Die richtigen Interfaces für Spätentschlossene Die Digitalisierung der Produktionstechnik als Chance

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Dass an einer immer tiefergehenden Digitalisierung der Produktionssysteme langfristig kein Weg vorbeiführt, hat sich bei Herstellern, Betreibern und Dienstleistern des Maschinenbaus als Konsens etabliert. Zugleich sorgen Aussagen darüber, dass bestehende Geschäftsmodelle durch die Digitalisierung in Frage gestellt werden, aber immer wieder für Unsicherheiten. Das muss nicht sein. Gerade für die Maschinenbau-Branche ist die Digitalisierung mehr Chance als Bedrohung.

Die Maschinenbau-Branche mit ihrer typischen Struktur aus KMU und «Hidden Champions» hat weltweit sehr gute Voraussetzungen, die Digitalisierung nicht als Bedrohung, sondern als Chance für die Erweiterung bestehender Geschäftsmodelle und, langfristig, die Erschliessung neuer Märkte mittels neuer Technologien wahrzunehmen. Letztlich ist allen Business-Playern klar: Die Digitalisierung sichert langfristig die Wettbewerbsfähigkeit der OEM im Maschinen- und Anlagenbau. Was spricht für eine solche Sichtweise?

• 1. Der Weg zur Digitalisierung kann nur in vielen Einzelschritten erfolgreich beschritten werden. Für die Beteiligten kann es dabei nicht um allumfassende Sammelfunktionalitäten gehen, wie sie unter den Begriffen «IIoT», «Industrie 4.0», «Digital Engineering» und ähnlichem beschrieben werden. Es geht vielmehr um konkrete Ansätze, mit denen sich die Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Maschinen entlang des gesamten Life Cycle mit möglichst wenig Aufwand steigern lassen. Und weil die Automatisierung im Maschinenbau seit Jahrzehnten primär durch Digitalisierung vorangetrieben wird, sind es in erster Linie die entsprechenden OEM, die auf ihren Kernkompetenzen aufbauend diese Ansätze erfolgreich umsetzen können. Nur die OEM können zielführend konkrete Massnahmen umsetzen, die bereits vorhandene Funktionalitäten und Systeme mit den erfolgversprechendsten neuen Steuerungs- und Datenübertragungs­technologien kombinieren.

• 2. Die Digitalisierung in der Industrie wird oft in einem Atemzug mit dem Stichwort «Industrie 4.0» genannt. Damit wird das disruptive Potential der gegenwärtigen technischen Entwicklung mit den Auswirkungen der industriellen Nutzung von Dampfmaschinen, Elektrizität und Computern gleichgesetzt. Als plakative Beispiele für die Wucht der Veränderung werden gern erfolgreiche Player wie Amazon, Microsoft und Google genannt. Für den mittelständisch geprägten Maschinen- und Anlagenbau wirkt die Entwicklung dagegen zumindest teilweise als Bedrohung. Die Protagonisten der Digitalisierung versuchen, dem die Spitze zu nehmen. Hans Beckhoff, der Gründer und CEO von Beckhoff Automation, hat während einer IHK-Veranstaltung 2017 sehr treffend dargelegt, dass der Wandel eine Chance für die industrielle Fertigung bedeutet und dass das Tempo der Umwälzung geringer ist als zunächst angenommen: «Die Einführung der Dampfmaschine wirkt aus der heutigen zeitlichen Perspektive wie eine Revolution. Es hat damals aber mehr als ein halbes Jahrhundert gedauert, bis deren Einsatz in der Industrie zu gravierenden massenhaften Veränderungen führte.» Ähnlich solle man die Auswirkungen der Digitalisierung für die industrielle Produktion heute sehen. Sie stosse eine evolutionäre Entwicklung auf allen Ebenen und in allen Prozessen an. Beckhoff betont zugleich, dass diese Erkenntnis keinesfalls bedeutet, dass man die Hände in den Schoss legen soll. Gerade die Mutigen werden Beckhoff zufolge belohnt, wenn sie kreativ neue Business-­Modelle für Produktionssysteme entwickeln. Harting hat die Umsetzungsstrategien seiner Kunden analysiert und kann Beckhoffs Thesen nur bestätigen. Um mit Digitalisierungsprojekten nachhaltig Erfolg zu erzielen, empfiehlt es sich demnach vor allem, nicht alles sofort erreichen zu wollen.

Daten sind das neue Öl

Ob die Entwicklung nun revolutionär oder evolutionär verläuft: Einig sind sich die Beteiligten darin, dass Daten die Grundlage rationellerer Prozesse bilden – und zwar alle Arten von Daten. Der Slogan «Daten sind das neue Öl» bezog sich ursprünglich auf «Big Data» beziehungsweise die Speicherung und Verfügbarkeit von Konsumentendaten. Doch diese Charakterisierung lässt sich durchaus auf die Daten in der Industrie übertragen. Allerdings braucht man, um im Bild zu bleiben, auch für das «neue Öl» weiterhin funktionsfähige «Pipelines» und andere Strukturelemente. «Daten sind das neue Öl» beschreibt so nicht zuletzt die aktuelle Situation vieler Maschinen- und Anlagenbauer, die dabei sind, die Entstehung, Verarbeitung und Übertragung von Daten für ihre Produkte zu überarbeiten.

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Die «Daten-Sicht» der OEM für Produktionssysteme lässt sich heute so umschreiben:

• Die OEM sind Experten für viele bereits vorhandene technologische, maschinenahe Daten, für die Nutzung dieser Daten in ureigenen Maschinenfunktionen sowie für erweiterte Automatisierungsfunktionen;

• Auch die verstärkte Nutzung der «internen Intelligenz» der Automatisierungskomponenten wie Antriebe, smarte Sensoren, Aktuatoren oder HMI-Systeme mit allen dazugehörigen Daten-Übergängen gehört heute zum Standard-Werkzeug eines OEM;

• Zudem sind es alle möglichen Daten-­Übertragungsschichten auf der Ebene des Maschinen-Verbunds oder der Linie, die bekannte Datenentstehungs-, Maschinen-, User- und Prozess-Modelle nutzen, die auch als firmeneigenes Knowhow gelten;

• Aber: Im Sinne der Digitalisierung dürfen nicht alle genannten Daten-Strukturen und Übertragungsschichten, die Teil der Steuerungs- und Automatisierungssysteme sind, einfach «abgerissen» und durch neue ersetzt werden. Denn nahezu die gesamte Funktionalität moderner Produktionssysteme beruht auf Software und passenden spezifischen Schnittstellen; diese Funktionalitäten sind mit enorm hohem Material- und Engineering-Aufwand erarbeitet worden.

Ein erstes Fazit lautet deshalb: Um die Digitalisierung mit möglichst geringem Aufwand voranzutreiben und die mit ihr einhergehenden wachsenden Datenmengen zu bewältigen, müssen Maschinen- und Anlagenbauer vorhandene Datenstrukturen und Schnittstellen weiter nutzen können!

Neue und alte «Pipelines»

Im Sinne der Daten-Öl-Analogie müssen erprobte und ausreichend funktionsfähige «Pipeline-Strukturen» weiter genutzt und um neue «Pipelines» erweitert werden. So gelingt es den Unternehmen, die eigene Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern und neue Marktanteile im eigenen Segment oder in anderen Segmenten der Produktionstechnik zu gewinnen. Um es in den Begriffen der Steuerungstechnik für Industriesysteme zu sagen: Ein OEM im Maschinenbau braucht seine bewährten Feld-Busse und Schnittstellen für die evolutionäre Digitalisierung. Gleichzeitig sind passende physikalische Schnittstellen für den Ausbau neuer Systeme und Dienste im Edge-Bereich sowie für eine möglichst nahtlose Anbindung an die Welt des «Big Data» von Vorteil. Beherrscht man beide Disziplinen, ist man bestmöglich gerüstet, um die wachsenden und teilweise noch unbekannten künftigen Anforderungen der Maschinennutzer zu bewältigen.

Die richtungsweisenden Anforderungen für Entwicklungen im Zusammenhang mit der Digitalisierung, die im folgenden Abschnitt dargelegt werden, beruhen auf den Erfahrungen der Harting Technologiegruppe. Das Unternehmen stellt Lösungen für alle Arten von Daten-Interfaces moderner Antriebs-, Steuerungs-, HMI- und Kommunikationstechnik in den Produktionssystemen des Maschinenbaus bereit. Auch ist Harting Vorreiter bei vielen wegweisenden Entwicklungen für die Leistungs- und Signal-Übertragung im industriellen Umfeld. Im Bereich Industrial Ethernet werden von Harting unterschiedliche Standards auf dem Physical Layer massgeblich mitgestaltet: beispielsweise wird an Lösungen für die sogenannte SPE(Single Pair Ethernet)-Technologie aktiv mitgewirkt.

Jahrzehntelange Erfahrungen im Bereich Interfaces für Fabrikautomation, kombiniert mit der Expertise eines Trendsetters bei den neuesten Technologien der Datenüberübertragung (bis in die «Big Data»-Welt hinein), machen es aus Harting-Sicht möglich, immer für jede konkrete Interface-Ausgestaltung eine optimale Lösung auf dem Physical Layer zu finden. Mithilfe der richtigen Schnittstellen können die OEM die für sie so wichtige Migration in die Digitalisierung entscheidend vorantreiben. Dabei muss in jeder Lösung die jeweilige Applikation mit ihren mechanischen, Umwelt- und EMV-Bedingungen und weiteren Anforderungen kompromisslos führend bleiben.

Schnittstellen für die Datenübertragung

«Welches ist der einfachste und effektivste Weg, die Schnittstellen für die Datenübertragung bei Produktionssystemen auszulegen – auf allen denkbaren Ebenen der Fabrik und bis hinein in die Cloud‘?» Diese Frage sorgt oft für Kopfzerbrechen in den R&D- und Engineering-Abteilungen der Maschinenbauer, die einzelne konkrete Aspekte der Digitalisierung in ihren Projekten schrittweise ausgestalten wollen. Die Anforderungen, die es zu erfüllen gilt, lauten:

• Alle Arten von Daten-Interfaces sollen implementierbar sein, sowohl Altbewährtes als auch aktuelle Innovationen;

• Die Palette der Interfaces muss skalierbar sein, bedeutet: Der gleiche Schnittstellen-Typ kann in der jeweils erforderlichen normativen Ausführung, IP-Schutzart oder für jeweils erforderliche Umgebungsbedingungen (EMV, Beständigkeit gegen Schmutz, UV-Einstrahlung, mechanische Belastungen wie Schock und Vibration sowie die Erfüllung von Hygiene-Anforderungen) ausgelegt werden;

• Für die Übergänge zwischen Standorten oder Teilstrecken muss es möglich sein, sicher funktionierende und normkonforme Schnittstellen einzusetzen;

• Es muss Produkt-Varianten geben, die für unterschiedliche Fertigungs- und Mon­tage-Prozesse bei den OEM ausgelegt sind, zum Beispiel für die werkzeuglose Montage, falls Flexibilität erforderlich ist, oder für die automatische Montage, falls höhere Stückzahlen mit grosser Prozesssicherheit gefertigt werden sollen;

• Die Daten-Interfaces müssen miteinander kombinierbar sein, und sich mit anderen Signal- und Leistungsschnittstellen in einem Gehäuse oder sogar zusammen in einem Isolierkörper platzieren lassen, um Raum und Kosten zu sparen und Prozesse zu vereinfachen.

Der skizzierte Ansatz erlaubt es Entwicklern und Projektverantwortlichen, sich in der Entwurfsphase auf die für ihre jeweilige Anwendung zentralen Aufgaben zu konzentrieren – ohne Zeit auf die «Randkriterien» von Schnittstellen verwenden zu müssen. Sie können sich zugleich aber sicher sein, dass es für jede Ausbaustufe eines Maschinenmoduls oder einer Datenübertragungsstrecke eine passende Schnittstelle gibt. Die entsprechenden Lösungen sind sowohl kosten- und funktionsoptimiert als auch skalierbar. Ein kosteneffizienter, technisch einfacher Ausbau von Service-Leistungen und System-­Erweiterung auf allen Ebenen der Fabrik­automation und auch darüber hinaus lässt sich jederzeit, auch nachträglich, beim Maschinen-­Nutzer realisieren.

Die Grafik stellt den Ansatz komprimiert dar: Sie vermittelt einen Überblick über die bekanntesten Netzwerksysteme für industrielle Datenübertragung und beschreibt ausgewählte reale Harting-Lösungen, die als Produktfamilien dargestellt sind. Es wird deutlich, wie gross die Freiheit in der Auslegung der Daten-Interfaces tatsächlich ist: für praktisch jeden Typ der Feld-Busse oder Industrial Ethernet gibt es mehrere Möglichkeiten, den Physical Layer zu gestalten. Damit ist (fast) immer eine genau auf den Einsatzfall optimal passende Lösung möglich – auch für heute noch unbekannte und/oder für mitwachsende Anforderungen der Digitalisierung.

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