München, Starnberg, 27. Nov. 2019 - Selbstorganisation von Prozessen in der Smart Factory auf Basis skalierbarer Dateninfrastrukturen; ein Fachbeitrag der Firma NetApp...
Zum Hintergrund: Das Konzept einer intelligenten Fertigung umzusetzen fällt mitunter nicht leicht. Ein wesentliches technologisches Hindernis kann jetzt jedoch überwunden werden: die „Sprachhürde“ in der Fabrik. Wie es mit einer Software gelingt, dass alle Maschinen miteinander reden, erklärt für uns Jürgen Hamm**, Solutions Architect bei NetApp. Das alleine macht ein Werkstück jedoch noch nicht „intelligent“ genug, um alle erforderlichen Schritte im Shopfloor, also dem Produktionsbereich, gemäß Auftrag zu durchlaufen. Der Experte führt deshalb aus, warum für eine Smart Factory eine skalierbare Dateninfrastruktur, die Daten intelligent verwaltet und hochverfügbar hält, sowie das Anbinden an die SAP-Welt notwendig sind. Auch finden Sie im Text weitere Informationen zum Thema ‚persistent storage‘ und Kubernetes.
Zum Beitrag: Werkstück und Daten laufen gemeinsam durch den Shopfloor. Wie das Selbstorganisieren der Prozesse in der Smart Factory gelingen kann...
Software vernetzt Maschinen und Anlagen, damit diese untereinander kommunizieren und ihre Arbeitsschritte automatisiert aufeinander abstimmen – in der Smart Factory. Deren Entwicklungsstand will der Deutsche Industrie 4.0 Index 2019 abbilden, den das Beratungsunternehmen Staufen erhoben hat. Demnach setzen 56 Prozent der Unternehmen hierzulande Industrie 4.0 in Einzelprojekten operativ um. Nur 8 Prozent der Industrievertreter gelingt allerdings der Sprung, die Smart Factory anzugehen. Ein Großteil der befragten Fach- und Führungskräfte gibt an, dadurch die Kosten zu senken. Die anderen Vorteile wie schlanke, optimierte und automatisierte Prozesse, individualisierbare und flexible Produktion, höhere Produktivität und Innovationsfähigkeit sehen sie nicht.
Was hält die Smart Factory auf?
Das wollte eine europaweite Umfrage der teknowlogy Group von IT- und Operational-Technology(OT)-Verantwortlichen wissen. In ihrem Top-Ranking der Herausforderungen tauchen auf: hohe Investitionen (58 Prozent), fehlendes Geschäftsmodell (48 Prozent), Fachkräftemangel (47 Prozent), komplexe Datenanalyse (43 Prozent), Integration der IT in die OT (40 Prozent), Sicherheitsrisiken (29 Prozent) und fehlende Standards (22 Prozent). Allerdings baut auf dem letztgenannten Punkt vieles andere auf.
Eine universelle Kommunikationsschnittstelle gesucht und entwickelt
Fest steht, dass in den Fabrikhallen ein Kommunikationsstandard fehlt. Dort stehen in der Regel Anlagestrecken, die aus Bauteilen verschiedener Hersteller bestehen. Mit den Herstellern variieren die Maschinensprachen und Kommunikationsprotokolle, die Maschinen für ihre proprietären Steuerungssysteme verwenden. Die Konsequenz: Jede Maschine spricht ihre eigene Sprache und versteht die andere installierte Technik nicht. Ohne einen entsprechenden Kommunikationsstandard lässt sich der Datenaustausch aber nicht automatisieren.
Das Kommunikationsproblem löst eine Software, die ein virtuelles Abbild schafft, welches als universelle Kommunikationsschnittstelle geräte- und herstellerübergreifend funktioniert. Ein solches virtuelles Betriebssystem kann alle Maschinen steuern und konfiguriert Produktionsabläufe, während die Maschinen laufen. Zudem ist es möglich, eine Anlage zwei Aufträge parallel ausführen zu lassen.
All diese Kriterien erfüllt „Basissystem Industrie 4.0“, kurz BaSys 4.0, welches das Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE gemeinsam mit 14 Partnern aus Forschung und Industrie entwickelt hat. Die Open-Source-Middleware lädt den digitalen Zwilling einer Maschine, deren Daten einlaufen. Daraufhin weist BaSys 4.0 den Sensor an, in welcher Reihenfolge er seine Messwerte zu senden hat. Diese Normierung fehlte bisher. BaSys 4.0 führt Produktionsdaten eines Werkstücks zusammen und speichert diese in einer Verwaltungsschale ab, die diesem Werkstück zugeordnet ist. Das Werkstück und seine Daten laufen gemeinsam durch die Fertigungslinie.
Abb. 1: BaSys 4 Virtuelle Middleware (Bildquelle: Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE).
Aufbau einer Dateninfrastruktur bis in die SAP-Welt
Der Betrieb der Middleware verlangt eine hohe Datenverfügbarkeit, die sich mit den Softwarelösungen Kubernetes und Container sowie einer hyperkonvergenten Infrastruktur (HCI) erfüllen lassen. Eine HCI sichert den Betrieb dadurch ab, dass Storage und Compute unabhängig skalierbar sind. Daneben garantiert das System Anwendungen eine Mindestperformance über Quality of Service (QoS). Auf der HCI wird ein Kubernetes-Cluster eingerichtet um Container zu betreiben, in denen BaSys 4.0 läuft. Praktisch vereinfacht diese von NetApp konzipierte Referenzarchitektur das Ganze noch. In dieser automatisiert und orchestriert NetApp mit Kubernetes das Einrichten, Betreiben und Skalieren von Containern. (1)
Der Storage-Provisioner Trident von NetApp verbindet Container mit einem Persistency-Layer (Persistenzschicht). Während der Container bootet, wird nicht bloß der Speicher, sondern der letzte Datenstand bereitgestellt. Zudem machen NetApp Trident und Snapshots BaSys 4.0 im Container hochverfügbar. Der zentrale virtualisierte Datenspeicher wird mit der Software NetApp ONTAP Select verwaltet. So lassen sich alle gängigen Datenablagen in die Referenzarchitektur für einen Shopfloor (die Fertigung) einbinden.
(1) Anmerkung zum Text: Da in dem beschriebenen Umfeld Docker-Container anstelle von virtuellen Maschinen zum Einsatz kommen, ist eine persistente Speicherlösung unter Kubernetes als Container-Management zur Vereinfachung und Automatisierung des persistenten Container Storage notwendig. Vorteil: manuelle Tickets für die Bereitstellung entfallen und das (Self-Service-) Storage- & Datenmanagement in der Sprache des Containers wird möglich.
Fehlt noch die Dateninfrastruktur, um den Shopfloor mit dem ERP zu verbinden
Ein Spezialist wie objective partner integriert dazu die einzelnen Module wie MM, FI, CO oder CRM mithilfe des SAP Data Hubs oder Smart Data Access (SDA). So kommuniziert BaSys 4.0 mit dem SAP Data Hub, der die Daten in einem Standard von der Middleware geliefert bekommt, SAP-konform aufbereitet und an das ERP-System oder die SAP-Standard-Prozesse übergibt.
Ein Fazit:
Die durchgehende Digitalisierung vom Warenkorb über die Fertigung bis zum Versand lässt sich realisieren – mit Shopfloor 4.0, der gemeinsamen Lösung von Fraunhofer IESE, NetApp und objective partner. Diese verkettet die Referenzarchitekturen von BaSys 4.0 und SAP Data Hub. Unternehmen werden so befähigt, sich in Richtung Smart Factory zu bewegen. So rückt das Ziel der kundenindividuellen Massenanfertigung in Reichweite, bei der BaSys 4.0 als Verwaltungsschale den Auftrag aus dem SAP-System übernimmt und selbständig die Produktionsprozesse steuert. Der Mensch überwacht in dieser Produktionsumgebung die einzelnen Fertigungsschritte bis zur Auslieferung und kann regulierend eingreifen.
** Das Foto zeigt Jürgen Hamm, Solutions Architect bei NetApp Deutschland (Bildquelle: NetApp).
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