Industrial Edge: IT in der Fertigung

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Für produzierende Unternehmen ergeben sich durch die Digitalisierung nicht nur Vorteile, sondern auch Heraus­forderungen. Die optimale Nutzung von Daten hat in der ­Industrie längst einen hohen Stellenwert. Die dezentrale Datenverarbeitung innerhalb der Produktion am Rande des Netzwerks wird dadurch mehr und mehr zum Erfolgsfaktor.

Industrial Edge: Jeden Tag fallen bei der Steuerung und Überwachung unterschiedlicher Prozesse in der industriellen Produktion große Datenmengen an – pro Sekunde entstehen hier Tausende von Informationen, die jedoch nur zum Bruchteil verarbeitet werden. Dabei gilt: Je vernetzter die Fertigung ist, desto größer ist die anfallende Daten­menge – egal, ob am eigenen Standort oder weltweit.

Industrial Edge: Die Herausforderungen

Bei einer lokalen Datenverarbeitung stoßen produzierende Unternehmen oft an ihre Grenzen, denn häufig fehlt es an der Möglichkeit, Datenverarbeitungsprogramme auf Automatisierungssysteme zu portieren und diese dort zu betreiben. Auch eine standortübergreifende Verarbeitung ist nicht möglich. Cloud Computing beinhaltet diese zwar, allerdings gibt es auch hier Hürden, die es zu überwinden gilt. Cloud-Infrastrukturen sind sehr leistungsfähig, jedoch steigt der Bedarf an Applikationen nahe am Prozess, die eine Echtzeitverarbeitung der Daten und hohe Verfügbarkeit erfordern.

Das Beste zweier Technologien

Immer mehr Unternehmen erkennen die Wichtigkeit und Notwendigkeit, Produktionsdaten im noch größeren Stil zu verarbeiten und zu analysieren. Konventionelle Soft- und Hardware­lösungen führen jedoch meist nicht zum Ziel, da sie zeitintensive und meist manuelle Pflege erfordern, um Software und Betriebssystem immer auf dem neuesten und sichersten Stand zu halten. Mit ­Industrial Edge bietet Siemens eine Lösung zur lokalen, dezentralen Datenverarbeitung und -vorverarbeitung direkt an der Maschine, die eine geringe Latenz, niedrigere Kosten bei der Daten­haltung sowie einen sicheren Umgang mit sensiblen Daten gewährleistet. Gleichzeitig können Kunden ihre Industrial-Edge-Lösung zusammen mit bestehenden Cloud-Lösungen nutzen, oder mit MindSphere auf eine einsatzfertige industrielle IoT-as-a-Service-Lösung von Siemens setzen.

Industrial Edge bringt aus der IT gewohnte Standards wie zen­trales Softwaremanagement und Container-basierte Applikationen (Docker) mit Methoden wie maschinellem Lernen näher an die Daten­quelle. Dadurch ist es in der industriellen Produktion nun auch möglich, Produktionsdaten zu nutzen, um bisher unbekannte Optimierungspotenziale aufzudecken, und es erleichtert die Integration aller Endgeräte in einer gemeinsamen Infra­struktur. Dadurch werden die Verwaltung und der Betrieb von verteilten Systemen in der intelligenten Fabrik effizienter, sicherer und damit letztendlich wirtschaftlicher.

Fertigende Unternehmen haben mit ­Industrial Edge zudem die Möglichkeit, die Vorteile der Cloud mit den Vorteilen der ­lokalen, dezentralen Datenverarbeitung zu kombinieren und so die Forderungen des Marktes nach Flexibilität in der Wahl der Plattform, bei der Reaktions­fähigkeit und industriellen Zuverlässigkeit zu erfüllen. Eine einsatzfertige Industrial-IoT-Lösung, bestehend aus MindSphere und ­Industrial Edge, macht es möglich, Innovationszyklen für Software und Services durch eine Plug-and-Play-Infrastruktur zu verkürzen und gleichzeitig die Flexibilität im Betrieb zu steigern.

Eine offene Plattform

Ein wesentliches Merkmal von Industrial Edge ist die dezentrale Datenverarbeitung und -analyse auf Softwarebasis, wahlweise direkt integriert im Automatisierungsportfolio dank sogenannter Edge-Enabled ­Devices, zum Beispiel des bereits verfüg­baren Simatic HMI Unified Comfort Panels. Die optionale Verbindung aus Hard- und Software innerhalb des Industrial-Edge-Portfolios erhöht bei produzierenden Unter­nehmen die Flexibilität und Offenheit, bei garantierter Sicherheit in der industriellen Automatisierung.

Durch die Integration gängiger Datenerfassungsstandards – auch für Altsysteme – können Anwender von bestehenden Lösungen problemlos umsteigen. Außerdem können Unternehmen und Programmierer ihr eigenes Know-how über den Industrial Edge Marketplace anbieten. Das Stichwort hier sind Edge-Apps. Diese Anwenderprogramme bieten den Nutzern zahlreiche Möglichkeiten, von der Visuali­sierung und Analyse von Daten über die Durchführung von komplexen Regelkreisberechnungen bis hin zur einfachen Kommunikation mit der Maschine. Diese neuen Möglichkeiten eröffnen Potenziale zur Entwicklung neuer Geschäftsmodelle.

Das Edge-Management-System ist die Infrastruktur zur zentralen Verwaltung von Hunderten von Edge-Geräten jeder Art – fabrikweit und später sogar weltweit. Dabei lässt sich das System innerhalb der Fertigung für Anwender bereitstellen, die viel Wert auf Datensicherheit und Kontrolle legen oder alternativ in einer Cloud-Infrastruktur außerhalb der Firmeninfrastruktur hosten. Edge-Apps und Edge-Updates, wie etwa Sicherheits-Patches, lassen sich zen­tral verwalten und geplant aus der Ferne via „Over-the-air-Updates“ auf angeschlossene Edge-Geräte bereitstellen.

Und das selbstverständlich zugeschnitten auf die Industrie: Ein weitreichendes Benutzermanagement unterstützt Administratoren beim geplanten Rollout, so dass eine hohe Anlagen- und Software-Verfügbarkeit jederzeit gewährleistet werden kann. Über das Edge-Management-System ist zudem der Zugang zum zentralen Industrial Edge ­Marketplace möglich, über den App-Entwickler, System­integratoren, Maschinenbauer und Anwender ihre Apps einfach anbieten und unterein­ander austauschen können.

Müheloses Portieren

Bereits vorhandene Software und Applikationen können Anwender mühelos auf ­Industrial Edge portieren und dabei von integrierter Sicherheit und Konnektivität in der Automatisierung und Cloud profitieren. Anwender müssen sich lediglich um ihre Applikation kümmern; die Infrastruktur wird bereitgestellt. Auf allen Edge-Geräten läuft die Open-Source-Software Docker, die zahlreiche Vorteile, wie geringen Ressourcen­bedarf, schnelle Bereitstellung und einfache Handhabung bietet. Mit Docker lassen sich Datenverarbeitungs- und Analysefähigkeiten auf Basis typischer IT-Funktionen und Hochsprachen wie C, C++, Java Python oder Node.js einfach und skalierbar in die Automatisierung integrieren – einmal programmiert, ablauffähig auf jeglicher Hardware. Für den Datenaustausch werden Protokolle für OPC UA Client/Server, Modbus TCP, TCP/IP, Simatic S7, Sinumerik, Simotion, Ethernet/IP, sowie MQTT standardmäßig in Industrial Edge integriert.

Industrial Edge für Produktions­maschinen und Anlagen

Industrial Edge ist in unterschiedlichen Konfi­gurationen für Maschinen und Anlagen in der diskreten Industrie und mit einer speziellen Erweiterung für Werkzeug­maschinen erhältlich. Mit Industrial Edge lassen sich Anwendungen und Lösungen realisieren, die weit über die Funktionen ­eines klassischen Automatisierungssystems hinausgehen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Nutzung, zum Beispiel integriert als Teil des Controllers, mit Industrie-PCs oder über beliebige Infrastrukturen.

Für einen einfachen Einstieg stehen den Maschinen- und Anlagenbetreibern schon heute zahlreiche Edge-Apps zur Verfügung. Die Applikationen decken die gängigsten Anwendungsfälle (Daten­visualisierung und -analyse, Maschinen­service-Optimierung, Maschinen-Interaktion usw.) in der diskreten Fertigung und der Prozessindustrie ab und lassen sich mit minimalem Aufwand und ohne Programmierkenntnisse realisieren.

Zahlreiche Edge-Apps

„Flow Creator“ ermöglicht einen einfachen Einstieg in die Datenverarbeitung. Die grafische Benutzeroberfläche unterstützt mit einem Satz vordefinierter Funktionen die Erstellung einer maßgeschneiderten Lösung für Datenverarbeitung und Konnektivität.

Das flexible Performance-Monitoring-Tool „Performance Insight“ überwacht die wichtigsten Kennzahlen von Maschinen, Produktionslinien und kompletten Anlagen. Individuell erstellte Dashboards decken Optimierungspotenziale auf.

„Notifier“ versorgt das Bedien- und Wartungspersonal direkt über dessen mobile Endgeräte mit relevanten Informationen über Maschinenzustände.

Mit „LiveTwin“ lassen sich Simulations­modelle auf Edge-Geräten integrieren, um virtuelle Sensoren oder eine vorausschauende Prozesssteuerung zu implementieren.

Die Condition-Monitoring-App „Machine Insight“ sorgt für eine bessere Wartung und Diagnose der Maschinen, indem sie Maschinenzustände überwacht und doku­mentiert. Fehlerquellen lassen sich so schnell und einfach auffinden.

Industrial Edge für Werkzeugmaschinen

Mit Sinumerik Edge steht eine maschinennahe Industrial-Edge-Erweiterung speziell für die Werkzeugmaschinenindustrie zur Verfügung. Die sichere und skalierbare Plattform erweitert Werkzeugmaschinen um zusätzliche Funktionen und stellt ihren reibungslosen Betrieb sicher. Verschiedene Applikationen ermöglichen den Zugriff und die rückwirkungsfreie Verarbeitung aller verfügbaren hochfrequenten CNC-Massen­daten aus der Werkzeugmaschine – bis zu 1.000 Werte pro Sekunde je Variable.

Die intelligente Verarbeitung dieser Daten ermöglicht es, die Prozessqualität zu optimieren, die Maschinenverfügbarkeit zu steigern, die durch Stillstände, Ausfälle oder Defekte entstehenden Zusatzkosten zu minimieren und die Produktivität der Maschinen zu erhöhen.

Selbstverständlich können auch hier Drittanbieter oder Maschinenanwender eigene Applikationen entwickeln. Doch auch Siemens bietet bereits eine breite ­Palette an Edge-Applikationen für die unter­schiedlichsten Anwendungsbereiche:

• Protect MyMachine/Setup: Die auf künstlicher Intelligenz basierende Software erkennt mithilfe eines Kamerabildes, ob das richtige Werkstück in der korrekten Position im Bearbeitungsraum vorliegt.

• Analyze MyWorkpiece/Monitor: Bei dieser Qualitätsüberwachung parallel zur Produktion können Anwender fest­legen, welche Prozessschritte und Variablen überwacht werden sollen. Typische Anwendungsfälle sind die Bewertung der Werkstückqualität und die Erkennung von Werkzeugverschleiß.

• Analyze MyWorkpiece/Capture: Mit dieser Edge-App können Anwender alle Echtzeitdaten rund um die Werkstückbearbeitung aufzeichnen und anschließend zur Optimierung der Qualität in Analyze MyWorkpiece/Toolpath visualisieren und analysieren.

• Analyze MyWorkpiece/Trochoidal: Mit dieser Sinumerik-Edge-App lässt sich trochoidales Fräsen (Wirbelfräsen) direkt an der Maschine programmieren.

• Analyze MyMachine/Condition: Die Applikation liefert ein umfassendes daten­basiertes Abbild des Maschinen­zustands. Damit kann man Abweichungen früh ­erkennen und Maschinenausfälle vermeiden.

Ausblick: Leistungsfähige Edge-Geräte

Mit Industrial Edge entstehen neue Möglichkeiten, Daten zu analysieren und zu verarbeiten, etwa mit künstlicher Intelligenz. Industrial-Edge-Geräte wie Simatic IPC227E erfüllen diese anspruchsvollen Aufgaben. Dieser Industrie-PC in skalierbaren Leistungsklassen eignet sich optimal für die Datenerfassung und -analyse direkt im Fertigungsumfeld und verfügt über integrierte Schnittstellen zur Automatisierung und IT/Cloud. Auch Automatisierungsgeräte wie Controller, HMIs und Netzwerkrouter werden nach und nach die integrierte Edge-Funktionalität unterstützen.

Siemens-Kunden stehen zukünftig zusätzlich zum bereits verfügbaren ­Simatic IPC227E und dem Simatic HMI Unified Comfort Panel leistungsfähigere Industrie-PCs sowie das Technologiemodul Simatic S7-1500 TM MFP oder das Ruggedcom-APE1808-Modul mit Edge-Funktionalität zur Verfügung.

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Die Autoren Philipp Armbruster (links) und Dominik Bittner sind Marketing Manager bei der Siemens AG.