Trendthema digitaler Wandel

Die Entwicklungen zur Industrie 4.0 bedürfen neuer Strategien

| Autor / Redakteur: Jörg Hecke* / Florian Karlstetter

Sensoren, Aktoren oder Speichermedien per Fernzugriff nutzen: Wie sich mit Hilfe von USB-Deviceservern eigentlich nicht-netzwerkfähige Industriegeräte in ein Netzwerk und damit auch an die Cloud einbinden lassen.
Sensoren, Aktoren oder Speichermedien per Fernzugriff nutzen: Wie sich mit Hilfe von USB-Deviceservern eigentlich nicht-netzwerkfähige Industriegeräte in ein Netzwerk und damit auch an die Cloud einbinden lassen. (Bild: gemeinfrei (geralt / pixabay) / CC0)

Bereits seit Jahren wird der digitale Wandel zum vermeintlichen Strategiethema Nummer Eins stilisiert. Mit der Notwendigkeit eines industriellen Umdenkens geht auch eine digitale Revolution mit vielen unternehmerischen Anpassungen einher.

Auf dem Weg zur Industrie 4.0 gibt es bekannte Hürden und viele neue Herausforderungen. Dabei spielen eine Neu-Definition und letztlich der Umgang mit Daten eine erhebliche Rolle. Auch die Entscheidung, gute, bewährte Hardware auszutauschen oder einzubinden, zählt zur digitalen Strategie.

Fertigungsindustrie und Cloud

Im Rahmen der Industrie 4.0 kommt der intelligenten digitalen Vernetzung ein besonderer Stellenwert zu. Sämtliche produktionsrelevanten Bereiche, egal ob Mensch oder Maschine, müssen miteinander kommunizieren und kooperieren. Dabei werden unglaubliche Mengen an Daten ausgetauscht. Das Industrial Internet of Things (IIoT) macht eine solche Interaktion möglich, indem es die Komponenten der Produktionsumgebung mit dem Internet und untereinander verknüpft. Ziel ist es, die „Dinge“ selbstständig zusammenarbeiten zu lassen. Dafür müssen unter anderem sämtliche den aktuellen Zustand betreffende Informationen – dazu zählen beispielsweise Umweltbedingungen, Maschinenzustände und verfügbare Ressourcen – automatisch erfasst und digital zur Verfügung gestellt werden, damit sie ebenso automatisch ausgewertet und geregelt werden können.

Hierbei spielt nicht zuletzt die Cloud eine entscheidende Rolle, denn sie stellt die für die Daten-Analyse und -Verarbeitung notwendigen Ressourcen zur Verfügung. Mit den Diensten Infrastructure-as-a-Service (IaaS), Platform-as-a-Service (PaaS) oder Software-as-a-Service (SaaS) ist sie der maßgebliche Faktor für die bedarfsgerechte und ökonomische Bereitstellung der benötigten IT-Infrastrukturen – von grundlegenden Kapazitäten bis hin zur spezialisierten Software.

Intelligente Fertigungsprozesse mit IIoT und Cloud sind durch diese „smarte“ Verbindung von physischer und digitaler Welt der wohl zukunftsweisendste Wettbewerbsfaktor schlechthin, weil sie über Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Produktion entscheiden. Für Unternehmen bedeutet dies, dass sie nicht nur in den digitalen Ausbau investieren, sondern auch komplett neue Strategien entwickeln müssen. Allerdings stellt dieser Ansatz vor allem die besonders Hardware-affine industrielle Produktion vor große Herausforderungen.

Cloud-Vorteile auch in Kombination mit (alter) Fertigungs-Hardware

Cloud-Lösungen bieten gewaltige Vorteile gegenüber traditionellen IT-Ansätzen. Wer Hardware- und Software-Ressourcen nach Bedarf einkauft, spart Anschaffungs-, Einrichtungs-, Verwaltungs- und Betriebskosten. Der bedarfsgesteuerte Bezug erlaubt größte Flexibilität, Ressourcen können mit wenigen Klicks hinzugefügt wie auch wieder entfernt werden. Hard- und Software können schnell und vor allem passgenau skaliert werden. Auch der Druck, eine ausreichend leistungsfähige und zuverlässig verfügbare Hardware zu haben, entfällt, weil das jetzt in der Verantwortung des Cloud-Anbieters liegt. Die in der Cloud zur Verfügung gestellten Ressourcen müssen nicht 24/7 durchlaufen, sondern können in ungenutzten Zeiten heruntergefahren, damit auch nicht berechnet werden. Das birgt enormes Einsparpotential, da nicht alle Produktionsanlagen oder die Verarbeitung im Backend kontinuierlich in Betrieb sind.

Für Fertigungsprozesse ist die Cloud aber nur eine Teil-Lösung: Maschinen und Geräte, also die Fertigungsanlagen, können letztlich nicht über Cloud-Services bezogen werden. Sie stehen weiterhin an den Produktionsstätten und müssen in das große Ganze eingebunden werden – auch in die Cloud-Struktur des Unternehmens. Und nicht selten finden sich die Produktionsumgebungen an weiteren Standorten, verteilt über Stadtteile bis hin zu unterschiedlichen Kontinenten. Für die Integration der Fertigungsumgebung in die Cloud-Struktur ergeben sich damit meist komplexe und unternehmensspezifische Szenarien. Vielfach sind Veränderungen oder Anpassungen im Produktionsablauf mit hohen Kosten und Produktionsausfällen verbunden.

Besonders die Implementierung des IIoT ist in industriellen Umgebungen oft mehr als problematisch: dort werden Hardwarekomponenten langjährig genutzt. Während im Enterprise-Bereich circa alle 3 bis 5 Jahre neue Anschaffungen getätigt werden, nutzen Produktionsumgebungen die physischen Einheiten durchaus 10 bis 20 Jahre. Aufgrund der höheren Anschaffungskosten – etwa durch Spezialisierung, Robustheit gegenüber harschen Umgebungsbedingungen oder auch Einzigartigkeit – rechnet sich die Hardware sonst nicht. Auch die Zuverlässigkeit spielt eine wichtige Rolle im laufenden Fertigungsbetrieb, denn die Geräte haben sich oftmals bewährt und garantieren geringste Ausfallzeiten. Aus dieser Situation ergeben sich die zwei entscheidenden Fragen: Wie verwandelt man alte, nicht-smarte Fertigungstechnik in moderne IIoT-Geräte, damit sie in die Unternehmens-Cloud-Struktur integriert werden können? Und das möglichst einfach, schnell und ökonomisch?

Die Antwort auf alle aufgeworfenen Probleme und Fragen sind spezielle Geräte, mit denen vorhandene Hardware angepasst und/oder digital modernisiert werden kann.

USB ist seit geraumer Zeit einer der digitalen Standards schlechthin. Allerdings sind USB-Geräte per se meist nicht netzwerkfähig und können damit nicht oder nur auf sehr aufwendige Weise (z.B. über Industrie-PCs) an Cloud-nutzende Industrieumgebungen angeschlossen werden. Dieses Manko beheben USB-Deviceserver: das Industriegerät wird per USB-Verbindung an den USB-Deviceserver angeschlossen. Dieser überträgt das USB-Signal via Ethernet. Dabei spielt es keine Rolle, ob dies über ein internes Netzwerk oder das Internet geschieht. Es handelt sich also um eine digitale USB-Kabelverlängerung. Konkret werden Daten jeglicher USB-Geräte ¬– etwa von Sensoren, Aktoren oder Speichermedien – an einen Client-PC oder Server übertragen, der sich wiederum in der Cloud befindet.

Mit USB-Deviceservern können USB-Geräte somit flexibel per Fernzugriff genutzt werden, gleichzeitig ist es aber ganz so, als ob sie lokal angeschlossen wären. Damit sind die nicht-netzwerkfähigen Industriegeräte in das Netzwerk und die Cloud des Unternehmens einbindbar. Gleiches ist ebenfalls für ältere Standards machbar, wie bei seriellen Schnittstellen, die auch heutzutage noch in der industriellen Fertigung Verwendung finden. Für diese gibt es Schnittstellen-Adapter. Beispielsweise können die seriellen Geräte über einen Seriell-zu-USB-Adapter an den USB-Deviceserver angeschlossen werden und sind über diesen Seriell-zu-USB-Schlenker ebenfalls in die Cloud integriert.

Bei dieser Digitalisierung muss zwingend der Aspekt der Informationssicherheit berücksichtigt werden. Besonders Betriebs- und Produktionsgeheimnisse müssen unter allen Umständen gewahrt werden – denn in den meisten Fällen hängt die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens davon ab. USB-Deviceserver punkten hier abermals und bringen entsprechende Schutzfunktionen zur Absicherung ihrer selbst und der Produktions-Hardware im Netzwerk mit. Dazu zählen verschlüsselte Verbindungen, Authentifizierung und Zertifikatverwaltung. Zugriffe von außen auf die eingebundenen Geräte können verhindert werden. Es besteht die Möglichkeit, vorab zu definieren, welche Geräte überhaupt angeschlossen und vom USB Deviceserver erkannt werden.

Anpassungsfähige Hardware im industriellen Gesamtkonzept

Eine weitere Besonderheit industrieller Fertigung sind die Umgebungsbedingungen. Wenn neue Geräte wie USB-Deviceserver integriert werden, müssen diese unter Umständen Verschmutzungen, Wasser, Hitze, Kälte, Chemikalien usw. standhalten können. Aus diesem Grund gibt es neben den Standardausführungen für Büroumgebungen spezielle Modelle für die Industrie. Durch besondere Gehäuse und andere Schutzmechanismen wie Überspannungsschutz können sie problemlos in rauen Umgebungen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind die USB-Deviceserver meist auf weitere Anforderungen im Industriebereich abgestimmt und lassen sich etwa auf Hutschienen montieren oder verfügen über eine Relais-Funktionalität zum Schalten von zusätzlichen Verbrauchern in Abhängigkeit von Zustandsänderungen, Ereignissen und vielem mehr.

Die Anschaffungskosten der USB-Deviceserver und Adapter sind verhältnismäßig gering, sodass sie eine wirtschaftlichere Lösung sind als z.B. Industrie-PCs. Zudem sind sie einfach zu handhaben. Physisch nehmen die Geräte als kleine Box in der Produktionsumgebung kaum Platz ein und haben einen äußerst geringen Stromverbrauch. Sie generieren somit kaum Folgekosten. Selbst die robusten Industrievarianten sind oft auf platzsparende Installation im Schaltschrank ausgelegt. Durch die geringen Abmessungen und die schnelle Installation sind die notwendigen Anpassungen in den Fertigungsumgebungen minimal. Nachdem die Installation mit wenigen Handgriffen durchgeführt ist, erfolgt die Konfiguration über die Weboberfläche des USB-Deviceservers.

Da die USB-Deviceserver Netzwerkgeräte sind, kann bequem von einem beliebigen Standort über das Netzwerk auf das Gerät zugegriffen werden, um sie zu konfigurieren und später zu administrieren und zu warten. Künftige physikalische Eingriffe sind nur notwendig, wenn neue Prozesskomponenten angeschlossen werden. Die USB-Deviceserver selbst benötigen keine mechanische Wartung, und als spezielles Embedded System ohne zusätzliche offene Ports kommen sie auch ohne regelmäßigen Softwareupdates sowie Malware- und Virenchecks aus. Das reduziert die laufenden Kosten praktisch auf null.

Jörg Hecke, Produktmanager bei der Bielefelder SEH Computertechnik GmbH
Jörg Hecke, Produktmanager bei der Bielefelder SEH Computertechnik GmbH (Bild: SEH)

Ein weiterer Vorteil durch diese einfache Integration der USB-Deviceserver ist es, kurzfristige und zeitbegrenzte Änderungen an der Industrieumgebung vornehmen zu können. Beispielsweise können Mess- und Analysegeräte oder neue Hardware bzw. Teststellungen für einen begrenzten Zeitraum eingebunden werden. Big Data als eine der tragenden Säulen in der Industrie 4.0 steht damit nichts im Wege und ermöglicht dem Unternehmen fortschrittliche Analytik. Durch die als SaaS zur Verfügung gestellten Module können auch kleinere und mittelständische Unternehmen auf die immer wichtiger werdenden Werkzeuge wie Machine Learning, Predictive Maintenance oder Predictive Analytics zugreifen und von deren Möglichkeiten profitieren und sich Wettbewerbsvorteile sichern.

*Der Autor: Jörg Hecke, Produktmanager bei der Bielefelder SEH Computertechnik GmbH

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