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Wie können Daten in der Produktion ausgetauscht werden ?


Daten sind das neue Öl, welches von Maschinen und IT-Systemen wie einem Manaufacturing Execution System erzeugt werden. Doch was nutzt der beste Treibstoff, wenn dieser nicht zugänglich ist? Dieser Blogpost zeigt auf, wie der Datenaustausch in der Produktion umgestzt werden kann. Damit werden Entscheidungsprozesse zu beschleunigt und die digitale Transformation der Produktion vorangebracht. In diesem Beitrag werden wir die Konzepte OPCUA, ODBC, REST-API, Profinet/Profibus sowie IO-Link erklären und vier verbreitete Fehler in der Datenaufzeichnung aufzeigen.

Was ist Interoperabilität und warum ist diese wichtig?

IT-Systeme im Produktionsumfeld wurden in der Vergangenheit oftmals als sogenannte geschlossene Systeme ausgelegt. Sprich, ein Datenaustausch in der Produktion zwischen diesen Systemen war nicht vorgesehen. Es war oft ausreichend, dass eine Nutzergruppe Zugriff auf die Daten hatte. Beispielsweise wollten oftmals nur die Qualitätsmanager die Prüfdaten sehen. Dies ändert sich mit der digitalen Transformation der Produktion. Ein gesamtheitliches Bild auf die Fertigung, welches die verschiedenen Datenquellen vereint, gewinnt an Bedeutung. Um dies zu erreichen, ist der Begriff der Interoperabilität elementar. Doch was ist damit gemeint?

Das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen definiert Interoperabilität als:

„Ability of a system to exchange information between components and their aggregations (subsystems) and make use of information”.

Europäisches Institut für Telekommunikationsnormen (Hier nachlesen)

Damit wird klar: Interoperabilität beschreibt den Austausch von Daten zwischen Systemen. Doch wie kann dies in der Produktion auf dem Shopfloor umgesetzt werden? Im folgenden Text finden Sie die wichtigsten Elemente dazu erklärt, wie OPCUA oder ODBC.

Praxisbeispiel: Bei einem Kunden in der Textilindustrie fanden wir eine Qualitätsprüfungsmaschine, die Daten als PDF über einen USB-Stick bereitstellte. Eine Interoperabilität zu anderen Systemen war seitens des Herstellers nicht vorgesehen.

Auf welchen Ebenen spielt der Datenaustausch eine Rolle?

Um den Datenaustausch in der Produktion zwischen einzelnen IT-Systemen einzuordnen, hilft es die Automatisierungspyramide zu betrachten. Diese teilt die eingesetzten Systeme in verschiedene Ebenen ein. Je nach Produktionsgröße und Industriebereich sind manche Ebenen unterschiedlich stark ausgeprägt oder gar nicht vorhanden.

Gehen wir im Folgenden Top-Down die einzelnen Ebenen der Automatisierungspyramide durch. Auf der obersten Unternehmensebene werden beispielsweise Kundenaufträge im Enterprise-Ressource-Planning (ERP) System angelegt. Diese werden eine Ebene darunter im Manufacturing Execution System (MES) in Fertigungsaufträge aufgelöst und Prüfpläne im Computer-Aided-Quality (CAQ) System generiert. Fertigungsaufträge mit den dazugehörigen Prozessparametern werden an die Prozessleitebene, welche durch eine Supervisory Control und Data Acqusisition (SCADA) abgebildet werden kann, weitergegeben. Diese überwacht die einzelnen Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS). Damit wird wiederum die Feldebene, also Sensoren oder Aktoren, gesteuert.

Automatisierungspyramide

Wie kann nun eine Interoperabilität zwischen und auf diesen Ebenen hergestellt werden? Mit verschiedenen Systemen auf unterschiedlichen Ebenen entsteht nun mal Komplexität – daher gibt es nicht die eine Antwort, um den Datenaustausch in der Produktion umzusetzen. Wir betrachten die folgenden Möglichkeiten, um auf und vor allem zwischen den einzelnen Ebenen zu kommunizieren:

  • Unternehmens- bis Betriebsleitebene: ODBC
  • Steuerungsebene: OPCU-UA
  • Feldebene: PROFIBUS, PROFINET und IO-Link
  • Vertikal übergreifend: REST-API
Praxistipp: In einem Projekt Kick-Off fragte mich ein Sensorhersteller, wie wir Daten im Projekt austauschen. Die DatenBerg smartPLAZA agiert auf der Betriebsleitebene – daher war meine Antwort „ODBC oder OPCUA“. Der Kollege drängte jedoch auf einen konkreten Port. Erst nach etwas Geplänkel merkten wir, dass er von der Feldebene sprach. Daher hilft es sich immer bewusst zu machen, auf welcher Ebene Daten in der Produktion austauschen möchte.

Stabil und verbreitet: ODBC

Auf der Unternehmens-, Betriebsleit- und Prozessleitebene sind Systeme wie ERP, MES, CAQ oder SCADA Stand der Technik. Diese speichern Daten oft in sogenannten SQL-Datenbanken. Dabei werden Daten in relationalen Datenbanken verwaltet und können in einer standardisierten Art und Weise abgespeichert werden. Open Database Connectivity (ODBC) ist eine standardisierte Datenbankschnittstelle, mit welcher auf SQL-Datenbanken zugegriffen werden kann. Der Zugang findet dabei über einen sogenannten Verbindungsstring statt. Nach erfolgreicher Verbindung muss die korrekte Tabelle in der Zieldatenbank ausgewählt und abschließend können Daten importiert werden.

Ein Verbindungsstring enthält Informationen wie Serveradresse, Datenbankname sowie Nutzername und Passwort. Für die weit verbreitete Datenbank MySQL sieht ein einfacher Verbindungsstring wie folgt aus:

Server=myServerAddress;Database=myDataBase;Uid=myUsername;Pwd=myPassword;

Einzelne Anbieter haben oftmals einen spezifischen Dialekt. Eine umfassende Referenz – welche auch wir in Kundenprojekten immer wieder nutzen – findet sich hier.

Vorteile von ODBC:

  • Sehr stabile Verbindung: Ist die Verbindung einmal eingerichtet, können Daten in einer sicheren Art und Weise übertragen werden. Zur Vermeidung von Serverüberlastung kann die maximal abzurufende Zeilenanzahl begrenzt werden.
  • Sicherheit: Lese- und Schreibrechte können über die Nutzerverwaltung der Datenbank zentral verwaltet werden.

Nachteile von ODBC:

  • Schnelligkeit: Die Datenweiterleitung von der Feld- auf die Betriebsleitebene benötigt Zeit. Daher ist ein Versatz zur „Echtzeit“ miteinzukalkulieren.
  • Anbieterabhängigkeit: Der Systemanbieter muss die ODBC Verbindung anbieten und die Daten in einer verarbeitbaren Form verwalten.
Praxistipp: Beim IT-System Anbieter nach dem ODBC-Verbindungsstring, dem Tabellenaufbau und dem benötigten Datenbanktreiber nachfragen. Mit diesen drei Informationen kann der Datenaustausch in der Produktion starten.

Verbreitet und dennoch individuell: OPC-UA

OPC-UA steht für Open Platform Communications Unified Architecture und ist ein Kommunikationsprotokoll auf Steuerungsebene. Der von der OPC Foundation verwaltete Standard soll eine einfache Kommunikation zwischen Anlagen, Maschinen und Komponenten unterschiedlicher Hersteller ermöglichen. Die Kommunikation findet dabei zwischen einem OPCUA Server und Client statt. Um eine herstellerübergreifende Standardisierung zu erreichen, gibt es Bewegungen, wie beispielsweise die Weihenstephaner Standards. Diese definieren unter Anderem für die Brau- und Backwarenindustrie universell einsetzbare Kommunikationsschnittstellen zum Datenaustausch in der Produktion.

Vorteile OPC-UA:

  • Echtzeitnahe Kommunikation: Die Datenauswertung über OPC-UA ist näher an der Prozessebene als ODBC.
  • Sicherheit: Die Sicherheit im Datenaustausch kann über Authentifizierung, Autorisierung und Verschlüsselung sichergestellt werden.

Nachteile OPC-UA:

  • Customizing: Einzelne Hersteller stellen Daten in individuellen Formaten bereit. Eine Schnittstelle ist oftmals zeitaufwendiger als die Verbindung über ODBC.

Maschinenebene: PROFIBUS und PROFINET

PROFINET fokussiert sich auf die Anbindung von Peripherie (z.B. Sensorik) an einen Controller wie beispielsweise eine SPS. Der Vorgänger ist das PROFIBUS. Beide Protokolle ermöglichen eine Kommunikation auf der Feldebene – mit PROFINET kann jedoch durch den Einsatz von industriellem Ethernet in Richtung höherer Ebenen kommuniziert werden. Die Schnittstellen werden von der PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. verwaltet.

Vorteile PROFIBUS/PROFINET:

  • Bewährtes System mit Echtzeitfähigkeit und weiter Verbreitung
  • Einfache Integration in Feldbussysteme über Proxys und Gateways

Nachteile PROFIBUS/PROFINET:

  • Vertikale Integration bei PROFIBUS nicht vorgesehen (bei PROFINET hingegen schon)

Plug-and-Play: IO-Link

Eine aufstrebende Technik ist der IO-Link, welcher ebenfalls eine Verbindung zwischen der Steuerungs- und Feldebene ermöglicht. Hierbei werden zwischen IO-Link-Master und IO-Link-Geräten, beispielsweise Sensoren oder Aktoren, Daten ausgetauscht. Die Gerätebeschreibung mit Informationen zur Parametrisierung kann hier online ohne Registrierung abgerufen werden. So wird schnell ersichtlich wie Daten in der Produktion über IO-Link ausgetauscht werden können.  IO-Link wird von einem Industriekonsortium verwaltet.

Vorteile IO-Link:

  • Die Aufteilung der Daten in Klassen (Prozessdaten/zyklische Daten, Servicedaten, Ereignisdaten) ermöglicht eine Strukturierung der auszutauschenden Daten.
  • Einfache Verkabelung: IO-Links verwenden standardisierte 3- oder 5-Leiter-Leitungen, welche den Verkabelungsaufwand reduzieren.

Nachteile IO-Link

  • Die Parametrisierung ist Geräte- und Technologiespezifisch, weshalb oft ein Customizing erforderlich ist.

Einfach und mächtig: REST-API

Kommen wir nun zu dem flexibelsten Datenaustausch – REST-API. Mit standardisierten HTTP-Befehlen wie GET und POST können Daten gelesen als auch geschrieben werden. Neue Datenquellen können so schnell angeschlossen werden. Eine typische Abfrage enthält zum Beispiel den Datentyp und Attribute wie Zielwertname oder die Genauigkeit. Die Daten werden im JavaScript Object Notation (JSON) Format ausgetauscht. Der Datenaustausch in der Produktion kann mit der REST-API sehr flexibel gestaltet werden. Zur besseren Anschaulichkeit ist hier ein Beispiel für eine REST-API Abfrage aus der DatenBerg smartPLAZA dargestellt:

Beispielhafte REST-API Abfrage aus der DatenBerg smartPLAZA

Vorteile REST-API

  • Datenquellen können Daten dynamisch senden.
  • Der Datenaustausch im JSON-Format ermöglicht eine einfache Dokumentation, welche von dem meisten webbasierten Systemen weiterverarbeitet werden können.

Nachteile REST-API

  • Während REST-APIs zukunftsfähig sind, ist die Kompatibilität zu Bestandsanlagen nur eingeschränkt möglich und benötigt eventuell weitere Hardware.
  • In der Automatisierungstechnik ist REST-API noch nicht weit verbreitet
Praxistipp: Ein Textilunternehmen nutzt unsere REST-API Schnitstelle, um über Rasperry Pis Daten von Bestandsanlagen in die smartPLAZA zu senden.

Vier Fehler im Datenaustausch in der Produktion, welche Sie vermeiden sollten!

Aus unserer Erfahrung in verschiedenen Branchen und Unternehmensgrößen, gibt es typische Fehler im Datenaustausch in der Produktion. Keine Sorge – mit etwas Vorarbeit lassen sich diese leicht vermeiden:

  1. Systemübergreifende eindeutige ID vergessen
    Stellen Sie sich vor, die Daten aus dem CAQ und MES System sind in einer Plattform wie der smartPLAZA konsolidiert. Jetzt wollen Sie diese vergleichen und stellen fest: Es fehlt ein gemeinsamer Schlüssel. Als Workaround hilft zwar oft der Zeitstempel. Doch früh an eine eindeutige ID zu denken, hilft.
  2. Transfer von der Steuerung- zur Betriebsleitebene: Daten nicht aufsplitten
    Stellen wir uns einen Produktionsprozess mit mehreren Schritten vor, welcher über ein Fließband verbunden ist. Jeder Schritt wird von mehreren SPSen gesteuert. Wenn Sie die rückgemeldeten Daten direkt beim Transfer in die Betriebsleitebene in verschiedene Tabellen aufsplitten, wird die Datenverwaltung später leichter.
  3. Verbindungsmöglichkeiten nicht bekannt
    Beim Beschaffen einer neuen Anlage oder eines neuen Prüfgerätes – direkt mit in das Lastenheft die Spezifikation der Daten mitaufnehmen. Früher oder später werden Sie froh sein, nicht teuer nachrüsten zu müssen.
  4. Zu früh in feste Strukturen investieren
    In teure Datenerfassung investieren und dann merken, dass es die falschen Daten sind – Worst Case Szenario. Ein einfacher Sensor (zum Beispiel basierend auf Arduino Technologie) kann für einen Proof of Concept Messmerkmale günstig erfassen. Nach erfolgreicher Validierung können diese in die Feldebene und zum Beispiel über die Schnittstelle IO-Link eingespielt werden. So ist ein günstiger erster Versuch möglich und die Iterationen zur optimalen Datenerfassung sind kürzer.

Zusammenfassung

Um die digitale Transformation voranzubringen, sind Daten der benötigte Treibstoff. Um an diesen heranzukommen, wurden diverse Möglichkeiten zum Datenaustausch in der Produktion beschrieben. Mit ODBC-Verbindungen können stabil und sicher Daten aus übergeordneten Systemen wie MES oder CAQ abgerufen werden. OPCUA ermöglicht die Kommunikation direkt mit der Maschine. Mit Hilfe von PROFINET, PROFIBUS oder dem neuen Standard IO-Link kann von der SPS mit der Feldebene, also Sensoren und Aktoren, kommuniziert werden. Neben den vorgestellten klassischen industriellen Standards können auch Ansätze aus der Softwarewelt, wie REST-API, zum Datenaustausch verwendet werden. So können kostengünstig Sensoren für einen Proof of Concept eingebunden werden.

Bei der Wahl der richtigen Technologie und bei der Beschaffung gilt es im Blick zu halten, was neben der reinen Automatisierungsaufgabe später mit den Daten passieren soll. So können kostspielige Sonderanpassungen in der Phase der Datenauswertung, bereits bei der Beschaffung einer Anlage oder Software verhindert werden.

In der folgenden Abbildung sind die einzelnen Ebenen der Automatisierungspyramide, um die dazwischen liegenden Schnittstellen erweitert und farblich dargestellt:

Automatisierungspyramide mit Datenaustauschmöglichkeiten

Interessiert an dem Thema Datenaustausch in der Produktion?

In der DatenBerg smartPLAZA können Daten direkt über ODBC, REST-API oder OPCUA eingespielt werden. Über REST-API können leicht Sensoren, wie beispielsweise der Bosch XDK angeschlossen werden.

Haben Sie Fragen zu den Möglichkeiten der Datenaustausche? Gerne über unser Kontaktformular Kontakt aufnehmen. Oder per E-Mail an: [email protected] .