Pictures of the Future Herbst 2004
Always-on-Gesellschaft – Industrie
Echtzeit ist Trumpf
Fertigungsunternehmen müssen immer schneller auf neue Marktbedingungen reagieren. Dazu muss vor allem die Informationslücke zwischen Betriebswirtschaft, Produktion und Steuerung geschlossen werden, um aussagekräftige Daten in Echtzeit zu gewinnen. Die Basis schaffen die Internet-Technologie, echtzeitfähiges Ethernet, intelligente Sensoren und die durchgehende Digitalisierung aller Prozesse.
Manager mit Informationsportal XHQ: Künftig stehen aussagekräftige Kennzahlen in Echtzeit zur Verfügung. Entscheidungen können dann rascher und mit hoher Treffsicherheit erfolgen
Ein Manager, etwa in einer Ölraffinerie, braucht Nerven, Erfahrung und Instinkt: Aus den zahlreichen Angaben, die über Anlagenauslastung, Kosten von Rohstoffen oder Energieverbrauch auf ihn einströmen, muss er rasch die richtigen Schlüsse ziehen. Diese Entscheidungen wollen Unternehmen wie Siemens in Zukunft vereinfachen und verbessern. "Künftig stehen Managern aussagekräftige Kennzahlen in Echtzeit zur Verfügung, ohne Belastung durch überflüssige Details. Sie können dann auf Veränderungen in der Produktion und am Markt schneller reagieren", sagt Dr. Thomas Moser, der Leiter der Strategieabteilung bei Industrial Solutions and Services (I&S). "Damit haben wir erstmals einen Hebel zur Steigerung der Produktivität, der die gesamte Wertschöpfungskette einbezieht."
Das Schlagwort heißt Realtime Enterprise. Dabei handelt es sich weniger um Echtzeit (engl.: realtime) im Wortsinn, sondern eher um das sofortige sach- und fachgerechte Verdichten, Transformieren und Aufbereiten von Daten aus unterschiedlichen Quellen. Realtime bedeutet hier: Die Information ist zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort. Um hierfür Lösungen anbieten zu können, hat Siemens im Rahmen des unternehmensübergreifenden Programms top+ Innovation das Projekt Realtime Enterprise ins Leben gerufen, in dem die Stärken von Bereichen wie I&S, Siemens Business Services (SBS) und Automation and Drives (A&D) gebündelt sind. "Das Managen von Wertschöpfungsketten wird sich künftig zum Managen von Wertschöpfungs-Netzwerken über Unternehmen und Branchen hinweg verändern", erläutert Rudi Reinhard, Leiter des Kompetenzzentrums für Produktion bei SBS. "Alle dafür nötigen Technologien für Realtime Enterprise haben wir bei Siemens im eigenen Hause."
Das Marktpotenzial ist gewaltig, wie das Beispiel des Echtzeit-Informationsportals XHQ zeigt, eine Entwicklung der in Kalifornien ansässigen Siemens-Firma IndX Software Corporation. So erwartet die El Segundo Raffinerie von ChevronTexaco einen internen Return-on-Investment von mehr als 300 % über einen Zeitraum von fünf Jahren. Weitere XHQ-Anwender berichten über eine Reduktion bei den operativen Kosten von 8 % oder sie konnten die Qualität der Produktion um 10 % oder den Auslastungsgrad einer Fabrik um 8,5 % hochschrauben.
Eine Vorreiterrolle beim Verbinden der bislang getrennten Datenwelten der Produktions- und Geschäftsprozesse in der Öl- und Gasbranche nehmen SAP und Siemens mit der kürzlich vorgestellten Lösung "Real Time Operations Intelligence" ein. Basis sind die SAP Integrations- und Applikationsplattform NetWeaver und XHQ. Siemens hat eine Software entwickelt, die die betriebswirtschaftlichen Daten von SAP nahtlos in die anlagen- und produktspezifische Welt von Siemens integriert. Daraus werden nutzerangepasste Übersichten erzeugt, so genannte Management Dashboards, mit Kenngrößen wie Anlagenauslastung, Verfügbarkeit von Roh- und Zusatzstoffen oder Produktqualität. Die Anwender haben stets den Vergleich zwischen tatsächlicher Anlagen-Performance und den angestrebten betriebswirtschaftlichen Zielen.
Möglich wird die durchgehende Vernetzung von Produktion, Vertrieb und Management dank der vielfältigen Durchbrüche in der Informations- und Kommunikationstechnik. "Unternehmen profitieren auf allen Stufen der Wertschöpfungskette von echtzeitfähigen Lösungen – von der durchgängigen Computersimulation ganzer Fertigungslinien über die digitale Steuerung und Kontrolle der Fabriken bis hin zum Training der Anwender am Rechner", sagt Dr. Carl-Udo Maier, Projektleiter des "Picture of the Future Automation & Control" bei Siemens Corporate Technology.
Internet in der Fabrik. Nach dem Innovationsschub der PC-Technik dringen nun Internet-Technologien in die Automatisierungswelt vor. Ob Web-Server, Browser, Protokolle und Internetsprachen (TCP/IP, XML) oder die Übertragungstechnologien Industrial Ethernet und Industrial WLAN – hier werden jetzt Standards erarbeitet, fürs Bedienen und Beobachten ebenso wie für den Anschluss intelligenter Sensoren, Aktoren und den Datenaustausch.
Ein wichtiger Trend ist, das im Büro groß gewordene Bussystem Ethernet auch in der Produktion zu etablieren (siehe Kasten), denn aus datentechnischer Sicht stecken Fabrikhallen heute meist voller Insellösungen. Verwendet man die in der Ethernet-Welt etablierten Protokolle (TCP/UDP und IP), kann die Automatisierungsebene auch in andere Netze eingebunden werden. Dies erhöht die Transparenz, da die Daten nun frei zwischen der Produktionsanlagen- und der Steuerungsebene bis in die betriebswirtschaftliche Bürosoftware hinein fließen können. Damit entfallen aufwändige Übersetzungsvorgänge, und der Aufwand für Wartung oder Mitarbeiterschulung sinkt erheblich. Der Zustand von Komponenten wird direkt an eine MES-Software (Manufacturing Execution System) gemeldet, die Folgeaktionen – wie etwa Wartung, Upgrade oder Austausch – organisiert und überwacht.
Und das ist erst der Anfang: "Wir möchten aus der Ferne Prozesse optimieren und korrigieren. Diese so genannten Teleoperations werden massiv zunehmen. Hier geht es um den technischen Support der Anlagen bis an die Grenzen des Fernbetriebs", erklärt Prof. Dr. Engelbert Westkämper (Pictures of the Future, Herbst 2002, Interview). Mit Hilfe der virtuellen Realität schaffen sich Fachleute ein Abbild des realen Geschehens und können mit leistungsstarken Computern ihr Vorhaben in Echtzeit simulieren. Anschließend lassen sich dann dank Internet und Web-Fähigkeit der Maschinen die Prozesse und Steuerungsparameter der Produktionsanlagen selbst über große Distanzen problemlos verändern.
Dazu kommt, dass die Ausstattung von Gütern mit RFID-Funketiketten (siehe Die Chip-Drucker und Intelligente Etiketten für die Warenverfolgung in Pictures of the Future, Herbst 2003) und die Echtzeitverarbeitung der Daten der Logistik neue Wege eröffnen. So kann man durch die eindeutige Identifikation von Waren die Herstellerfirma jederzeit über den Stand der Verkäufe informieren, damit sie rechtzeitig eine Nachproduktion anstoßen kann. "Wir wollen eine enge Integration der Prozesse in der realen Welt und ihres Abbilds in der digitalen Welt. Dabei kommt es weit mehr als heute auf die Automatisierung von Dateneingaben, die Integration von Systemkomponenten über Web Services und die Vernetzung von Geschäftsprozessen an", sagt Dr. Joachim Schaper, der bei SAP Research strategische Forschungsprogramme in Nordamerika verantwortet.
SAP beschäftigt sich mit Smart Items, also intelligenten Gütern: Container beobachten selbstständig ihren Inhalt, registrieren Veränderungen wie Temperatur oder Ort und schlagen bei Bedarf Alarm. "Heute werden diese Daten manuell in die betriebswirtschaftliche Software eingespeist. Dabei lässt sich aber nicht immer feststellen, ob Ware etwa wegen zu hoher Temperaturen während des Transports verdarb oder schon zu Beginn mangelhaft war. Anders gesagt: Die Geschäftslogik der Softwaresysteme wandert künftig nach vorne in die Güter", sagt Schaper.
Maßgeschneiderte Massenprodukte. "Bei Realtime Enterprise geht es vor allem um Innovation und Integration", betont Rudi Reinhard von SBS. Es gelte, Innovationen aller Art – von RFID bis zum echtzeitfähigen Ethernet – auf ihren Beitrag zur Beschleunigung des Informationsflusses zu bewerten und auch, wie sie sich in moderne Softwaresysteme einbinden lassen. Das Potenzial der durchgängigen Digitalisierung und transparenten Integration aller Produktions-, Logistik- und Managementprozesse ist noch lange nicht ausgereizt. Ziel ist die digitale Fabrik, in der gemeinsam mit Kunden und Partnern Produkte am Computer lebensnah entwickelt und getestet werden (siehe Pictures of the Future, Herbst 2002, Die Digitale Fabrik). Zugleich wächst die Automatisierung in Produktion und Logistik durch Fortschritte in der Sensorik, sowie durch Systemintelligenz vor Ort, die hilft, sich autonom der jeweiligen Situation anzupassen. Und die Managementzentrale ist dank Realtime Enterprise jederzeit über die Firmenperformance und das Marktgeschehen auf dem Laufenden. Carl-Udo Maier ist überzeugt: "Das Zusammenspiel all dieser Entwicklungen eröffnet uns die einmalige Chance, künftig kundenspezifische, auf individuelle Wünsche zugeschnittene Produkte zu fertigen und dies auf dem Kostenniveau von Massenprodukten."
Achim Born
WLAN und Ethernet: Bürotechniken für die Industrieumgebung
Ethernet, der Büro-Standard für die Datenübertragung, soll künftig auch im maschinennahen Bereich der Fabriken Einzug halten, um eine einheitliche Kommunikationsinfrastruktur von der Produktion bis zur Bürosoftware zu erreichen. Denn bislang stießen zwei Techniken aufeinander, deren Integration erhebliche Anpassungsarbeiten verlangte: Ethernet im Büro und die Feldbussysteme, die in der Automatisierung etwa bei Sensoren, Aktoren oder speicherprogrammierbaren Steuerungen genutzt werden. Ethernet muss dafür allerdings "echtzeitfähig" werden. Da bei Ethernet alle angeschlossenen Stationen gleichberechtigt um den Zugriff aufs Datennetz konkurrieren, sind nämlich die in der Industrieumgebung geforderten teilweise extrem kurzen Taktraten unter einer Millisekunde oder Jitter-Genauigkeiten (Zeitschwankung beim Senden zyklischer Daten) unter einer Mikrosekunde nicht möglich. Für eine Lösung setzt Siemens mit der Profibus Nutzerorganisation auf die Technologie Profinet, die die Echtzeit-Vorteile des Feldbus mit dem hohen Datendurchsatz der Internet-Technologie vereint. Ein erster Schritt ist mit Profinet IO getan, wobei ein in Software realisierter Kanal die Übertragung zeitkritischer Daten regelt – ähnlich leistungsfähig wie bisherige Feldbussysteme. Zugleich entwickelt der Siemens-Bereich Automation and Drives (A&D) ein "isochrones Realtime-Ethernet". Damit wird erstmals auf einem Bus der taktgenaue Gleichlauf von über 100 Antriebsachsen mit einer Abweichung von unter einer Mikrosekunde möglich, ohne dass Ethernet-Standardfunktionen wie hoher Datendurchsatz oder Internet-Zugang beeinträchtigt sind.
Eine weitere Neuerung im Industrieumfeld ist der Einsatz der drahtlosen Funktechnik WLAN. Der Vorteil: Eine teure Neuverkabelung kann zum Teil entfallen und die Fachleute können die Maschinen auch über mobile Endgeräte bedienen. Siemens hat WLAN seit Februar 2002 in einem Werk in Amberg installiert, wo A&D unter anderem SIMATIC-Steuerungen herstellt. Mit der drahtlosen Technik werden hier die Prozess- und Instandhaltungsdaten online an der Maschine erfasst (Bild links) und die Wareneingangsprüfung findet direkt an der Palette statt. Mit anderen Worten: Der Mitarbeiter kann jetzt seine Daten genau dort bearbeiten wo er sie braucht, und hat absolute Bewegungsfreiheit. Noch weiter geht die Produktlinie IWLAN (Industrial WLAN), die Siemens auf der Hannovermesse 2004 vorstellte. "Sie ermöglicht weltweit erstmals eine sichere, robuste und zuverlässige mobile Datenübertragung in der Industrie", wie Ewald Kuk, Leiter des Produktmarketings SIMATIC NET bei A&D, berichtet. Das wichtigste Feature: IWLAN kann, etwa für Steuerbefehle, feste Übertragungsbandbreiten reservieren, was beim normalen WLAN bisher nicht möglich war. Hier müssen die Geräte bei hohem Datenverkehr warten, bis sie "an der Reihe" sind. "Das ist im Industrieumfeld nicht tolerierbar", sagt Kuk. "Stellen Sie sich einen fahrerlosen Gabelstapler vor, der an einer bestimmten Stelle anhalten soll – aber diese Information nicht rechtzeitig erhält. Oder einen Roboter, der ein Werkstück bearbeitet, und einen wichtigen Steuerbefehl zu spät bekommt."
Siemens habe mit IWLAN eineinhalb Jahre Vorsprung vor dem Wettbewerb. Die Bauteile funktionieren sogar bei - 20 °C und selbst bei Nässe, eignen sich also auch für Bahnhöfe oder Containerumschlagplätze. Zugriffsschutz und Datensicherheit werden durch Verschlüsselung sichergestellt, eine stabile Funkverbindung durch Redundanz bei den Antennen. In Gebäuden beträgt die Reichweite etwa 30, im Freien 100 m.