Beim Retrofit von Bestandsanlagen übernimmt die Datenkommunikation über flexible IoT-Gateways eine Schlüsselrolle. Um mit allen Komponenten in heterogenen Produktionsumgebungen zu kommunizieren, sind Schnittstellen in alle Richtungen der Prozesskette eine Grundvoraussetzung. Mit einem neuen IIoT-Gateway wird jetzt eine Lösung vorgestellt, die Daten aller gängigen Systeme und Komponenten unterschiedlicher Hersteller zusammenzuführen und in übergeordnete IT-Systeme einbinden kann.

Mit gezielten Retrofitmaßnahmen lassen sich auch Brownfield-Anlagen auf den aktuellen Stand der Technik bringen und Zuverlässigkeit sowie Effektivität der Produktionsprozesse steigern. Eine Schlüsselrolle nimmt dabei die Kommunikationsfähigkeit der Maschinen ein. Nur wenn alle Anlagenteile durchgängig vernetzt sind, kann das volle Wertschöpfungspotential einer Bestandsanlage mit moderner Automatisierungstechnik gehoben werden. Da ältere Steuerungen meist noch nicht über moderne Kommunikationsschnittstellen verfügen, übernehmen sogenannte IIoT-Gateways die Anbindung der Bestandsanlagen an die modernen industriellen IT-Systeme.
Industrielle IoT-Gateways sind intelligente Bindeglieder, die an der Schnittstelle zwischen der Steuerungsebene (Operational Technology = OT) und den industriellen IT-Systemen (IT) eingesetzt werden. IIoT-Gateways werden auch als Edge-Gateways bezeichnet. Sie ermöglichen es, sowohl Neuanlagen (Greenfields) als auch Bestandsanlagen (Brownfields) in moderne automatisierte Prozesse einzubinden, ohne die existierende Steuerungs-Hardware oder Software ändern zu müssen. So können nun auch ältere Maschinen und Anlagen mit den modernen industriellen IT-Systemen kommunizieren. IIoT-Gateways kommen immer dann zum Einsatz, wenn Maschinenbauer und Anlagenbetreiber Daten ihrer Maschinen automatisch erfassen und analysieren wollen, um zusätzliche Wertschöpfungspotentiale zu erschließen.

Essentiell für die Modernisierung: Maschinendaten

Betreibern von Produktionsanlagen ist heute klarer denn je, dass das Optimierungspotenzial einer Produktionsinfrastruktur durch die Nutzung intelligenter Automatisierung groß ist und durch einen höheren Automatisierungsgrad zusätzliche Wertschöpfungspotentiale aus den Bestandsanlagen generiert werden können. Da ältere Maschinen oftmals bereits abgeschrieben sind, ist der wirtschaftliche Effekt einer gesteigerten Produktivität – ohne größere Neuinvestitionen – interessant und hilfreich, um im internationalen Wettbewerb zu bestehen. Dreh- und Angelpunkt bei der Modernisierung der Automatisierungstechnik sind die Betriebsdaten der Maschinen, die möglichst exakt erfasst und ausgewertet werden müssen. Zudem müssen die Rückschlüsse dieser Auswertungen auch auf andere Produktionsstandorte übertragbar sein – unabhängig davon, ob es sich um neue Anlagen oder um Bestandsanlagen handelt.
Bei der Umsetzung gibt es allerdings Hürden zu überwinden: In vielen Produktionsstätten arbeiten Geräte, Maschinen und Anlagen nicht selten aus drei oder vier unterschiedlichen Jahrzehnten autark und ohne Anbindung an ein übergeordnetes Produktionssystem an einem Auftrag. So heterogen wie der Maschinenpark ist auch die Schnittstellenlandschaft in einer typischen Fertigungshalle. Um hier die notwendige Übersicht zu erhalten, ist heute noch viel manuelle Arbeit notwendig: Daten müssen von einzelnen Maschinen abgelesen, händisch notiert und schließlich in Excel-Listen oder in Produktionssysteme eingetragen werden. Dies ist nicht nur zeit- und kostenintensiv, sondern auch fehleranfällig und ineffizient. Zudem geht damit immer ein Informationsverlust einher. Dabei ist es in vielen Fällen einfach, wichtige Informationen aus einer bestehenden Maschine für Online-Auswertungen zu gewinnen und für Optimierungszwecke zu nutzen.

Vorhandene Möglichkeiten nutzen, um Störungen zu vermeiden

Damit sich die Modernisierung von Bestandsanlagen möglichst schnell amortisiert und das Risiko von Produktionsstörungen durch Veränderungen minimiert werden kann, ist es sinnvoll, die Maschinensteuerung mit ihrer Hard- und Software möglichst unverändert zu belassen. Denn: Oftmals stimmt die Dokumentation nicht mehr mit der aktuellen Version des SPS-Programms überein oder das schon etwas in die Jahre gekommene Konfigurationsprogramm ist unter der aktuellen Windows-Version nicht mehr lauffähig. Daher gilt es bei der Modernisierung, nur mit den Möglichkeiten auszukommen, die von der jeweiligen Steuerung standardmäßig unterstützt werden. Diese Herausforderung lässt sich am besten durch den Einsatz eines IIoT-Gateways lösen, das einerseits möglichst viele der verschiedenen SPS- und Feldbusprotokolle beherrscht und andererseits für die Kopplung mit den modernen IT-Systemen die aktuellen Kommunikationsstandards wie OPC UA und MQTT unterstützt.

Das Industrial-IoT-Upgrade für Bestandsanlagen

IIoT-Gateways, wie zum Beispiel das eWON Flexy 205 von HMS Industrial Networks (Vetriebspartner: Wachendorff Prozesstechnik), unterstützen zahlreiche Protokolle und bieten meist auch die Möglichkeit für den Fernzugriff über eine VPN-Verbindung. Das Flexy-205-IIoT-Gateway ist ein modular aufgebauter Fernwartungs- und M2M-Router für Fernwartung und Datendienste. Für die Kopplung an die Maschinensteuerungen wird eine Vielzahl von seriellen, Feldbus- und SPS-Protokollen unterstützt. Das Gateway kann so mit fast allen aktuellen und vielen älteren Steuerungen verbunden werden. Unterstützt werden unter anderem Steuerungen von ABB, Siemens, Rockwell/Allen Bradley, Schneider, Mitsubishi, Omron und Hitachi. Auch proprietäre Protokolle wie zum Beispiel Siemens MPI werden unterstützt. Das Flexy-Gateway wird über den Konfigurationsport der Steuerung angebunden und hat damit Zugriff auf die Programm- und Datenbereiche der Steuerung – ohne dass dazu das SPS-Programm oder die Konfiguration der Steuerung geändert werden muss. Die Kopplung an die modernen IT-Systeme erfolgt entweder lokal oder remote über eine sichere VPN-Verbindung und standardisierte Protokolle wie OPC UA oder MQTT. 

Anlagenoptimierung durch Fernzugriff

Je nachdem, welcher Automatisierungsgrad in der jeweiligen Bestandsanlage vorliegt, ist es zunächst einmal sinnvoll, ein Augenmerk auf die Maschinenverfügbarkeit und die tatsächliche Auslastung zu legen. Gibt es mehrere gleiche Maschinen in der Anlage, ist ein Benchmarking der einzelnen Maschinen und der jeweiligen Vorgehensweise bei der Bedienung sinnvoll. In der Praxis hat es sich bewährt, zunächst einmal mit kleinen Schritten anzufangen und Erfahrungen zu sammeln, bevor man anlagenweite oder gar standortübergreifende Maßnahmen einleitet. Oft lassen sich schon durch einfache Maßnahmen, wie das Einrichten des Fernzugriffs zur Unterstützung im Fehlerfall durch den Maschinenhersteller, Verbesserungen erzielen. Denn dadurch entstehen auch Möglichkeiten für die vorausschauende Wartung. Schlussendlich müssen Aufwand und Komplexität im richtigen Verhältnis zum erwarteten Nutzen stehen. Folgende Herangehensweise hat sich in der Praxis bewährt:

Schritt 1: Fernzugriff einrichten

Im ersten Schritt wird der Fernzugriff auf die jeweilige Steuerung an der Maschine vor Ort durch den Anschluss des IIoT-Gateways hergestellt, das als VPN-Router fungiert und den Remote-Zugriff auf die Steuerung vor Ort über eine sichere VPN-Verbindung ermöglicht. Geeignete IIoT-Gateways setzen Richtlinien des Bundesamtes für die Informationssicherheit (BSI) für Cyber Security in industriellen Anwendungen gemäß ISA62443 und NIST SP800 nach dem „Defence in Depth“-Prinzip für die gestaffelte Verteidigung konsequent um und genügen so höchsten Sicherheitsanforderungen.

Schritt 2: Überwachen und Daten sammeln

Ist der sichere Fernzugriff auf die Anlage erst einmal hergestellt, werden wichtige produktions- und qualitätsrelevante Maschinendaten wie Betriebszustand, Auslastung und Output kontinuierlich erfasst, visualisiert und für die Auswertung an übergeordnete Systeme, Analysetools und Datenbanken bereitgestellt. Hier ist das Stichwort Big Data einzuordnen. Über die VPN-Verbindung können sowohl der Anlagenbetreiber als auch der Hersteller der Maschine die Maschinendaten analysieren und überwachen. Oft ist es sinnvoll, zunächst einmal wenige Datenpunkte über einen längeren Zeitraum aufzuzeichnen und wichtige Ereignisse (z. B. Störung, Pause, Qualitätsproblem) im Datenstrom zu kennzeichnen.

Schritt 3: Zusammenhänge erkennen und Optimierungsmaßnahmen einleiten

Schritt für Schritt lassen sich so Zusammenhänge erkennen und Maßnahmen zur Optimierung der Produktivität ableiten. Zum Beispiel können mit vorausschauender Instandhaltung die Verfügbarkeit erhöht und Kosten reduziert werden. Anhand der gesammelten Daten lassen sich Energie- und Ressourcenverbrauch ermitteln, darstellen und reduzieren. Ebenso bilden die Maschinendaten die Grundlage, um die Auslastung zu optimieren, den Durchsatz zu erhöhen und die Qualität zu verbessern. Über dieselbe VPN-Verbindung sind weitere Anwendungen realisierbar (Remote-Services). Remote-Services sind die Basis für intelligentere und flexiblere Fabriken und ermöglichen neue digitale Geschäftsmodelle mit Fokus auf einer Lebenszyklus- und Serviceoptimierung. Unternehmen können unter den Rahmenbedingungen von Industrie 4.0 ihre Produkte auf ganz neue Weise anbieten oder zusätzlichen Kundennutzen durch Mehrwertservices über den Produktlebenszyklus hinweg erzeugen. Die Vorgehensweise lässt sich anhand einer Pyramide anschaulich darstellen.