Das industrielle Internet dient als aufstrebendes Geschäftsmodell und Anwendungsparadigma, das durch die tiefe Integration der Informationstechnologie der nächsten -Generation in die Industriewirtschaft entsteht, als entscheidende Grundlage für Industrieunternehmen, um die digitale Transformation zu erreichen. In den letzten Jahren sind durch Innovationen, die auf die Produktionsmerkmale und Schwachstellen der Schlüsselindustrien zugeschnitten sind, zahlreiche integrierte Lösungen entstanden. Beispiele hierfür sind die Zusammenarbeit in der Lieferkette bei der Herstellung von High-End-Geräten, der Fernbetrieb und die Wartung wichtiger Geräte, Energieeinsparung und Emissionsreduzierung in der Stahlindustrie sowie die Überwachung der Produktionssicherheit im petrochemischen Sektor. Diese Lösungen nutzen die Aggregations- und Verstärkungseffekte des industriellen Internets voll aus, treiben die digitale Transformation der Fertigung voran und liefern Kernwerte in Bezug auf Qualitätsverbesserung, Kostensenkung und Effizienzsteigerung.
Industrielle Internetplattformen bieten Funktionen zum Aggregieren, Integrieren, Speichern, Verarbeiten, Berechnen und Analysieren umfangreicher Industriedaten und ermöglichen es Unternehmen, einheitliche Plattformen für Betriebssteuerungsdaten über den gesamten{0}}Lebenszyklus aufzubauen. Zahlreiche plattformbezogene Technologien unterliegen einer kontinuierlichen Iteration und Weiterentwicklung (z. B. Microservice-Komponenten, Container, Batch-Datenverarbeitung, Stream-Verarbeitung). Diese Technologien ermöglichen es uns nach und nach, eine tiefgreifende Analyse heterogener, umfangreicher Industriedaten durchzuführen und gleichzeitig die Anhäufung von Industriewissen, die Entkopplung von Hardware und Software und die schnelle Bereitstellung innovativer Anwendungen zu beschleunigen. Wir sind uns jedoch bewusst, dass es sich bei diesen fortschrittlichen Open-Source-Technologien grundsätzlich um Werkzeuge handelt, die Unternehmen dabei helfen, eine intelligente Fertigung zu erreichen, und nicht um das Endziel selbst. Durch die Nutzung solcher Plattformen können große Unternehmen die Produktion im gesamten Fertigungsbereich optimieren, die gesamte Wertschöpfungskette von Anlagen und Abläufen verbessern und letztendlich eine lebenszyklusweite Wertoptimierung erreichen. Beispielsweise nutzt die Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC) Group ihre digitale Panorama-Kommandozentrale, um von ihrem Hauptsitz aus die Anlagen- und Betriebsleistung von 14 Betriebsgesellschaften zentral zu überwachen und zu optimieren. Durch Lösungen wie vorausschauende Wartung und Wertschöpfungskettenoptimierung hat das Unternehmen potenzielle Möglichkeiten zur Wertoptimierung im Wert von 60 bis 100 Millionen US-Dollar für die Gruppe identifiziert (Bereitstellung von Lösungen zur Optimierung der Öl- und Gas-Wertschöpfungskette, Integration von Anlagen- und betrieblichen Wertschöpfungsketten sowie Maximierung der Produktions- und Betriebsrenditen).
Das industrielle Internet bietet zahlreiche Lösungen in Szenarien wie Serviceerweiterung, vernetzter Zusammenarbeit und personalisierter Anpassung durch die Verbindung von Unternehmen, Benutzern und Produkten. Allerdings befindet es sich noch in der Erkundungsphase für intelligente Produktionsszenarien und Unternehmen stehen immer noch vor erheblichen Herausforderungen im Produktionsbetrieb.
Herausforderungen für heutige Fertigungsunternehmen
Marktherausforderungen: Globale Wirtschafts- und Marktunsicherheiten zwingen Hersteller dazu, ihre Strategien schnell anzupassen, um sich an häufigere und schnellere Marktanforderungen anzupassen und gleichzeitig Schwankungen bei Rohstoff- und Energiekosten zu bewältigen. Dieser Trend zwingt Unternehmen dazu, ihre betrieblichen Ansätze zu überdenken: Sie müssen kontinuierlich neue Produkte auf den Markt bringen und gleichzeitig die Beschaffungszyklen für Geräte, die Zeitpläne für die Entwicklung neuer Produkte und die Markteinführungszeit verkürzen. Sie müssen nachfragegesteuerte Geschäftsmodelle zur -koordinierten Optimierung der Lieferkette- und flexible Produktionssysteme wie groß angelegte-gemischte-Linienproduktion-etablieren, die besonders für den Sektor der diskreten Fertigung von entscheidender Bedeutung sind.
Herausforderungen im Bereich Humanressourcen und Wissensbindung: Wenn ältere Generationen von Arbeitnehmern in den Ruhestand gehen, besteht die Gefahr, dass ihr Fachwissen in den Bereichen Steuerungssysteme, Betrieb und Wartung verloren geht. Industrieunternehmen stehen durch den Personalwechsel vor großen Herausforderungen. Die neue Generation der Digital Natives erwartet, dass das Wissen über industrielle Automatisierung in die von ihnen verwendeten Systeme integriert wird, während traditionelle OT-Talente immer knapper werden.
Herausforderungen bei Gesamtkosten und Compliance: Wie man die Kosten für neue Bauprojekte und Betriebskosten optimiert und senkt und gleichzeitig die immer strengeren nationalen Umweltschutzgesetze und -vorschriften einhält, um eine nachhaltige Entwicklung zu ermöglichen.
Industriemanager hoffen, dass Industrie 4.0 und Industrial Internet-Technologien ihnen helfen, diese neuen Herausforderungen zu meistern. Branchenanalysten schätzen, dass flexiblere Produktionstechnologien der nächsten -Generation die Fertigungsproduktivität um 30 % steigern könnten. Untersuchungen zeigen jedoch auch, dass 60 % der Unternehmen ihre Projekte nicht über die Pilotphase hinaus vorantreiben. Dieses Ergebnis ist auf verschiedene Faktoren im Zusammenhang mit Personal, Prozessen und Technologie zurückzuführen. Auf technologischer Ebene haben die meisten Hersteller Schwierigkeiten, höhere Erträge aus diesen Innovationen zu erzielen, vor allem weil ihre betrieblichen Anlagensysteme geschlossene, proprietäre Systeme bleiben. Seit den 1970er Jahren, als DCS- und SPS-Systeme Einzug in die industrielle Automatisierung hielten, haben sich proprietäre Systeme weiterentwickelt. Bisher hat sich der Markt um Hardware-{11}Software-Bündelungsmodelle herum entwickelt, wobei jeder Anbieter von Automatisierungs- und Informationssystemen sein eigenes Software-Ökosystem geschaffen hat. Dies zwingt Benutzer dazu, mehrere OT- und IT-Systeme zu warten, was zu einer hohen Abhängigkeit von Systemanbietern führt.
Aktuelle Engpässe am Rande des industriellen Internets
Nicht-Digitale Architektur-Die meisten modernen Automatisierungssysteme sind stark für die Echtzeitsteuerung-optimiert, können jedoch die sich schnell entwickelnden Technologien aus dem IT-Bereich nicht nutzen. Diese hochmodernen digitalen Technologien-darunter Analysen, künstliche Intelligenz/maschinelles Lernen, objektorientierte-Ansätze und serviceorientierte Architekturen-sind für die Verwirklichung einer intelligenten Fertigung von entscheidender Bedeutung.
Hardware--zentrierte Geschäftsmodelle-Während Hardware-Verbesserungen bestehende Kontrollumgebungen optimieren können, sind sie nicht der kritischste Aspekt der digitalen Transformation. Der wahre Schlüssel liegt in softwaregesteuerter Innovation, die die Herausforderungen der betrieblichen Technologie intelligent angeht. Folglich verlagert sich der Geschäftswert stetig von hardwaregesteuerten zu softwaregesteuerten Modellen.
Einschränkungen proprietärer Systeme-Derzeit können Automatisierungsanwendungen, die für ein System entwickelt wurden, nicht auf einem anderen ausgeführt werden. Allerdings haben in der IT in den letzten Jahrzehnten offene Betriebssysteme wie Linux die Anwendungsentwicklung von Drittanbietern gefördert und so eine schnelle Erweiterung des Ökosystems und die Erstellung umfangreicher Softwareportfolios ermöglicht, die Geschäftsanforderungen in mehreren Branchen und Marktsegmenten erfüllen. Bedauerlicherweise schaffen proprietäre Systeme im Industriesektor Hindernisse für Innovationen: Benutzer können Produktionssysteme nicht mit angemessenen Kosten -effektiv verbessern oder erstklassige Produkte verschiedener Anbieter integrieren und aufeinander abstimmen. Ihr Innovationstempo wird durch die Abhängigkeit von proprietären Systemanbietern eingeschränkt. Diese Hindernisse erhöhen letztendlich die Gesamtkosten des Unternehmens.
Für Originalgerätehersteller (OEMs) besteht die Herausforderung darin, zwei Prioritäten in Einklang zu bringen: die Nutzung virtueller Debugging-Funktionen während des modularen Designs, um die virtuelle und die physische Welt zu überbrücken-und dadurch Kosten zu senken, Risiken zu mindern und die Zeit-zu-zu verkürzen-bei gleichzeitiger Verbesserung der maschinellen Mehrwertdienste-, um Märkte zu erweitern und das Geschäftswachstum voranzutreiben.
Systemintegratoren (SIs) stehen vor einer kritischen Lücke: Automatisierungssystemen fehlen Tools, die IT- und OT-Domänen verbinden. Letztendlich sehen sie sich gezwungen, erhebliche Personalressourcen in die Entwicklung hochkomplexer, maßgeschneiderter Lösungen zu investieren. Entscheidend ist, dass sich solche maßgeschneiderten Dienstleistungen nur schwer auf dem Markt reproduzieren lassen. Sie suchen nach Software-Funktionsblöcken, die ihr Branchenwissen und ihre branchenspezifischen Lösungen schützen und so den geringwertigen Engineering-Aufwand reduzieren (durch die Wiederverwendung von Objekten und Prozessalgorithmen über mehrere Projekte hinweg). Dadurch können sich ihre technischen Experten stärker auf die Lösung von Schwachstellen und Herausforderungen innerhalb der Fertigungs-, Betriebs- und Wartungsprozesse (MOM) konzentrieren und letztendlich einen größeren Mehrwert schaffen.
Auf der Seite des Endbenutzers (EU) ist zur Bewältigung dieser Herausforderungen dringend ein umfassendes Systemmanagement erforderlich, um ungeplante Ausfallzeiten zu minimieren, die Produktlieferung während der Hauptsaison sicherzustellen und die Abhängigkeit von externem technischem Support zu verringern. Es besteht der Wunsch nach flexiblen Systemen/Produktionslinien, um die Agilität der Fertigung zu gewährleisten und eine größere Produktionsflexibilität zu ermöglichen, wenn sich die Nachfrage verschiebt oder sich Wartungspläne ändern.
Um diese Probleme effektiv zu lösen und wirklich ein „softwaredefiniertes industrielles“ digitales Industrieökosystem zu etablieren, müssen geschlossene OT-Systeme, Standards und Ökosystemherausforderungen an ihrer Quelle angegangen werden. Dies erfordert die Einführung offener Automatisierungssysteme und -standards bei gleichzeitiger Integration zusätzlicher technischer Funktionen, um die IT-OT-Konvergenz zu beschleunigen.
Die Zukunft offener Automatisierungssysteme
Zukünftige Automatisierungssystemarchitekturen werden sich unweigerlich in Richtung Offenheit, verteilter Bereitstellung und inhärenter Sicherheit entwickeln. Industrielle Automatisierungstechnik und Edge Computing bilden die Grundlage dieser offenen Systeme. Im Vergleich zu herkömmlichen proprietären Systemen weisen offene Automatisierungsarchitekturen die folgenden Veränderungen auf:
Es ist offensichtlich, dass offene Automatisierungsarchitekturen die technische Entwicklung beschleunigen, die Systemagilität, die Produktionsflexibilität und die Gesamteffizienz verbessern. Dieser Wandel stellt mehr als ein technisches Upgrade dar-er definiert die Art und Weise, wie Prozesse und Maschinen gestaltet werden, grundlegend neu. Langfristige, geringwertige-Programme für proprietäre Steuerungen werden auf Plug{5}}and{6}}Automatisierungssysteme umgestellt. Diese Systeme werden umfangreiche, gründlich validierte Softwarefunktionsblöcke nutzen, die von einem riesigen Ökosystem entwickelt wurden. Sie werden auf unterschiedlicher Hardware von mehreren Anbietern laufen-von eingebetteten Steuerungssystemen bis hin zu leistungsstarken Edge-Intelligence-Geräten.
Offene Standards sind für den Aufbau offener Automatisierungssysteme unerlässlich, und IEC 61499 ist der Schlüsselstandard, der diese neuen Grenzen erschließt. Durch die Definition objekt-orientierter Modellierungsregeln kapselt es die Steuerungsmodelle und Algorithmen gesteuerter Objekte in „Black Boxes“ (Software-Funktionsblöcke). Diese verifizierten Funktionsblöcke können in verschiedenen Szenarien wiederverwendet werden, wodurch der sich wiederholende Programmieraufwand erheblich reduziert wird. Für Benutzer reicht es aus, die bereitgestellte Funktionalität zu verstehen, ohne die Implementierungsdetails kennen zu müssen, wodurch das geistige Eigentum der Entwickler geschützt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Funktionsblöcken basieren die in diesem Standard definierten Funktionsblöcke auf der Auslösung von Ereignissen und nicht auf der zyklischen Abtastung. Dies steht im Einklang mit objekt-orientierten Konzepten und Programmieransätzen im IT-Bereich und macht es zu einer natürlichen IT/OT-Konvergenztechnologie. Es ermöglicht eine verbesserte CPU-Effizienz und Lastverteilung der Steuerung, eignet sich besonders für verteilte Systeme und ermöglicht die nahtlose Integration fortschrittlicher IT-Technologien in Automatisierungssysteme. Der Standard definiert außerdem Regeln für Anwendungsmodelle, Systemmodelle und Geräte-/Ressourcenmodelle. Ihre Integration ermöglicht es Benutzern, Anwendungen unabhängig von der zugrunde liegenden Automatisierungshardware zu entwerfen. Dieser Hardware-Abstraktionsansatz verkürzt die Projektlaufzeiten und verringert die Abhängigkeit von Geräteherstellern. Kombiniert mit der objekt-orientierten Entwicklung von Funktionsblöcken werden Online-Anpassungen für Produktionslinien und Anlagen deutlich vereinfacht. Natürlich bietet der Standard auch Methoden zum Zusammenstellen grundlegender Funktionsblöcke zu zusammengesetzten Blöcken und zum schnellen Verbinden verschiedener Funktionsblöcke (durch einfaches Drag-and-Drop), wodurch der Arbeitsaufwand für das Debuggen der Softwareprogrammierung und die Programmfehlerraten erheblich reduziert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Erreichen von Geräteinteroperabilität, Systemrekonfigurierbarkeit und Softwareportabilität seine Kernziele sind. Organisationen wie das Open Process Automation Forum (OPAF) und die International Association of Process Industry Automation Users (NAMUR), die sich derzeit an der End{19}}Benutzerbeteiligung orientieren, plädieren für eine Abkehr von bestehenden proprietären Automatisierungssystem-Frameworks, die auf diesem Standard basieren-das beste Beispiel für dieses Streben.
Auch die Edge-Computing-Technologie hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung erfahren. Die Containertechnologie bietet effektive Methoden zur Stapelaktualisierung/-aktualisierung von Anwendungen zur Edge-Steuerung und zur Sicherstellung einer zeitnahen Datenübertragung und -verarbeitung. Containertechnologien, vor allem Docker, und Container-Orchestrierungstools wie Kubernetes sind mittlerweile ausgereift. Die Microservices-Architektur verbessert kontinuierlich die Effizienz der Ressourcennutzung am Edge, fördert die funktionale Entkopplung und Wiederverwendung, beschleunigt die Anwendungsentwicklung und ist zu einem wichtigen Trend in der Edge-Computing-Technologie geworden. Standards wie OPC UA und Time-Sensitive Networking (TSN) bieten internationale Rahmenwerke und deterministische Netzwerke für die Interkonnektivität von Feldgeräten und erfüllen vielfältige Datenübertragungs- und Austauschanforderungen in industriellen Anwendungen. Die Integration dieser Informations- und Kommunikationstechnologien der nächsten-Generation mit den Standardtechnologien der IEC 61499 wird den Fortschritt der offenen Automatisierung beschleunigen. Diese Offenheit erstreckt sich nicht nur auf Standards, sondern auch auf Netzwerke, Hardware, Software und Systemarchitektur und schafft eine solide Grundlage für die Digitalisierung, Vernetzung und Intelligenz in Fabriken und Werkstätten.
Offene Automatisierung wird die rasante Entwicklung des industriellen Internets vorantreiben und letztendlich die Schwachstellen für Endbenutzer, Systemintegratoren und OEMs angehen. Dieser Ansatz ermöglicht eine flexible Produktion, verkürzt die Markteinführungszeit, reduziert Entwicklungszeit und -kosten, steigert die Betriebs- und Produktionseffizienz und schützt geistiges Eigentum. Eine aktuelle Vergleichsstudie eines internationalen Drittunternehmens verdeutlicht dies tatsächlich: Für die Durchführung eines typischen kleinen Automatisierungsprojekts (Aufgaben wie die Erstellung von Anwendungen, den Import relevanter Datenbanken, die Einrichtung von Logik, die Konfiguration von Geräten, die Entwicklung von HMIs und die Bereitstellung des Projekts) benötigten herkömmliche Automatisierungssoftwaretools 40 Stunden. Im Gegensatz dazu konnte durch den Einsatz eines offenen Automatisierungssystems diese Zeit um 68 % reduziert werden. Um die Systemagilität zu testen, wurden Controller manuell zwischen Geräten ausgetauscht und neue Controller für die Originalgeräte konfiguriert. Diese Vorgänge erwiesen sich bei herkömmlichen proprietären Systemen als umständlich, wohingegen offene Automatisierungssysteme sie 70 bis 80 % schneller ausführten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Frage, ob das zukünftige industrielle Internet aktuelle Engpässe überwinden und die digitale Transformation von Industrieunternehmen in der Tiefe und Breite weiter vorantreiben kann, von der Etablierung eines offenen Automatisierungssystems abhängt, das auf neuen Konzepten, Architekturen und Standards basiert. Herkömmliche hardwarezentrierte proprietäre Systeme werden durch softwarezentrierte offene Systeme ersetzt. Beim Edge Computing werden mehr Cloud-Technologien zum Einsatz kommen, wodurch ein großer Pool an IT-Talenten in dieses offene Framework tief in das Wissen über industrielle Anwendungen integriert werden kann. Wir können davon ausgehen, dass das Industrielle Internet durch die Nutzung dieses offenen Ökosystems einen gesunden, nachhaltigen Weg nach vorne ebnen wird.