWs des örtlichen Paketzustellers nachträglich eigene Straßen parallel zum bestehenden Straßennetz zu bauen. In der Digitalisierung handhaben es aber viele Unternehmen so.
(Bild: Indu-Sol)

Die Schlagzeilen in der Fachpresse zu Digitalisierung schwanken zwischen: „Einfach digitalisieren“ und „Digitalisierung ist komplex“. Die einen sagen, in der SPS seien ohnehin alle relevanten Daten verfügbar, die anderen meinen, es brauche eine eigene Industrial-Information-Technology-Netzwerkverbindung bis hin zum letzten Sensor der Anlage, um alle vorhandenen Informationen in maximaler Genauigkeit auslesen zu können. Die Schmöllner Netzwerkexperten von Indu-Sol gehen einen anderen Weg, bei dem mit Hilfe vorhandener Kommunikationsstrukturen alle Daten zugänglich gemacht werden können. Sie sagen, des Pudels Kern liegt im Netzwerk. Werden vorhandene Feldbusnetzwerke auf OT-Ebene richtig mitgenutzt, können alle Daten aus einer Anlage gesammelt und zur Verfügung gestellt werden, ohne auf Shopfloor-Ebene zusätzlich teure IIT-Netzwerke zu installieren.

Kosten im Detail betrachtet

Die Kosten für ein Digitalisierungsprojekt beginnen mit der Anschaffung geeigneter Sensoren und der passenden Software zum Auswerten der Daten. Die Kosten für einen Universal-Sensor, der Größen wie Schwingung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Helligkeit und Schall in einem messen kann, liegen bei circa 400 Euro. Zehn solcher Sensoren kosten damit 4.000 Euro, ihre Installation schlägt zusätzlich mit schätzungsweise 2.000 Euro zu Buche. Hinz kommt dann die nötige Software, die jedoch nicht auf einem PC im direkten Umfeld der Sensoren installiert ist, sondern auf Rechnern in der IIT-Ebene. Bei einer Anlage dieser Größe lassen sich für die Anschaffung der Software etwa 5.000 Euro und weitere 5.000 Euro für das Anpassen veranschlagen. Insgesamt kommen so circa 16.000 Euro für die Digitalisierung der Beispiel-Maschine zusammen, wenn man nur die Sensoren und die Software betrachtet. Kommt jedoch eine zusätzlich zu verlegenden Netzwerkinfrastruktur hinzu, erhöhen sich die Kosten schnell um den Faktor drei,

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René Heidl, Geschäftsführer Technik & Entwicklung bei Indu-Sol, berichtet aus langjähriger Praxiserfahrung, wenn er erläutert, warum immer wieder unnötige Zusatzleitungen verlegt werden und wie sich das vermeiden lässt: „In der SPS liegen vielleicht nur 20 Prozent der Prozessinformationen vor, weil viele der Daten, die z. B. ein Sensor ermittelt, für die Prozesssteuerung nicht relevant sind oder nur grob gerundet von der SPS verarbeitet werden. Will man Prozesse aus ökologischen oder ökonomischen Interessen effizienter gestalten, braucht man aber mehr Daten, als in der SPS vorhanden sind, oder Daten von Umweltsensoren, die für die SPS überhaupt nicht von Bedeutung sind. Um die relevanten Daten aus den Sensoren und Aktoren auszulesen, müsste man im Grunde nur das OT-Netzwerk mit dem IIT-Netzwerk verbinden. Dann könnte man den Scada-Systemen alle relevanten Infos zugänglich machen.“

Doch mit der Verbindung von OT- und IIT/IT-Netzwerken haben die Anlagenbetreiber in der Vergangenheit teilweise schlechte Erfahrungen gemacht. Über die Vernetzung kamen sporadische Störungen in die Anlagen-Kommunikation, deren Ursache schwer ausfindig zu machen war. Daher wurde in den letzten Jahren der Weg der Trennung gewählt und parallel zum OT-Netzwerk Leitungen aus dem IIT-Netzwerk in die Anlage verlegt, um beispielsweise für das Energiemanagment Sensordaten direkt auszulesen und im Scada-System (Supervisory Control and Data Acquisition) anzuzeigen. Die Installation dieses zusätzlichen Netzwerks und seine Wartung verursachen aber immense Kosten. Kostentreiber bei Digitalisierungsprojekten ist also nicht die Sensorik oder die Software, sondern überraschenderweise das Netzwerk.

Geht es nicht ohne ein paralleles IIT-Netzwerk?

Die entscheidende Frage an dieser Stelle lautet daher: Wird auf Shopfloor-Ebene parallel zum OT-Netzwerk wirklich ein zweites Netzwerk benötigt? Heidl und seine Kollegen meinen nein. Dennoch stellt sich die Frage, warum vielerorts zur Digitalisierung von Anlagen genau diese kostspielige Lösung gewählt wird. Heidl erklärt: „Das Problem liegt in den verschiedenen Netzwerken und unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen, die hier aufeinandertreffen. Ein TCP/IP-basiertes IIT-Netzwerk trifft auf Profinet in der OT-Ebene. TCP/IP arbeitet beispielsweise mit Broadcasts, mit denen wiederum die Profinet-Geräte nicht gut zurechtkommen. Das ständige Broadcasten aus der IIT-Ebene stört also die Kommunikation auf der OT-Ebene. Das Problem lässt sich jedoch technisch sehr einfach durch Zwischenschaltung einer Firewall beheben.“

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Vorhandene Infrastruktur nutzen und günstig digitalisieren

Die Netzwerkexperten sind Anfang 2000 mit Tools zur Netzwerkdiagnose angetreten – damals noch für Profibus. Ihre Tools haben sie über die Jahre an die veränderte Kommunikationstechnologie am Markt angepasst. Mittlerweile bieten sie Lösungen für die verschiedensten Netzwerke. Ihr Arbeitsumfeld fokussiert sich aber längst nicht mehr auf Komponenten, vielmehr erschließt sich ein immer größerer Bereich mit Beratung und Netzwerkplanung sowohl bei Brownfield- als auch bei Greenfield-Anlagen. Die Schmöllner wissen aus Erfahrung, warum die Anbindung der OT- an die IIT-Ebene oft nicht funktioniert: Da sind zum einen unterschiedliche Umgebungsbedingungen, dann komplett verschiedene und vielfältige Netzwerkstrukturen. Außerdem bringt jeder Maschinen- oder Anlagenlieferant andere Switche, Leitungen und Stecker mit. SPS-Applikationen tauschen in Echtzeit Daten im Netzwerk aus. Da kann es leicht zu Konflikten mit der IIT-Kommunikation kommen. Zudem werden OT-Netzwerke meist durch die Elektroplanung oder -instandhaltung mitbetreut, die sich oft mit dem sehr speziellen Thema Netzwerktechnik zu wenig auskennen. All dies sind jedoch lösbare Probleme, die der weiteren Digitalisierung nicht im Wege stehen sollten.

Netzwerk von der Applikation trennen

Die Lösung des Dilemmas sieht Heidl in der Trennung des Netzwerks vom Rest der Applikation. Er nennt einen Vergleich: „Früher hatte jeder Werkzeugmaschinenbauer auch seinen eigenen Schaltschrankbau. Die Schaltschränke der einzelnen Unternehmen waren austauschbar. Darin steckte nicht das wesentliche Know-how. Als die Maschinenbauer bereit waren, diesen Teil der Aufgabe auszulagern, konnten sie sich wieder auf ihre Kernkompetenz konzentrieren. Gleichzeitig konnte der Schaltschrankbauer kostengünstiger liefern und so sparten Anwender im Gesamtprojekt sogar Geld.“

Die Automatisierungstechnik in Deutschland braucht Digitalisierung dringender denn je. Aus Sicht der Wirtschaftlichkeit und dem schonenden Umgang mit Ressourcen gilt es jede Menge Potenzial in heutigen Automatisierungsanlagen zu heben. Bezahlbar einrichten oder nachrüsten und dann auch betreiben lässt sich Digitalisierung aber nur, wenn das bereits vorhandene OT-Netzwerk mit genutzt wird. Keine Innenstadt würde auf die Idee kommen, für die LKWs des örtlichen Paketzustellers nachträglich eigene Straßen parallel zum bestehenden Straßennetz zu bauen. Insbesondere dann nicht, wenn die vorhandenen Straßen nicht überlastet sind. Das trifft die Situation des OT-Netzwerkes sehr gut. „Moderne Anlagen empfehlen wir mit Blick auf die Zukunft mit einem Gigabit-Backbone auszulegen. Aber auch bei Brownfield-Anlagen mit 100 Mbit stört es den zuverlässigen Betrieb der Anlage normalerweise nicht, wenn per SNMP Informationen beispielsweise aus den Sensoren und Aktoren ans Scada-System übertragen werden“, sagt René Heidl. „Man muss allerdings wissen, was man tut.“ Ergo: Die richtige Nutzung einer vorhandenen Kommunikationsinfrastruktur, ermöglicht es, Digitalisierungskonzepte kostengünstiger zu realisieren, als viele denken. Das Auslagern der Netzwerkplanung an externe Experten kann der entscheidende Schritt in Richtung erfolgreiche Digitalisierung sein.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Industry of Things erschienen.

* Dipl.-Ing. (FH) Nora Crocoll und Dipl.-Wirt. Ing. (FH) Alex Homburg arbeiten beim Redaktionsbüro Stutensee.

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