Top industrielle Konnektivität und digital

By Lisa Eitel | March 4, 2023

Im ersten Teil dieser Design World Trends-Reihe hörten wir von Branchenexperten über die Edge-Geräte der diskreten Automatisierung; Bemühungen zur Förderung von Standards für verbesserte Systemkompatibilität und Interoperabilität; und der Aufstieg des Fog Computing sowie der industriellen Nutzung drahtloser Technologien wie 5G. In diesem Folgebeitrag erläutern wir die ganzheitlichen Ansätze, die ein Unternehmen zur Umsetzung einer digitalen Transformation benötigt.

Sandro Quintero | Geschäftsentwicklung für elektrische Automatisierung • FestoWill Morris | Kategoriemanager • RS Americas Inc.Paul Thompson | VP Solutions Engineering • MatterportChris Gottlieb | Direktor – Antriebe und Steuerungen • KollmorgenBill Paczkowski | Leitender Produktmanager für PACEdge • EmersonCraig Scott | CEO und Präsident • MFGxBoaz Eidelberg | CTO • SAAR Inc.Pramit Nandy | Produktmarketingmanager – 16-Bit-Mikrocontroller-Abteilung • Microchip TechnologyJP Wollersheim | Leitender Direktor für Produktmanagement • Matterport

Eine digitale Transformation (DX oder DT) ist die Anwendung von Software, programmierbarer Hardware und Betriebstechnologien (OTs), um die Abläufe und Endprodukte eines Unternehmens grundlegend zum Besseren zu verändern. DX-Programme können von Industrieunternehmen, Maschinenbauern und einer Vielzahl anderer Unternehmen durchgeführt werden; Zu den beteiligten OTs gehören in der Regel Maschinenüberwachungssysteme, Konnektivität sowie Online-Web- und Cloud-Zugriff – insbesondere über Tools mit Internet-of-Things-, IIoT- oder Industrie 4.0-Funktionalitäten.

Paczkowski: Fog Computing umfasst die Datenverarbeitung, -speicherung und -verarbeitung in einem lokalen Netzwerk an einem Standort. Obwohl Edge-Geräte wie Sensoren und SPS immer leistungsfähiger werden (und Unternehmens- oder Cloud-basierte Ressourcen über enorme Fähigkeiten verfügen), können Benutzer mit Fog Computing vor Ort effizient und stabil, mit geringer Latenz und sicher mit großen Datenmengen arbeiten.

Emerson bietet ein vollständig integriertes Portfolio an Hardware- und Softwaretechnologien, mit denen Ingenieure digitale Transformationen neuer und älterer Geräte auf allen Ebenen realisieren können – von peripheren Feldgeräten über Schalttafeln und Kontrollräume bis hin zum Unternehmen und der Cloud.

Nandy: Komplexe Produkte erfordern vernetzte und sichere Geräte. Die Lösungen von Microchip unterstützen M2M-Sicherheit mit gesicherten Bootvorgängen, gesicherten Firmware-Upgrades, gesicherter Kommunikation und gegenseitiger Authentifizierung. Mit unseren Lösungen können Benutzer die Netzwerkverfügbarkeit erhöhen und Remote-Bereitstellungen sicher durchführen.

Auch die Robustheit, Zuverlässigkeit und Sicherheit industrieller Systeme wird wichtiger denn je. In einigen Anwendungen sind Sicherheitsanforderungen formalisiert und verbindlich, während sie in anderen Fällen umgesetzt werden, um das Produkt dadurch zu differenzieren, dass es sicherer und zuverlässiger wird. Die funktionale Sicherheitshardware, -software und -dokumentation von Microchip hilft Ingenieuren bei der Entwicklung äußerst robuster und sicherheitskonformer Systeme.

Paczkowski: Edge-fähige IPCs können als Nebelumgebungen dienen, über die Entwickler schnell Analysen und andere fortschrittliche Computer bereitstellen können. Eine weitere Option ist eine Hybridplattform mit einem Edge-Controller mit deterministischer Echtzeitsteuerung vom SPS-Typ und Allzweck-PC-Rechenressourcen.

Tatsächlich ist Fog Computing ein hervorragendes Sprungbrett für die lokale Entwicklung von Lösungen, bevor diese in die Cloud skaliert werden. Darüber hinaus gibt es viele datenintensive digitale Transformationsanwendungen, bei denen die Datentransportkosten erheblich sein können. Hier wird eine Fog-Computing-Lösung bevorzugt, um Daten zu aggregieren und vorzuverarbeiten, bevor sie in großen Mengen auf andere Unternehmensressourcen übertragen werden.

Bild zur Optimierung des Prozessablaufs: Dreamstime • Tsingha25

Die erfolgreichsten digitalen Transformationen binden jeden Mitarbeiter im Unternehmen ein, vom Management bis zum saisonalen Werkspersonal, und entwickeln sich kontinuierlich als Reaktion auf quantifizierte Ergebnisse und Personalfeedback weiter.

Aber unabhängig davon, ob sie von einem internen Team einer Organisation oder von beauftragten Beratern ins Leben gerufen werden, können Initiativen zur digitalen Transformation bei etablierten Unternehmen auf Widerstand stoßen – insbesondere bei von Natur aus skeptischen Ingenieuren. Dieses Problem wird dadurch verschärft, dass Produkte, die DXs unterstützen, von Natur aus auf die Verwendung ergänzender Elemente angewiesen sind, um zu funktionieren. Das bedeutet, dass ein bestimmter intelligenter Sensor (um ein Beispiel zu nennen) die Übernahme und Integration Dutzender anderer unterschiedlicher Komponenten und Elemente erfordern kann, um eine größere Initiative zu unterstützen. In einigen Fällen verzichten die Anbieter solcher Komponenten und Tools auf Marketing, das IoT-Funktionen anpreist, und setzen stattdessen auf Kommunikation, die sich stattdessen mit den spezifischen Geschäftsanliegen einer Branche befasst.

Zulieferer, die am besten für die Unterstützung digitaler Transformationen von Geschäftsmodellen gerüstet sind, sind diejenigen mit langjähriger Erfahrung in der Technik und Fertigung sowie umfangreichen Produktlinien mit intelligenten Produkten und Dienstleistungen, die Datenanalysen nutzen. Obwohl alle Unternehmen geschäftskritische Probleme haben, die (wenn sie gelöst werden) Quantensprünge im Geschäftsmodell bedeuten könnten, sollten diese Probleme nicht in aufkommenden DX-Versuchen angegangen werden. Der klügste Ansatz für eine Ersteinführung ist, im Kleinen mit überschaubareren Prozessen anzufangen, die Verbesserungen erfordern.

Mitsubishi Electric Automation, Inc. hat seine 3D-Simulatorsoftware MELSOFT Gemini veröffentlicht, mit der Benutzer die Planung und Konstruktion von Fertigungsprojekten beschleunigen können, wenn sie neue Automatisierungskomponenten in ihre Anlage einführen. Durch die Verbindung mit verschiedenen Software- und Fabrikgeräten ermöglicht Gemini die Visualisierung, Simulation und Optimierung von Arbeitsabläufen. Gemini nutzt einen PC-basierten digitalen 3D-Raum und stellt eine direkte Verbindung zu Fabrikgeräten her, ohne dass ein OPC-Server verwendet werden muss. Dadurch können 3D-Daten in digitalen Räumen etwa zwölfmal schneller aktualisiert werden als in OPC-Umgebungen. Da Ingenieure die Software für ihre Verifizierungszwecke nutzen, können sie die Automatisierungslogik für Maschinen und Anlagen testen und debuggen sowie den Betrieb der geplanten Produktionsanlage vor dem Bau prüfen.

Der erste Schritt zu einem erfolgreichen DX besteht darin, bestehende interne Probleme eines Unternehmens oder die gesamte Branche zu definieren. Trotz der Unterschiede zwischen den Branchen gibt es gemeinsame Herausforderungen in der industriellen Automatisierung, im Energiemanagement, in der Gebäudeautomation, in Rechenzentren und bei öffentlichen Versorgungsunternehmen. Am besten vertraut mit den Problemen, die einer Lösung bedürfen, sind Mitarbeiter der Informationstechnologie (IT) und diejenigen, die den Betrieb und die Geschäftsbereichsdienste direkt unterstützen. Sie haben auch am häufigsten Wunschlisten für Konnektivität – sei es für:

• Automatisierungsfunktionen (über Geräte-, Steuerungs-, Maschinen- und Cloud-Integration) oder • Datenzugriff und -nutzung, die für IIoT-Funktionalitäten so wichtig sind.

Zu den führenden Trends für Ersteres zählen der Aufstieg des Edge Computing (einschließlich der Verwendung von Industrie-Gateways) sowie Dienste, die Cloud-Konnektivität, Ethernet-basierte Netzwerke, drahtlose Kommunikation für Industriekomponenten, verschiedene Formen standardisierter Protokolle und Open-Source-Programmierung unterstützen Code und die Vereinheitlichung von Softwareumgebungen, um die Interoperabilität zu erleichtern. Für Letzteres sind der automatisierte Austausch von Unternehmensdaten sowie fortschrittliche Analysen und künstliche Intelligenz (KI) die IoT-Fähigkeiten, die den DX-Bemühungen zugrunde liegen. Der konnektivitätsintensive Charakter solcher DX-Implementierungen bedeutet, dass viele Unternehmen sie über IT-Abteilungen finanzieren und unterstützen, die im Gegenzug über die IoT-Netzwerk-, Datenspeicher- und Verbesserungsprogramme, die das Unternehmen entwickelt, bereitstellt oder einsetzt, auf dem Laufenden bleiben müssen.

Kompatibel mit AP und anderen Standards sorgen Festo CPX-AP-I-Systeme für eine nahtlose Kommunikation. Dezentrales I/O bietet erweiterte Designfunktionen.

Wenn Unternehmen Branchenteams in DX-Initiativen einbeziehen, können sie häufig bei der Lösung von Herausforderungen helfen, mit denen F&E-, Engineering-, Betriebs-, Wartungs- und Unternehmensteams konfrontiert sind. Die Lösung solcher betrieblicher Probleme kommt letztendlich den Endbenutzern und anderen externen Einheiten zugute, die mit der Organisation interagieren.

Wollersheim: Wir haben kürzlich Property Intelligence eingeführt – eine proprietäre KI, die jede Immobilie oder jedes Portfolio in großem Maßstab analysieren kann. Diese Erkenntnisse helfen Managern bei der Beantwortung geschäftskritischer Fragen und verkürzen die Zeit, die für die Erstellung praktischer Analysen benötigt wird, drastisch … und generieren in vielen Fällen bisher unerreichbare Erkenntnisse. Tatsächlich nutzte Airbnb kürzlich Property Intelligence, um eine Reihe von Häusern der Marke Adapted zu analysieren und zu überprüfen, um sicherzustellen, dass sie den Barrierefreiheitsstandards für Gäste mit Mobilitätsbedürfnissen entsprechen.

Eidelberg: Wir planen, bald zwei Produktlinien für künstliche Intelligenz (KI/ML) anzubieten – den RoboChair und den Exollent, um Menschen unterstützende Mobilität zu ermöglichen. Beide können über drei verschiedene Controller laufen. Für ältere Benutzer, die Hilfe beim Aufstehen benötigen, kann ein Bang-Bang-On-Off-Controller ausreichend sein. Oder ein PID-Regler, der ein bestimmtes Bewegungsprofil ausführt, könnte einem Patienten bei der Rehabilitation helfen. Oder ein Reinforcement-Learning (RL)-Bewegungscontroller mit Hunderten optimierter neuronaler Netzwerkparameter könnte autonome Funktionen steuern, um hochbehinderte Patienten zu unterstützen. Letzterer lernt durch Simulation, die Leistung mithilfe einer Belohnungsfunktion zu optimieren – einschließlich des Ausgleichs widersprüchlicher Sicherheits-, Geschwindigkeits-, Leistungs- und Komfortparameter. Das System wird die Umgebung über Gyrometer, Positions- und Kraftsensoren verfolgen und autonome Aktoren antreiben. Sobald RL-Simulationen ihren maximalen Nutzen erzielen, werden die Steuerungsparameter des neuronalen Netzwerks in einem realen System eingesetzt und als modellfreier Controller ausgeführt.

Einige auf die industrielle Automatisierung ausgerichtete KI können Anlagen und Maschinen analysieren, um Managern bei der Beantwortung geschäftskritischer Fragen zu helfen und den Zeitaufwand für die Beschaffung nützlicher Analysen zu minimieren. Bild: AdobeStock

Der Einsatz sogenannter digitaler Zwillinge (oder virtueller oder digitaler Nachbildungen) ist von zentraler Bedeutung für die digitale Transformation (DX) der industriellen Automatisierung. Diese digitalen Zwillinge – im Wesentlichen softwarebasierte Kopien realer Maschinen, Prozesse, Systeme, Betriebsumgebungen und Produkte – sind außergewöhnlich genau. Das liegt daran, dass digitale Zwillinge auf riesigen Datenmengen basieren, die über die Leistung früherer Designs gesammelt wurden. Rückmeldung von Sensoren an installierten Geräten; und erweiterte Replikationscodierung. Das Ergebnis sind Modelle, mit denen Unternehmen Designs auf effiziente und kostengünstige Weise erkunden, steuern und optimieren können.

Darüber hinaus unterstützen digitale Zwillinge die Kommunikation zwischen miteinander verbundenen IIoT-Systemen. Das liegt daran, dass diese digitalen Modelle dazu neigen, die programmatischen Beschreibungen von Komponentenparametern und damit zusammenhängenden Definitionen zu standardisieren. Letztendlich ermöglicht dies wiederum, dass der Betrieb Produkte mit Just-in-Time-Ansätzen in kleineren Losgrößen produziert. Digitale Definitionen miteinander verbundener Maschinenmodule und Steuerungen machen zudem schnelle Umstellungen und Neukonfigurationen (z. B. zur vorübergehenden Ausgabe eines Spezialprodukts) einfacher.

Gottlieb: Kollmorgen unterzeichnete kürzlich eine Markteinführungsvereinbarung mit MTEK zum Verkauf der MBrain-Lösung – einer papierlosen Smart-Manufacturing-Plattform ohne Code. MBrain bewältigt die Unternehmenskomplexität im großen Maßstab, einschließlich Arbeitsanweisungen für den Linienaufbau. Letzteres kann für Maschinenbauer nützlich sein, die Bewegungssteuerung nutzen oder während der Fertigung erfasste Daten in allen Facetten analysieren. MBrain-Benutzer realisieren enorme Verbesserungen … sogar bis zu 70 % Steigerung des Wertstromdurchsatzes, zusätzlich zu deutlichen Einsparungen beim Papier sowie bei Schulung und Onboarding. Die MBrain-Lösung lässt sich natürlich in cloudbasierte Microsoft Azure-Konfigurationen, lokale Konfigurationen oder Hybridkonfigurationen integrieren. Kurz gesagt, MBrain hat maßgeblich dazu beigetragen, Konstrukteure dabei zu unterstützen, die Produktqualität, die Durchlaufgeschwindigkeit und den Personaleinsatz zu steigern.

Der Einsatz digitaler Zwillinge ist ein zentraler Ansatz bei der digitalen Transformation der industriellen Automatisierung. Bild: Ekkasit919

Thompson: Wir sind Vorreiter bei der digitalen Transformation des Facility Managements. Mit unseren Scans und unserer Software können Betriebe Gebäude in fotorealistischem 3D erfassen, um einen ROI zu erzielen und die Kosten für Anlagendesign, -verwaltung und -wartung zu senken. Ein digitaler Zwilling von Matterport bietet umfassenden Zugriff auf den physischen Kontext einer Anlage, Maschine oder eines Bereichs. Vor kurzem hat John Deere unsere Digital Twin-Plattform und 3D-Erfassungstechnologie für die Fernverwaltung von mehr als 60 Einrichtungen auf der ganzen Welt eingesetzt.

Dies ist ein digitaler 3D-Wireframe-Zwilling von Matterport eines bebauten Produktionsraums.

Scott: Fuuz von MFGx bietet Plattform-as-a-Service-Funktionen (xPaaS) für Unternehmen mit komplexen Prozessen. Genauer gesagt bietet Fuuz xPaaS vorgefertigte Industrie-Apps und Pro-Code-zu-No-Code-App-Entwicklungstools, die Technologien zu zusammenhängenden Benutzererlebnissen konsolidieren, die schnell und einfach zu erlernen sind. Durch die schnelle Bereitstellung eigenständiger Apps und Verbindungen zu vorhandener Software können Unternehmen Daten erfassen. Darüber hinaus können sie Prozesse, Menschen und Maschinen in einem Ökosystem vereinen. Tatsächlich integriert und erweitert die Software alle offenen Datenquellen, um Unternehmen die Nutzung aktueller Lösungen, Industrieanlagen und Betriebssysteme zu ermöglichen … mit Integrationsfunktionen, die es Konstrukteuren ermöglichen, eine Verbindung zu Geräten innerhalb ihres Unternehmens sowie zu anderen Datenbanken und Standorten herzustellen.

Die effektivsten DX-Implementierungen sind diejenigen, die unternehmensübergreifend einsetzbar sind (insbesondere angesichts der ständigen Weiterentwicklung des IIoT) und dabei den Cybersicherheitsschutz priorisieren. Komponentenlieferanten und Lösungsanbieter, die Maschinenbauer und Anlagen bei DX-Bemühungen am besten unterstützen können, sind diejenigen, die mit umfassenden Partnernetzwerken verbunden sind, die bestimmte Protokolle, Softwaretools und Design-Ökosysteme standardisieren. Diese ermöglichen wiederum die Zusammenstellung der Technologieelemente verschiedener Anbieter, um maßgeschneiderte End-to-End-IoT-Lösungen zu erstellen … in einigen Fällen sogar mit fortlaufender Unterstützung durch lizenzierte Integratoren oder digitale Dienste, die für eine bestimmte Branche entwickelt wurden.

Zu den Vorteilen für OEMs und Einrichtungen, die DX-Ansätze übernehmen, gehört die Möglichkeit, die Nachfrage des 21. Jahrhunderts nach maßgeschneiderten Endprodukten (von Lebensmitteln über Elektronik bis hin zu Haushalten) zu befriedigen, da vernetzte Unternehmen am wendigsten sind und am besten in der Lage sind, flexible Produktionsabläufe durchzuführen.

In einigen Fällen ermöglicht DX neue Geschäftsmodelle, die Daten (durch Analyse oder KI verarbeitet) in verkaufsfähige Produkte umwandeln. Dies kann in Form von abonnementbasierten oder Mehrwertprodukten zur Maschinenüberwachung erfolgen. Der Vorteil für den Endbenutzer besteht in der Möglichkeit, Probleme aus der Ferne zu beheben, ohne darauf warten zu müssen, dass ein Techniker zur Anlage fliegt oder fährt.

Lösungen für die digitale Transformation sind fast immer skalierbar, sodass OEMs und Endbenutzer an einem Ort mit einem neuen System experimentieren und das Entworfene und Gelernte später an mehr Orten nutzen können – oft mit erheblichen Einsparungen durch Skaleneffekte.

DX befreit auch automatisierte Anlagen von klassischen Einzelproduktionslinien, die durch inhärente Ineffizienzen und (insbesondere in der Fertigung) Arbeitskräftemangel eingeschränkt sind. KI ergänzt insbesondere Personalfunktionen und ermöglicht differenziertere Fabrikabläufe – sie befreit den Menschen von der Datenanalyse und der Bewertung situativer Kontexte, um als sogenannter „Arbeitsplatz“ zu dienenfehlende Mitteund informieren (oder manchmal sogar auslösen) reale Aktionen.

In einigen Fällen können langfristige Partnerschaften mit Industrielieferanten Anbietern und Endbenutzern dabei helfen, bei ihren DX-Bemühungen auf dem Laufenden zu bleiben. Bei solchen Vereinbarungen wird der Schwerpunkt auf produktorientierte Unternehmen gelegt und der Schwerpunkt auf Supportdienstleistungen und Betriebsplattformen gelegt. Darüber hinaus müssen schrittweise Designansätze (wie Produktionsansätze) flexibleren Design- und Prototyping-Ansätzen weichen. Hier wird der typische iterative Trial-Irrtum-Prozess, an dem meist isolierte interne Designteams beteiligt sind, durch offene und ganzheitliche Designarbeit ersetzt.

Unterstützt werden solche Ansätze durch sogenanntes DesignÖkosysteme und Plattformen von Industriezulieferern. Um solche Angebote zu vervollständigen, arbeiten Lieferanten oft mit professionellen Dienstleistungsunternehmen zusammen, die auf digitale Dienste spezialisiert sind, die auf die industrielle Automatisierung anwendbar sind. Das Ergebnis ist eine Reihe von Tools für Durchsatzanalyse, vorausschauende Wartung, Anlagenverfolgung, Kundendienst und Energieoptimierung, die auf bestimmte Automatisierungsvorgänge ausgerichtet sind. Die größten Maschinenbauer mit langfristigen Beziehungen zu Lieferanten können Unterstützung bei der Analyse von Geschäftsproblemen und maßgeschneiderte DX-Lösungen erwarten.

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