Datenaustausch zwischen ERP und SPS-Projekt

Mit dem Internet der Dinge zu Innovation und Mehrwert

Maschinen- und Betriebsdaten werden in immer mehr Anwendungen bereitgestellt. Die unmittelbare Kommunikation und direkte Kopplung von Maschinensteuerungen und Unternehmensplanung im ERP ist hingegen noch nicht verbreitet. Dabei bietet sie ein großes Potenzial, wie der Aufbau einer smarten Modellfabrik belegt.


Die Firma BearingPoint arbeitet als Management- und Technologieberatung weltweit mit Kunden aus dem Maschinen- und Anlagenbau, dem Automotive-Bereich und der Konsumgüterindustrie. Diese Branchen erleben den digitalen Wandel hin zu vernetzten Produktionssystemen intensiv. Einerseits ist dies durch die Notwendigkeit begründet, mit innovativen Konzepten auf dem Weltmarkt Schritt halten zu können. Andererseits ergeben sich aus dem vielerorts gegebenen Reifegrad im Bereich der Automatisierung und Produktions-IT zahlreiche Möglichkeiten für effizienz- und wertsteigernde Anwendungen der Digitalisierung. Die Verknüpfung von Maschinen und Anlagen, IT-Systemen und Endgeräten wie Smartphones und Tablets zum Internet der Dinge fördert völlig neue Potenziale in Unternehmensabläufen zutage. Zur Erforschung dieser Potenziale und zur einfachen Darstellung von Use-Cases hat BearingPoint das Modell einer Smart Factory aufgebaut.

Aufbau und Funktion der smarten Modellfabrik

Das Modell der intelligenten Fabrik dient zur Darstellung von Produktionsabläufen einer einfachen Variantenfertigung. Es ist aus Industrietrainingsmodellen der Marke Fischertechnik aufgebaut, die von je einer Siemens-SPS des Typs Simatic S7-1200 gesteuert werden. Diese sind durch TCP/IP über ein Hub verbunden, was die Kommunikation der Modellmaschinen untereinander möglich macht - die sogenannte horizontale Integration. Es sind Bearbeitungsstationen für die Vorgänge Stanzen, Fräsen und Bohren vorhanden, wobei sowohl eine Einzelstation nur zum Bohren, als auch eine Taktstraße zum Fräsen und Bohren existiert. Die zu bearbeitenden Werkstücke werden durch Kunststoffzylinder repräsentiert, welche zur eindeutigen Identifikation je einen RFID-Chip auf sich tragen. Die darin enthaltenen Informationen werden zu Beginn des Produktionsablaufes ausgelesen und mit den in der Ablaufsteuerung hinterlegten Fertigungsdaten für jede zu produzierende Variante verknüpft. Entsprechend dieser Variante werden die Werkstücke nun auf ihrem individuellen Pfad durch die Anlage gesteuert. Die Förderung der zu bearbeitenden Werkstücke findet an den Stationen über Transportbänder statt. Zwischen den Stationen kommt zu diesem Zweck ein zentral positionierter Dreiachsroboter mit Greifarm zum Einsatz. Neben den planmäßigen Produktionsabläufen wird in dem Modell auch die Reaktion des Systems auf Ereignisse und geänderte Umweltbedingungen demonstriert. Dazu sind drei Fälle implementiert, die die Reaktion der Anlage auf den Ausfall einer Station, das Verhalten bei Werkstücken mit Priorität sowie die Verbesserung der Kapazitätsauslastung betreffen.

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Weiterentwicklung des Modells mit OPC UA

Zur Erweiterung des Realitätsbezuges und zur Abbildung weiterer Use-Cases wurde die direkte Anbindung an externe, übergeordnete Systeme wie ERP- oder MES-Systeme - die vertikale Integration - geplant. Die Realisierung sollte dabei jedoch ohne (mitunter zahlreiche) Zwischenschichten und Middleware-Lösungen erfolgen. Im Zentrum stand das Ziel, die Fertigungsablaufsteuerung aus der Planungsebene oder gar einem Customer Interface heraus beeinflussen zu können und so eine höhere Variantenvielfalt und Flexibilisierung zu erreichen. Möglichkeiten für größeren Kundennutzen birgt beispielsweise auch die Erfassung von Prozessdaten, um die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) auf Planungsebene zu ermöglichen und die erfassten Daten direkt für Serviceaktivitäten zu nutzen. Als feste Randbedingung existierte weiterhin die Forderung nach einer plattformunabhängigen und möglichst standardisierten Schnittstelle, was zur Wahl des Kommunikationsstandards OPC UA führte. Entsprechend war eine Lösung gefordert, welche eine Step7-kompatible OPC-UA-Kommunikation ermöglicht. Die Entscheidung fiel letztendlich

zu Gunsten der Server/Client-Baugruppe IBH Link UA von IBHsoftec. Durch die browserbasierte Konfiguration sowie dem frei verfügbaren IBH OPC Editor (oder bereits vorhandenem Siemens Step7 bzw. TIA Portal) entfiel die Installation einer zusätzlichen Software auf dem Programmiergerät. Die TCP/IP-Anbindung an das vorhandene SPS-Projekt sowie die integrierte Soft-SPS zur Vorverarbeitung der Daten machen den IBH Link UA somit quasi zu einer Plug&Play-Lösung. Für serielle Schnittstellen, wie etwa bei der S5-Serie, stellt das Unternehmen IBHsoftec entsprechende Ethernet-Adapter zur Verfügung. Zur Live-Visualisierung der Daten-Tags kommt der UAexpert der Unified Automation zum Einsatz.

Direkte Verbindung der Prozessebene an die Unternehmensleitebene

Die Verbindung der Smart Factory über den IBH Link UA wird nun für den direkten Datenaustausch mit dem BearingPoint-internen ERP-Demosystem für SAP eingesetzt. Als Gateway ist lediglich das SAP-eigene Plant-Connectivity-Modul (PCo) zwischengeschaltet. Die Kommunikation wird in beide Richtungen genutzt: So werden einerseits individuell festgelegte Fertigungsdaten, z.B. Bohrparameter oder die Anzahl der Stanzvorgänge, direkt aus den Fertigungsaufträgen im ERP-System an die Maschinensteuerungen gesendet. Das überwindet die einmalige Festschreibung der Werte in der Ablaufsteuerung. Andererseits werden die Betriebsdaten der Bearbeitungsstationen aus den SPS direkt erfasst und für die automatisierten Fertigungsrückmeldungen im ERP-System genutzt. Zahlreiche weitere Szenarien sind denkbar und zum Teil bereits in Entwicklung, darunter etwa die Nutzung der Störungsinformationen direkt im Planungssystem zur automatischen Auslösung von Serviceaktivitäten oder der unmittelbare Transfer von Produktdaten aus dem Produktentwicklungssystem (PLM) an die Maschinensteuerungen. Außerdem ist der Austausch einer SPS gegen das Modell eines anderen Herstellers geplant, was die Plattformunabhängigkeit der Lösung unterstreichen soll. Zentraler Aspekt der Smart-Factory-Anbindung von BearingPoint über die IBHsoftec-Lösung ist somit die Demonstration der Konvergenz von Produktions-IT und Business-IT.

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Fazit

Neben allen wertsteigernden Auswirkungen der Digitalisierung in den Unternehmensabläufen, stellt die unmittelbare und standardisierte Kommunikation unterschiedlicher Systeme unter der Oberfläche eine wesentliche Grundvoraussetzung für den Erfolg des Internet der Dinge für die Produktion dar. Die Smart Factory von BearingPoint demonstriert, dass Konzepte wie OPC UA mit Lösungen wie dem IBH Link UA passende Bausteine dafür sind.

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