Industrielle Anforderungen an Industrie 4.0
Die Einführung von Internet-Technologien in die Industrie löst bei vielen Anlagenbetreibern nachvollziehbare Sorgen aus. Ihre Anlagen vereinen Investitionen, Know-how, Produktion und Profitabilität. Viele Visionen rund um Industrie 4.0 scheinen kaum greifbar für heutige Produktionssysteme. Die Kommunikation produktionsrelevanter Endgeräte mit einer Cloud wird oft als potenzielle Gefährdung wahrgenommen. Die Industrie stellt daher aus ganz praktischen Erwägungen Anforderungen an Industrie 4.0. Das technisch Mögliche muss in den Dienst des Sinnvollen gestellt werden. Die folgenden Anforderungen sind Voraussetzungen für eine industrielle Akzeptanz:
- Investitionsschutz: Industrie 4.0 muss schrittweise in bestehende Produktionseinrichtungen und Anlagen einführbar sein.
- Stabilität: Industrie-4.0-Dienste dürfen zu keinem Zeitpunkt die Produktion gefährden, weder durch Ausfall oder Störung noch durch unabgestimmten Eingriff. Produktionssysteme stellen erhöhte Anforderungen an nichtfunktionale Eigenschaften wie Verfügbarkeit, Echtzeit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit, Robustheit, Produktivität, Kosten und Sicherheit usw. Diese Anforderungen müssen durch den Einzug von Industrie 4.0 unberührt bleiben.
- Steuerbarkeit: Zugang zu anlagenbezogenen Daten und Diensten ist Voraussetzung für eine Industrie-4.0-Wertschöpfung, muss jedoch kontrollierbar und steuerbar sein. Vor allem Schreibzugriffe auf produktionsrelevante Geräte, Maschinen oder Anlagen erfordern eine über die Z hinausgehende Prüfinstanz, welche die Gültigkeit des Eingriffs im Kontext der gesamten Produktion sicherstellt.
- Security: Ein nicht autorisierter Zugriff auf Daten bzw. Dienste ist zu verhindern.
Integrationstopologie
Die Einführung von Industrie 4.0 in reale Produktionssysteme lässt sich anhand einer Integrationstopologie nach Bild 2 illustrieren. Diese gilt gleichermaßen für die Fertigungs-, die Prozessindustrie und andere Industrien. Die Integrationstopologie adressiert die genannten Bedürfnisse der Industrie als Voraussetzung für die Akzeptanz von Industrie 4.0 und erklärt ihre schrittweise Integration.
Kern der Integrationstopologie ist die Trennung der Industrie-4.0-Datenübertragung vom zum Betrieb zwingend erforderlichen Kommunikationssystem der Produktionsanlage. Dies wird in Bild 2 durch ein grünes bzw. blaues Netz dargestellt. Die technische Umsetzung ist in getrennten Netzen (zum Beispiel beim Nachrüsten von Anlagen) oder in einem bereits vorhandenen (beispielsweise Ethernet-basierten) Netz (logische Trennung innerhalb eines Kabels) möglich.
Das grüne Netz symbolisiert eine Automatisierungsanlage (Produktionsnetz) mit erhöhten Anforderungen an Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit. Die technische Umsetzung bleibt wahlfrei und wettbewerblich: dies umfasst sowohl traditionelle Automatisierungslösungen (zum Beispiel Client-Server-Prinzip) als auch neuartige Automatisierungstopologien, zum Beispiel unter Nutzung des SOA-Prinzips. Das blaue Netz symbolisiert das neue Industrie-4.0-(I4.0-)Netz. Es ist zum Betrieb der Produktionsanlage nicht zwingend erforderlich, Ausfälle dürfen den Kernbereich nicht beeinflussen.
Für die Anbindung von Geräten, Maschinen oder Anlagen an das blau dargestellte I4.0-Netz werden diese mit I4.0-Schnittstellen ausgestattet, hier dargestellt durch blaue Ports. Die dazu benötigten Basis-I4.0-Dienste, deren Semantik, Syntax und Übertragungsprotokolle müssen im Sinne einer herstellerübergreifenden Interoperabilität standardisiert werden. Über diese Schnittstelle können ausschließlich autorisierte I4.0-Teilnehmer zum Beispiel Identifikatoren, Diagnosedaten, Geräteparameter, Prozesswerte usw. auslesen. Diese Daten sind die Grundlage für die Wertschöpfung im I4.0-Dienstsystem.
Zum Schutz der Produktion wird der direkte Zugriff auf Geräte, Maschinen oder Anlagen zunächst nur lesend erfolgen. Schreibzugriffe erfordern eine über die Security hinausgehende Prüfinstanz. Schreibzugriffe sind im Bild durch orangene Ports symbolisiert. Die Prüfinstanz adressiert die Abstimmung des Schreibzugriffs im Kontext der gesamten Produktion im Kern der Automatisierungsanlage; so lassen sich unerwünschte Auswirkungen auf andere Anlagenkomponenten vermeiden. Beispiele für Schreibzugriffe sind das Herunterladen von Geräteparametern. Die Umsetzung der Prüfinstanz ist durch die Leittechnik, in der MES-Lösung oder durch einen Menschen möglich. Der direkte Schreibzugriff auf Endgeräte ist technisch zwar machbar, aber in der industriellen Praxis vorerst nicht empfehlenswert.
Die Daten des blauen I4.0-Office-Netzes münden in einem privaten Datenspeicher und Dienstsystem. Alle Daten und Dienste darin sind nicht-öffentlich und geschützt. Die Übertragungsprotokolle, Syntax und Semantik von Basisdaten und Diensten sind im Sinne einer herstellerübergreifenden Interoperabilität zu standardisieren. Der Zugang zu Daten und Diensten obliegt dem Eigentümer bzw. Anlagenbetreiber. Die Publikation von Daten in ein öffentliches I4.0-Dienstsystem läuft kontrolliert über Schnittstellen und Rechtesysteme. Die I4.0-Wertschöpfung liegt einerseits bei privaten Diensten im privaten Dienstsystem oder bei Drittanbietern im I4.0-Dienstsystem. Die Rückführung wertschöpfender Dienste in das Produktionssystem ist Basis für Effizienzverbesserungen im Engineering, Betrieb, Service, für neue mobile Anwendungen und eine Vielzahl weiterer Anwendungsfälle.
Die hier vorgestellte Integrationstopologie ist weder neu noch verkörpert sie selbst Industrie 4.0: Sie versteht sich als grundlegender Rahmen für die tatsächliche Innovation von Industrie 4.0. Die logische Trennung der Industrie-4.0-Kommunikation, die Einführung expliziter Prüfinstanzen beim Schreibzugang sowie die Trennung des privaten und des öffentlichen I4.0-Dienstsystems ermöglichen ein hohes Maß an Investitionsschutz, Stabilität, Steuerbarkeit und Security.