Industrie 4.0

Datenbasierte Innovationen: Wie Sie Daten Industrie-4.0-fähig machen

Laurent Schüller

© Shutterstock / Elenabsl

Heterogene Geräte, Anlagen und Maschinen, Unmengen ganz unterschiedlicher Daten: Das sind die Herausforderungen der Industrie 4.0. In der Praxis sind die meisten deutschen Unternehmen noch nicht bereit, diese Herausforderungen zu meistern.

Möchte man auf seinem Handy die Wettervorhersage für die nächsten drei Tage abrufen, fragt man die entsprechende App. Die gesuchte Info gibt es im Austausch gegen die eigenen Daten, zumindest zum aktuellen Standort und zur Gerätetypisierung. Man bezahlt also mit Daten und braucht nur einmalig sein Einverständnis auf dem Handy zu geben. Dieses Prinzip von Daten gegen Service funktioniert, solange der User für die Bereitstellung von sensiblen Informationen einen Mehrwert erhält, im besten Falle sogar genau steuern kann, wem welche Daten für einen bestimmten Zweck zugänglich gemacht werden. Anspruchsvoll wird es, wenn unterschiedliche Apps unterschiedliche Daten bereitstellen, die aber in Kombination einen neuen Mehrwert schaffen könnten – beispielsweise die Verknüpfung von Wetter- und Verkehrsdaten mit der Uhrzeit des nächsten Termins. Erwarteter Schneefall zur Hauptverkehrszeit macht es erforderlich, 17 Minuten früher zur nächsten Verabredung loszufahren. Für den Smartphoneuser ist ein solcher Hinweis nichts Ungewöhnliches mehr. Der Nutzer muss hierzu nur den Apps individuellen Zugriff auf seinen Kalender und die aktuelle Position geben.

Digitale Dienste für physische Geräte

Im Produktivumfeld hingegen konnte dieser Ansatz – Daten gegen digitalen Service für Industrieanwendungen – bis heute kaum gelöst werden. Die Herausforderung liegt nicht zuletzt darin, dass es sich statt allgemeiner Standortdaten um sensible Produktionsdaten handelt. Dennoch: Während industrielle Gerätehersteller die Betriebs- und Gerätedaten für das Anbieten von Mehrwertdiensten nutzen möchten, sieht der Gerätebetreiber hingegen die Gefahr der Einsicht in produktionssensible Informationen von außen. Das ist verständlich, aber für beide Seiten letztlich ein Nachteil.

Das Hamburger Start-up Cybus beschäftigt sich genau mit dieser Problemstellung: Die digitale Anbindung von vorhandenen Industriegeräten, um mit den gesammelten Daten digitale Mehrwerte zu ermöglichen. Im Wesentlichen sollen die Vorteile digitaler Onlinedienste ins physische Produktionsumfeld gebracht werden. Dabei müssen zu Anfang erstmal zwei große Probleme gelöst werden. Erstens müssen die oft heterogenen Geräte, Anlagen und Maschinen angeschlossen werden. Zweitens müssen die zum Teil nicht-vereinbaren Daten sicher und transparent verwaltet werden können, um hierauf digitale Dienste aufbauen zu können, wie Remote Monitoring, Predictive Maintenance oder komplett neue digitale Geschäftsmodelle. Grundlegend ist also die erste Herausforderung, Daten Industrie-4.0-fähig zu machen, die ursprünglich für reine Industrieschnittstellen vorgesehen waren.

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Schaut man in einen klassischen mittelständischen Betrieb, wird die Situation schnell deutlich. Im Schnitt liegen rund ein Dutzend unterschiedliche Schnittstellentypen bei Maschinen und technischen Anlagen vor. Der Aufwand, diese unterschiedlichen Schnittstellen auf dem Shopfloor miteinander zu verknüpfen, ist immens. Lösungen hierfür sind oft entweder zeit- und kostenintensiv oder verursachen eine große technische Abhängigkeit, im schlimmsten Falle beides.

Um digitale Mehrwertdienste für die Produktion zu ermöglichen, bedarf es zwei grundlegenden Bedingungen. Zum einen muss der Produktionsbetreiber als Datenlieferant volle Kontrolle über die Freigabe von einzelnen Daten haben, zum anderen müssen unterschiedliche Daten miteinander zu kombinieren sein.

Industrial Internet of Things

Das Industrial Internet of Things bezeichnet cyber-physische Systeme im Produktivumfeld. Sowohl moderne IIoT-fähige Maschinen, aber auch so genannte Legacy Devices, Geräte mit älteren Industrieschnittstellen, sollen an digitale Plattformen angebunden werden. Einerseits, um die dort vorhanden Daten zu heben, andererseits, um auf Basis dieser Daten bestimmte Mehrwertdienste zu ermöglichen. Diese Mehrwertdienste können unterschiedliche Zwecke erfüllen. Grundlegend wird unterteilt in Services zur

  • Verkürzung von Innovationszyklen
  • Steigerung der Produktivität
  • Vorhersage und zukunftsorientierter Analyse
  • Sicherstellung einer störungsfreien Betriebsbereitschaft
  • Kostenreduktion
  • Wartung und Rüstung
  • Automatisierung
  • Funktions- und Steuerungskontrolle
Abb. 1: Die Cybus Connectware bietet sowohl Geräteherstellern als auch -betreibern die Möglichkeit, Industrie-4.0-Services zu nutzen (Quelle: Cybus)

Abb. 1: Die Cybus Connectware bietet sowohl Geräteherstellern als auch -betreibern die Möglichkeit, Industrie-4.0-Services zu nutzen (Quelle: Cybus)

Der Status quo liegt bei einem Prozent

In der Praxis sind die meisten deutschen Unternehmen nach wie vor weit weg vom Industrie-4.0-Zeitalter. Dabei ist es nicht der fehlende Innovationswille, sondern vielmehr das fehlende Bewusstsein für Potenziale, die das Industrial Internet of Things bietet. Selbst in Betrieben, die sich um die Anbindung von Daten aus Geräten und Anlagen bemühen, kann man davon ausgehen, dass laut jüngster Analysen der Unternehmensberatung McKinsey & Company tatsächlich nur rund ein Prozent der existierenden Daten auch genutzt werden. Der aktuelle Ist-Zustand ist also noch weit entfernt von den Möglichkeiten, die eine kombinierte und ausgereifte Industrie 4.0 parat hält. Dabei muss sich nicht der Fabrikbetreiber als erstes bewegen und die Datensicherheitsbedenken überwinden. Es ist viel eher notwendig, das Gerätehersteller hier tatsächlich nutzbringende Services anbieten, für die es sich lohnt, als produzierendes Unternehmen die eigenen Daten zur Verfügung zu stellen.

Denn der übliche Praxisfall sieht heutzutage noch vor, dass z. B. die Temperatur in einem Kühlaggregat ausgelesen und die Sensordaten zum aktuellen Zeitpunkt grafisch dargestellt werden. Was sich aber exemplarisch und ohne großen Mehraufwand realisieren ließe, kann man sich leicht selbst ausmalen. Beispielsweise die Kombination der Temperaturdaten für den Zeitpunkt in zwei Stunden, basierend auf historischen Daten. In Kombination mit dem Stromverbrauch ließe sich ein intelligenter Stromverbrauch umsetzen, der die Kühlung frühzeitig deaktiviert ohne in Grenzbereiche zu kommen, jedoch dafür die Verbrauchskosten drastisch senkt. In Szenarien, bei denen man hundert oder mehr Kühlgeräte auf einer Werksstraße in Betrieb hat, ließe sich der Kostennutzen deutlich erkennen. Nur: Wie kommt man an genau diese Daten und macht sie sich wirklich zu nutzen?

Edge vs. Cloud

An der Schnittstelle zwischen lokalen Daten und externen Diensten muss eine sichere Verwaltung von einzelnen Datenpunkten jederzeit möglich sein. Das ist die bisher größte Schwachstelle von Cloud-Anbietern und Anbietern von Rechenzentren. Denn der Datenproduzent, das Unternehmen, gibt die Kontrolle ab, sobald die Daten die eigene IT-Infrastruktur verlassen. Um das zu verhindern, wurde von Beginn an eine intelligente Prozessverarbeitung der einzelnen Datenquellen mitberücksichtigt, was automatisch mit impliziert, dass sowohl der Fabrikbetreiber als auch der Gerätehersteller jeweils nur die Datenpunkte erhalten, die für ihre Zwecke notwendig sind.

Edge Intelligence in der Industrie 4.0

Unter Edge Intelligence versteht man die Erhebung, Verarbeitung und Verwaltung von Daten möglichst nahe an der Datenquelle. An diesem Punkt wird Systemen erlaubt, operationale Entscheidungen zur Weitergabe oder -verarbeitung zu treffen. Das kann sowohl voll- als auch teilautomatisiert stattfinden. Das größte Differenzierungsmerkmal: Bei Cloud-Diensten werden die gesammelten Daten zuerst in die externe Cloud geladen. Dort werden sie verarbeitet und nach Entscheidung wieder aus der externen Cloud zum internen Nutzer geschickt. Das spart Speicherkapazitäten, die auf die Cloud ausgelagert werden, birgt jedoch Risiken in der Datensicherheit.

Das erst ermöglicht die virtuelle Zuteilung und individuelle Freigabe aller vorliegenden Datenpunkte. Beispielsweise die Betriebstemperatur einer Schaltschrankkühlung, die Unterbrechung in einer Lichtschranke oder die Werte eines Drucksensors in einem Kompressor. Der Shopfloor-Betreiber kann somit gezielt einsehen und verwalten, welche Daten z. B. für den jeweiligen Maschinenhersteller für Fernwartungszwecke zur Verfügung gestellt werden. Hierbei muss er nicht in Kauf nehmen, dass Zugriffs- oder Auslesemöglichkeiten von außen bestehen. Diese Access-Control-Ebene fehlte bislang bei Systemintegrationen. Simple Handhabung der Datenzugangs- und Verteilrechte ist damit kein Feature, sondern wird zur notwendigen Bedingung. Die Vereinfachung der Datenfreigabe steht damit einem direkten Mehrwert gegenüber. Ist der Fabrikbetreiber einverstanden, dem Gerätehersteller Sensordaten zur Verfügung zu stellen, ist dieser in der Lage, dem Fabrikbetreiber im Gegenzug über ein einziges API oder eine Vorverarbeitungsschnittstelle digitale Mehrwertdienste zu bieten.

Industrie-4.0-Standort Deutschland

Gerade im Mittelstand wird das Thema Industrie 4.0 nach wie vor nur schleppend vorangetrieben. Spitzenreiter bei der Umsetzung von IIoT-Initiativen sind nach wie vor die Großen: Angeführt von der Automobil- und Automobilzuliefererbranche. Zumindest wenn man den neusten Marktuntersuchungen durch den Beratungsriesen EY und Bitkom folgt. Das sich klassische, mittelständische Betriebe dabei noch schwertun, obwohl hier die deutlich größte und dynamischste Innovationskraft angesiedelt ist, liegt vor allem an den Einstiegshürden. Schnelle Umsetzung scheitert an der technischen Anbindung der eigenen Geräte. Die Einführung in den tatsächlichen Produktivbetrieb scheitert wiederum an der fehlenden transparenten Daten- und Zugriffsverwaltung. Beides sind Hürden, die bisher vom falschen Ende bezwungen wurden. Anstatt Geräte technisch auf den Stand einer Industrie-4.0-Lösung zu bringen, bauen wir die Lösung auf die Anforderungen der Geräte. Denn die Daten sind schon da. Es fehlte bisher allein an einer sicheren, unabhängigen Plattform, die die Daten aus den vorhanden Anlagen und Geräten holt und darüber hinaus aber auch die Daten dann in den Gesamtkontext weiterführender IIoT-Mehrwertdienste fortführt.

Damit geht auch ein kleiner Paradigmenwechsel einher. Denn effiziente Anwendungsszenarien im Industrial Internet of Things werden durch unterschiedliche Lösungen und Anbieter für Industrie-4.0-(Mikro-)Dienste in Kombination erbracht. Das Prinzip von Industrie 4.0, die Fabrik als räumliches Gebilde aufzubrechen und in ein digitales, über weltweit verteilte Standorte verknüpftes Value Network zu betrachten, wird unvermeidbar. Dabei fallen sogar die alten Muster der klassischen Wertschöpfung, zumindest auf den ersten Blick. Es herrscht nicht mehr das bislang übliche Lieferanten-Kunden-Verhältnis. Cybus bindet seine Connectware in ein eigenes Ökosystem für das Industrielle Internet of Things ein. Somit bereitet die Connectware letztlich auch anderen weiterführenden Anbietern von Services oder Lösungen das Feld. Denn gerade OEMs haben ein großes Interesse daran, ihren Kunden in Zukunft digitale, skalierbare Geschäftsmodelle bieten zu können.

Es gibt nicht mehr den einen Anbieter – digitale Transformation ist ein Ökosystem

Der Mehrwert von Netzwerken wird in Zukunft eine noch größere Rolle spielen. Das gängige Modell der Wertschöpfungskette, bei dem Ressourcen und Dienste durch wenige Lieferanten bereitgestellt, verwertet und innerhalb eines linearen Prozesses schließlich vermarktet werden, findet in der Praxis immer weniger statt. Vielmehr ist eine moderne Produktion inzwischen völlig dezentral, mit unterschiedlichen Akteuren und Konstellationen, zum Teil sogar ortsunabhängig. Wenn man sich eine Fabrik heute anschaut, besteht sie nicht mehr aus einer großen Werkshalle mit 20 Maschinen. Eine Fabrik besteht heute aus einer Komponentenfertigung in Tschechien und Asien, einer Cloud, einer Logistiklösung mit Rechenzentrum in Karlsruhe, einer Produktionsplanung in Stuttgart, Lager in Bad Hersfeld und Endfertigung in Duisburg. Zentral ist im besten Falle heutzutage nur noch die Lohnbuchhaltung. Andererseits besteht auf Seiten der Gerätehersteller schon lange der Wunsch, nicht mehr als klassischer Lieferant von Industriegeräten und Komponenten wahrgenommen zu werden. Es soll der Service, die Wartung und die Bereitstellung von Geräten als Gesamtleistung verstanden werden. Ganz geschafft ist es noch nicht. Mit digitalen Mehrwertdiensten kommt man diesem Wunsch aber inzwischen immer näher.

Geschrieben von
Laurent Schüller
Laurent Schüller
Laurent Schüller leitet beim Start-up Cybus das Marketing und beschäftigt sich seit 2011 mit datenbasierten Innovationen und Geschäftsmodellen sowie deren Einfluss auf etablierte Branchen. Zwischenstationen waren unter anderem Start-ups in der Unterhaltungs- und Finanzwirtschaft. Laurent Schüller hat einen Abschluss in Public Relations & Journalism der University of Bedfordshire Business School.
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