Vernetzung industrieller Systeme

Konnektivität

Erfahren Sie in diesem Artikel alles Wichtige zum Thema Konnektivität in der Industrie: Von den Vorteilen der Systemvernetzung bis hin zu einer sicheren und skalierbaren Umsetzung.

Was ist Konnektivität?

Der Begriff Konnektivität bezeichnet die Vernetzung von Menschen, Maschinen und Geräten auf Basis digitaler Kommunikationstechnologien.
Zu den wichtigsten dieser Technologien gehört das Internet of Things (IoT).

Was ist Digitale Konnektivität?

Digitale Konnektivität beschreibt sowohl den Trend der globalen Vernetzung von Menschen über digitale Medien als auch die Verbindungsfähigkeit technischer Geräte über sogenannte Schnittstellen.

Die zuletzt genannte Verbindungsfähigkeit spielt vor allem in der Industrie eine große Rolle.

Was ist Industrielle Konnektivität?

Industrielle Konnektivität bezeichnet die Verbindungsfähigkeit verschiedenster technischer Systeme in der Industrie.

Die unternehmensweite Herstellung dieser Verbindungsfähigkeit ermöglicht einen gezielten und umfangreichen Datenaustausch zwischen beliebigen Maschinen, Sensoren, Softwareanwendungen und Cloud-Plattformen.

Viele Unternehmen stehen vor der Herausforderung, Konnektivität zu ihren Systemen herzustellen und auch ältere Anlagen sowie Maschinen verschiedener Hersteller in eine einheitliche digitale Infrastruktur zu integrieren. Mit einer guten Konnektivitätsstrategie ist jedoch genau das möglich, ohne dass dabei hohe Kosten für individuelle Anbindungslösungen entstehen.

In diesem Artikel wird erläutert, wie Unternehmen von industrieller Konnektivität profitieren können und mit welchen Mitteln eine unternehmensweite Vernetzung so realisiert werden kann, dass Sicherheit und Skalierbarkeit gewährleistet werden.

Unternehmen in verschiedensten Branchen können durch die Anbindung bereits weniger Maschinen enorme Optimierungspotenziale realisieren. Gleichzeitig ist die Wahl der richtigen Konnektivitätslösung gerade im Hinblick auf die Investitionssicherheit von zentraler Bedeutung.

1. Konnektivität – Vorteile und Chancen für Unternehmen

In der Industrie tätige Unternehmen profitieren davon, wenn ihre Maschinen, Sensoren, Softwareanwendungen und Cloud-Plattformen miteinander verbunden sind und Daten austauschen können. Dies geschieht in der Praxis oft über mehrere Standorte hinweg.

Im Idealfall wird industrielle Konnektivität in Form einer vollständig vernetzten Unternehmens-Infrastruktur realisiert – von der Feldebene (Maschinen, Steuerungen, Geräte, Sensoren) bis hin zum Controlling, Kundenmanagement und Transport.

Der Trend zu einer unternehmensweiten Vernetzung und der darauf basierenden Automatisierung von Prozessen wird auch mit dem Begriff Industrie 4.0 bezeichnet.

Unternehmen profitieren auf verschiedenste Weise von einer Anbindung ihrer Maschinen, welche den Zugriff auf wertvolle Datenquellen ermöglicht. Die erhobenen Daten können gezielt zur Optimierung betrieblicher Prozesse und damit der gesamten Wertschöpfungskette genutzt werden.

Die wichtigsten Vorteile industrieller Konnektivität werden im Folgenden erläutert.

Vorteile industrieller Konnektivität für Unternehmen

  • Qualitätssteigerung: Indem Daten aus verschiedensten Systemen zusammengeführt, verglichen und bei der Produktion berücksichtigt werden, können Optimierungspotenziale aufgedeckt und Fehler vermieden werden. Das Ergebnis ist oft eine bessere und konsistentere Produktqualität.
  • Sofortige Erkennung von Defiziten und Sicherheitsrisiken: Durch die kontinuierliche Übertragung von Daten aus der Feldebene können Defizite oder Sicherheitsrisiken, die sich aus defekten Maschinen, unbefugten Zugriffen oder unentdeckten Schäden ergeben, direkt erkannt und adressiert werden.
  • Einfache Wartung: Für viele der angebundenen Maschinen und Anlagen kann die Wartung automatisiert werden. Übergeordnete Systeme erkennen die Notwendigkeit von Wartungen und übernehmen die Planung. Werden Techniker vor Ort benötigt, können diese automatisch informiert werden.
  • Optimale Auslastung von Anlagen: Durch eine Vernetzung aller beteiligten Systeme kann der Produktionsprozess optimal geplant und gesteuert werden. Eine ständige Zustandsüberwachung ermöglicht es Unternehmen, ihre Produktionskapazitäten optimal auszulasten. Stillstandszeiten werden dabei auf ein Minimum reduziert.
  • Erhöhte Flexibilität: Eine vollständig vernetzte Produktions-Infrastruktur erlaubt es Unternehmen, schneller und flexibler auf Veränderungen in der Nachfrage oder den Produktionsbedingungen zu reagieren.
  • Mehr Potenzial für Innovation: In einem vollständig vernetzten Unternehmen können innovative Ideen und Konzepte schneller und mit weniger Risiko in die Praxis umgesetzt werden.
  • Stärkere Kundenbindung und Individualisierung: Eine gesteigerte Flexibilität führt auch dazu, dass Kundenbedürfnisse besser erfüllt werden können. Dies wird unter anderem durch das Potenzial einer stärkeren Individualisierung in der Produktion und Kundenkommunikation ermöglicht.

Zusätzlich zu den oben genannten Punkten können Kosteneinsparungen und Effizienzsteigerungen auch durch einen effektiveren Einsatz von Personal, eine bessere Bestandsüberwachung und viele weitere Faktoren erreicht werden.

2. Herausforderungen bei der Implementierung von Konnektivität

Auch wenn industrielle Konnektivität enorme Chancen bietet, stehen viele Unternehmen bei der Umsetzung noch relativ weit am Anfang.

Auf den ersten Blick scheinen viele Maßnahmen zur Herstellung von Konnektivität mit hohen Kosten und hohem Aufwand verbunden zu sein. Hinzu kommt die Frage nach der Skalierbarkeit: Inwiefern können zukünftige Systeme und Technologien in die aktuelle Infrastruktur integriert werden?

Im Folgenden haben wir die wichtigsten Anforderungen an eine effektive Konnektivitätsstrategie aufgelistet.

2. 1. Anbindung von Maschinen verschiedener Hersteller

Viele Industrieunternehmen nutzen Anlagen verschiedener Hersteller, die jeweils über ihre eigenen proprietären Protokolle und Schnittstellen verfügen. Eine gute Konnektivitätsstrategie sollte in der Lage sein, alle Systeme herstellerunabhängig anzubinden. Daten sollten dabei im gleichen Format erhoben und gespeichert werden, um eine einheitliche Verarbeitung zu gewährleisten.

2. 2. Anbindung älterer Maschinen

Eine gute Konnektivitätsstrategie sollte Anlagen nicht nur herstellerunabhängig, sondern auch unabhängig von ihrem Baujahr anbinden können. Viele Unternehmen nutzen ältere Maschinen und sind darauf angewiesen, auch diese in die moderne digitale Infrastruktur zu integrieren.

2. 3. Skalierbarkeit und Investitionssicherheit

Eine industrielle Konnektivitätslösung sollte die Möglichkeit bieten, auch zukünftig erworbene Systeme unterschiedlicher Hersteller problemlos anzubinden, ohne dass dazu neue Lösungen entwickelt werden müssen.

Auch die Kompatibilität mit neuen Technologien ist an dieser Stelle von großer Bedeutung. Insbesondere die IoT-Kompatibilität (siehe Abschnitt „Internet of Things (IoT)“) gewinnt immer mehr an Bedeutung und kann mit der richtigen Strategie gewährleistet werden.

Nicht zuletzt kann die Skalierung einer Konnektivitätslösung über mehrere Standorte hinweg eine Herausforderung darstellen. Um eine effiziente Kommunikation im Unternehmen sowie umfangreiche Analysen und Vergleiche zu ermöglichen, müssen die Maschinen aller Standorte angebunden werden. Eine einheitliche Strategie reduziert an dieser Stelle die Kosten für Wartungen und andere technische Eingriffe.

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3. Implementierung industrieller Konnektivität – Umsetzung und Strategien

Eine unternehmensweite Konnektivität kann auf Basis verschiedener Technologien und Strategien realisiert werden. Einige davon sind aufgrund ihrer Einfachheit, Standardisierung und Skalierbarkeit besonders effektiv, während andere mit hohen Kosten verbunden sind und ein deutlich geringeres Maß an Investitionssicherheit bieten.

Im folgenden Abschnitt werden wichtige Ansätze und Strategien zur Herstellung industrieller Konnektivität erläutert.

3. 1. Brownfield-Konnektivität vs. Greenfield-Konnektivität

Bei der Herstellung unternehmensweiter Konnektivität kann zwischen sogenannten Brownfield- und Greenfield-Ansätzen unterschieden werden.

Bei Greenfield-Ansätzen wird eine Infrastruktur, welche die Anforderungen an industrielle Konnektivität erfüllt, von Grund auf neu aufgebaut. Die Bezeichnung Greenfield ergibt sich dabei aus der Vorstellung, neue und Industrie 4.0-fähige Fabrikanlagen auf einer unbebauten „grünen Wiese“ zu errichten.

In der Praxis sind Greenfield-Konnektivitätsansätze jedoch oft nicht umsetzbar, da die meisten Unternehmen bereits über funktionsfähige Anlagen verfügen, welche in eine digitale Infrastruktur integriert werden sollen.

Bei einem Brownfield-Ansatz wird dagegen die bestehende Infrastruktur, einschließlich der bereits vorhandenen Maschinen, als Ausgangspunkt für die Implementierung von industrieller Konnektivität genommen.

Die Nutzung von Standard-Kommunikationsprotokollen wie OPC UA (siehe Absatz zu OPC UA) ist ein effektiver Ansatz zur Implementierung von Brownfield-Konnektivität, da Maschinen hierbei unabhängig von ihrem Alter und Hersteller auf die gleiche Weise angebunden werden können.

3. 2. Herstellerprotokolle vs. Standardprotokolle

Hersteller von Maschinen wie Siemens, Allen-Bradley oder Mitsubishi implementieren eigene Protokolle, über welche die Maschinen mit anderen Systemen verbunden werden können. Diese sind jedoch in vielen Fällen für die Verwendung der eigenen Produkte (Sensoren, Software-Anwendungen, …) optimiert. Eine Vernetzung von Systemen unterschiedlicher Hersteller gestaltet sich daher oft deutlich schwieriger.

Eine Beschränkung auf die Produktpalette bzw. Infrastruktur eines einzelnen Herstellers (Hersteller-Lock-in) ist für Unternehmen in der Regel nicht erstrebenswert. Vielmehr sollten Anlagen auf Basis ihrer Qualitätsmerkmale und unter Berücksichtigung der individuellen Unternehmensanforderungen ausgewählt werden.

Eine Konnektivitätsstrategie, die auf individuellen Anbindungen über Herstellerprotokolle basiert, ist aus den oben genannten Gründen nicht empfehlenswert. Darüber hinaus ist die Verwaltung und Neuentwicklung mehrerer individueller Anbindungslösungen nicht nur mit hohen Kosten verbunden, sondern erfordert auch ein hohes Maß an speziellem technischen Know-how.

Eine bessere Möglichkeit zur Herstellung unternehmensweiter Konnektivität ist die Nutzung von Standardprotokollen. Dabei kommunizieren verschiedenste Systeme über etablierte Technologien wie OPC UA, MQTT oder REST und stellen ihre Daten in einem einheitlichen Format zur Verfügung.

Mithilfe spezieller Hard- und Softwarelösungen können auch ältere Maschinen über solche Standardprotokolle angesprochen werden.

3. 3. OPC UA – Der Industriestandard für herstellerunabhängige Kommunikation

OPC Unified Architecture, kurz: OPC UA, ist eine Weiterentwicklung des klassischen OPC Kommunikationsstandards. Das industrielle Kommunikationsprotokoll ermöglicht eine plattform- und herstellerunabhängige Kommunikation zwischen unterschiedlichen Systemen.

Verschiedenste Maschinendaten werden mit OPC UA einheitlich beschrieben und dadurch für andere Anwendungen verständlich gemacht. Im Kern sorgt OPC UA also dafür, dass alle Systeme „die gleiche Sprache sprechen“. Der Datentransport findet bei OPC UA über TCP/IP oder SOAP/HTTPS statt.

Einer der größten Vorteile einer auf OPC UA basierenden Konnektivitätsstrategie ist die Tatsache, dass die Feldebene (Maschinen, Steuerungen, Sensoren, Geräte, …) und Steuerungsebene (MES, ERP, Analysesoftware, …) miteinander verbunden werden. So kann z.B. der Status von Maschinen jederzeit von einer zentralen Stelle aus überwacht werden.

Einige Maschinen stellen ihre Daten bereits im OPC UA Format bereit. Die übrigen lassen sich über einen externen OPC Server anbinden, welcher in diesem Fall die Schnittstelle nach außen darstellt. Dabei muss der OPC Server jedoch zusätzlich zur Implementierung des OPC UA Standards über Schnittstellen zu den anzubindenden Maschinen verfügen.

Der KEPServerEX beherrscht nicht nur alle gängigen Standardprotokolle (OPC UA, REST, MQTT, …), sondern verfügt mit seinen mehr als 160 Treibern und 34 Suiten auch über Schnittstellen zu unzähligen Herstellerprotokollen (allen wichtigen?), darunter Siemens, Allen-Bradley, Beckhoff und viele mehr. Er ist damit in der Lage, verschiedenste Systeme einheitlich anzubinden, darunter auch ältere Maschinen.

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3. 4. Internet of Things (IoT)

Das Internet of Things, kurz IoT, bezeichnet Netzwerke aus physischen Geräten („Things“), die über das Internet miteinander verbunden sind bzw. die Entwicklung einer zunehmenden Internetfähigkeit bei physischen Geräten.

Letztere wird durch Technologien wie eingebaute Sensoren, Mikrochips, Datenspeicher und Software ermöglicht.

Der Begriff Industrial Internet of Things (IIoT) bezeichnet die Implementierung des IoT-Konzepts in der Industrie. Hier bietet die IoT-Verknüpfung von Sensoren, Druckern und anderen Geräten Zugriff auf umfangreiche Datenmengen (Big Data) und Steuerungsmöglichkeiten, welche zur Optimierung verschiedenster Unternehmensabläufe genutzt werden können.

Herstellung von Iot-Konnektivität

IoT/IIoT-Konnektivität wird durch verschiedene Protokolle auf unterschiedlichen Kommunikationsschichten ermöglicht (siehe auch OSI-Modell). Auf den untersten Ebenen kommen Protokolle für die physische Datenübertragung zum Einsatz, wobei sowohl kabelgebundene (Industrial Ethernet) als auch kabellose Ansätze (z.B. WLAN) möglich sind.

Die oberste Schicht bilden Anwendungsprotokolle wie OPC UA oder MQTT. Diese stellen sicher, dass über das IoT gesendete Daten durch andere Anwendungen verarbeitet werden können.

In der Praxis sorgt OPC UA z.B. dafür, dass Maschinen ihre Daten mit Softwaresystemen wie SAP teilen können. MQTT dagegen ist ein leichtgewichtiges IoT-Protokoll, welches vor allem für die ressourcensparende Kommunikation zwischen kleineren Geräten geeignet ist. In der Industrie spielen beide Protokolle eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung effektiver IoT-Konnektivität.

Mit seinem IoT Gateway unterstützt der KEPServerEX auch die IoT/IIoT-Standardprotokolle MQTT und REST. Daten angebundener Geräte können dadurch direkt an Softwaresysteme oder Cloud-Umgebungen übermittelt werden.

Weiterverarbeitung von IoT-Daten

Im Zusammenhang mit der Herstellung von IoT-Konnektivität ist auch eine weitere Frage von großer Bedeutung: Wie können große Mengen an IoT-Daten effektiv ausgewertet und weiterverarbeitet werden?

Cloud-Umgebungen zahlreicher Anbieter dienen dabei oft als kostengünstige und skalierbare Infrastruktur für IoT-Daten.

Auch der Einsatz des Edge Computing kann bei der Umsetzung einer industriellen IoT-Infrastruktur einige Vorteile bieten. Dabei werden spezialisierte Edge-Geräte direkt am Standort einer Maschine eingesetzt und sind in der Lage, deren Daten lokal zu verarbeiten und anschließend an eine IoT-Plattform oder ein anderes System zu übertragen. Eine solche Dezentralisierung der Datenverarbeitung schont nicht nur Netzwerkressourcen, sondern ermöglicht auch eine Auswertung von Echtzeitdaten.

4. Konnektivität und Sicherheit

Je mehr Systeme miteinander verbunden werden, desto wichtiger wird es, dass jegliche Kommunikation zwischen diesen sicher und reibungslos verläuft.

Viele Kommunikationsprotokolle, die in der Industrie eingesetzt werden, bieten verschiedene Formen der Verschlüsselung und Authentifizierung, darunter z.B. OPC UA oder REST.

Beim OPC UA Standard ist eine verschlüsselte Kommunikation zwischen Client und Server vorgesehen. Darüber hinaus werden zur Authentifizierung Zertifikate ausgetauscht. Nicht zuletzt hilft die Vergabe von Berechtigungen dabei, unbefugte Zugriffe zu vermeiden. Ausführlichere Informationen erhalten Sie auf unserer Seite zu OPC UA.

Auch bei REST kann durch die Verwendung des HTTPS-Protokolls sichergestellt werden, dass die Datenübertragung sicher und verschlüsselt erfolgt.

An einigen Stellen sind jedoch auch Hersteller gefragt. So verfügt z.B. der OPC UA Standard über ein umfangreiches Sicherheitskonzept, welches durch die Hersteller von OPC UA Produkten individuell implementiert werden kann. Auf dieser Seite erfahren Sie, wie der KEPServerEX dieses Konzept implementiert und dadurch die höchsten Sicherheitsstandards erfüllt.

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5. Fazit

Unter dem Stichwort Konnektivität versuchen Unternehmen, ihre Maschinen, Geräte und Softwaresysteme miteinander zu verknüpfen. Obwohl die lückenlose Systemvernetzung mit einigen Herausforderungen verbunden ist, sind die Potenziale enorm: Durch den (Echtzeit-)Datenaustausch mit der Feldebene können weitreichende Qualitätssteigerungen erreicht, Risiken vermieden und Kosten eingespart werden. Die Herstellung unternehmensweiter Konnektivität ist Voraussetzung für die Umsetzung des Smart Factory-Konzepts.

Eine gute Konnektivitätslösung sollte in der Lage sein, Maschinen hersteller- und altersunabhängig anzubinden und dabei Sicherheit und Skalierbarkeit gewährleisten.

Weitere Informationen

Was ist OPC UA?

OPC UA - Standardisierter Datenzugriff auf industrielle Systeme

OPC UA ist das führende Standardprotokoll für industrielle Kommunikation. Als solches ermöglicht es den herstellerunabhängigen Datenaustausch zwischen Steuerungen, Geräten, Software und zahlreichen anderen Systemen. Erfahren Sie in unserem Beitrag „Was ist OPC UA“ alles Wichtige über die Funktionsweise des industriellen Kommunikationsstandards, seine Vorteile sowie das umfangreiche Sicherheitskonzept.

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Was ist das IIoT?

Was ist das IIoT?

Das Industrial Internet of Things (IIoT) bezeichnet die internetbasierte Vernetzung von industriellen Maschinen, Geräten und anderen Systemen. Eine effektive Umsetzung des IIoT bietet Unternehmen die Chance, zahlreiche neue Datenquellen zu erschließen. In der Folge können wichtige Prozesse optimiert oder automatisiert werden. Auf unserer Seite zum IIoT erfahren Sie alles Wichtige zu den Vorteilen, Anwendungsfällen und Technologien des Industrial Internet of Things.