Jürgen

Senior Advisory Systems Engineer, EMC Deutschland

Industrie 4.0: Mehr Effizienz durch Cloud-basierte Lösungen für die vorausschauende Wartung

Die Wirtschaft steht an der Schwelle zur vierten industriellen Revolution. Durch das Internet getrieben, wachsen reale und virtuelle Welt zu einem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) zusammen. In der Produktion beispielsweise enthalten Maschinen, Werkstücke, Transportmittel und Produkte eine Vielzahl von eingebetteten Sensoren, die untereinander und mit Menschen kommunizieren können. Vor diesem Hintergrund hat die deutsche Bundesregierung 2013 das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 (I4.0) ausgerufen, im Rahmen dessen die deutsche Industrie diese vierte industrielle Revolution aktiv mitgestalten und die Verzahnung von Produktion mit modernster Informations- und Kommunikationstechnik vorantreiben soll.

Predictive Maintenance, oder auf Deutsch: vorausschauende Wartung, ist ein typisches Beispiel für eine Industrie-4.0-Anwendung, bei der herkömmliche Industrieprozesse mit intelligenter IT-Technologie verknüpft werden. Das Ziel der vorausschauenden Wartung ist es, Hardware-Ausfälle oder Betriebs-Anomalien zu erkennen, bevor die Alarmgrenzen des Steuerungs- und Kontrollsystems überschritten werden. Die Früherkennung solcher Bedingungen oder Systemzustände kann dazu beitragen, ungeplante Ausfälle von Komponenten innerhalb eines Systems zu verhindern und sich daraus ergebene Produktionsstillstände und Wartungsaufwendungen zu minimieren. Die für eine vorausschauende Wartung benötigten Alarmgrenzen ermitteln die Entwickler für jede einzelne elektrische und mechanische Komponente durch die Analyse der spezifischen Merkmale in einem Testzeitraum. Eine kontinuierliche Überwachung von Maschinen ist die Grundlage für das übergreifende Management von Produktionsanlagen, das Plant Asset Management. Das Verständnis, wie das elektrische und mechanische Verhalten von Maschinen eine Produktion beeinflussen kann, ist im Internet der Dinge essentiell.

Das hört sich sehr theoretisch an. Doch die nachfolgenden zwei Beispiele aus der Automobilindustrie verdeutlichen, welche Auswirkungen die Planung und der Einsatz von Cloud-basierten Lösungsangeboten für die vorausschauende Wartung haben können.

Ein Automobilhersteller benötigt für die Produktion eines Automobils verschiedene Werkzeuge und Maschinen. Zum Beispiel werden im Karosseriebau Laserschneidmaschinen eingesetzt, so genannte Laser-Cutter. Diese produzieren aus Roh-Blechen oder schon vorgestanzten Blechen fertige Karosserieteile. In einem weiteren Produktionsabschnitt, der Karosserie-Lackierung, werden die Rohkarossen in Lackierstraßen durch verschiedene Stationen geleitet. Von der Reinigung und Tauchlackierung bis zur Sprühlackierung und Trocknung können Lackierstraßen über 100 Meter lang sein. Nun bietet der Hersteller der Laser-Cutter dem Automobilhersteller einen neuen Service für die eingesetzten Maschinen an, der durch intelligente Datenanalyse eine vorausschauende Wartung der Laser-Cutter ermöglicht. Dafür werden Zustandsdaten sämtlicher mechanischer und elektrischer Laser-Cutter-Komponenten mittels Sensoren gesammelt und über einen Gateway in die Cloud transferiert. Hier werden Informationen wie Positionsdaten des Laser-Schneidkopfs, Resonator-Zustände sowie Daten über Temperaturen (Kühlung), Vibrationen und den Energieverbrauch der elektrischen Antriebe gesammelt. Auch der Hersteller der Lackierstraße bietet dem Automobilhersteller ein neues Service-Konzept an: Zustands- und Sensordaten der einzelnen Lackierstationen werden in die Cloud übermittelt und dort mittels angepassten Musteranalysen (Pattern Analysis) ausgewertet. Die Analyse der Sensordaten soll es ermöglichen, Ausfälle vorherzusagen und somit ungeplante Stillstandszeiten zu verhindern. Man möchte sozusagen mit der vorausschauenden Wartung den „Minority Report der Maschinen“ erstellen. Solch neue Servicekonzepte gibt es in vielen weiteren Produktionsbereichen; sie werden jeweils vom Hersteller der Maschinen angeboten.

Entsteht hier nun ein Problem?

Der Fabrikationsleiter des Automobilherstellers wird die beiden Angebote sehr genau untersuchen und mit großer Wahrscheinlichkeit ablehnen. Der Grund der Ablehnung kann sein: „Dann liegen ja meine Produktionsdaten für den Karosseriebau und die Lackierung in der Cloud und sind für jeden zugänglich“. Da hat er nicht ganz unrecht. Zu einem identischen Ergebnis wird er bezüglich des neuen Service-Angebots des Herstellers der Lackierstraße kommen: „Dann können andere unsere Lackiermethoden und Farbrezepturen einsehen.“

Bei beiden Cloud-basierten Service-Angeboten würden die Karosserie-Schablonen und Lackiermethoden/-rezepturen von vielen Automobilherstellern nebeneinander in der Cloud liegen. Hierbei handelt es sich um sensible Daten, die Rückschlüsse auf Karosserie-Design und auch Produktions-Methoden zulassen. Die Security- und Compliance-Regularien eines Unternehmens lassen es aber meist nicht zu, dass solch sensible Daten in eine Public Cloud transferiert und dort gespeichert werden. Gleiches gilt für Service-Angebote von Maschinenherstellen, die den Service auf Grundlage einer Off-Premise-Infrastruktur in einem eigenen Rechenzentrum anbieten.

An dieser Stelle bietet sich eine Predictive-Maintenance-Lösung an, die direkt beim Automobilersteller installiert wird. Noch effizienter wäre es, wenn diese Lösung für beide Anwendungsfälle, Laser-Cutter und Lackierstraße, gemeinsam genutzt würde.

Wie kann EMC dem Automobilhersteller sowie den Herstellern der Laser-Cutter und der Lackierstraße helfen?

Für die Antwort auf diese Frage hilft ein Blick auf die einzelnen Infrastruktur- und Service-Ebenen anhand eines IoT/I4.0-Plattform-Schemas. Die verschiedenen Service-Ebenen einer IoT/I4.0-Plattform, auch IoT-Container genannt, wie Data-Lake, Analytics-Engine (Real-/Near-Real-Time, Batch Analytics), Benutzer-Applikationen (Sensormanagement, WebPortal, Authentication und DevOps) und nicht zu vergessen Security-Services haben alle eine gemeinsame Anforderung: Sie benötigen IT-Infrastruktur – also Server, Netzwerk, Datenspeicher, Virtualisierung und Sicherheit. Werden diese Services als IaaS-, PaaS- oder SaaS Angebot über einen Public-Cloud-Provider angeboten, so liegen auch die Maschinen- und Sensor-Daten in der Cloud. Aber genau das ist vom Automobilhersteller nicht gewünscht.

Was bedeutet das für den Maschinenhersteller und den Produktionsbetrieb, wenn die Lösung vor Ort (On-Premise) installiert werden soll? Sie muss als konvergierte Infrastruktur die gleichen Funktionen und Leistungsbandbreiten bieten, wie man es von einem Cloud-basierten Service gewohnt wäre. Neben Flexibilität (Erweiterbarkeit) und Mehr-Mandantenfähigkeit dürfen auch Sicherheits-Elemente nicht fehlen. Das folgende Plattform-Schema mit den vier IoT-Containern und den darin befindlichen IoT-Funktions-Bausteinen zeigt, dass diese Plattform flexibel als On-Premise (vor Ort im Produktionsunternehmen) oder Off-Premise-Lösung (in der Cloud) aufgebaut werden kann (linke und rechte graue Säulen). Das zweite Schema-Bild projiziert die Produkte und Lösungen der EMC Federation in die jeweiligen IoT-Container hinein.

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(Für eine größere Ansicht bitte auf das Bild klicken)

(*) Vorhandene und neue IoT/I4.0 spezifische Applikationen. Je nach IoT/I4.0 Anwendungsfall können Anzahl und Applikationstype in diesem Container variieren. (**) Container-basierte Micro-Services (z.B. Docker)

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(*) DELL StatSoft STATISTICA (Akquisition März 2014) – Gartner Magic Quadrant Advanced Analytics Platforms February 2016

EMC bietet für die Anforderungen dieser IoT/I4.0-Plattform und der entsprechenden IoT-Container jeweils die passenden Produkte. Das fängt bei der agilen Softwareentwicklung für moderne Cloud-native IoT-Applikationen auf Grundlage von Microservices an (Pivotal Labs, Cloud Foundry) und geht weiter mit Pivotal-Hadoop– und Greenplum-Datenbanklösungen für den See der unstrukturierten IoT-Daten (Data Lake). Je nach Leistungsprofil und Wachstumsprognosen kommen im Bereich der konvergierten Infrastruktur Produkte wie der Vblock, der VxBlock, das VxRack oder VxRail von VCE zum Einsatz. Auch bei Varianten der IoT/I4.0-Plattform, bei denen die Daten beim Kunden bleiben müssen, aber die Analyse in der Cloud stattfinden darf, bietet EMC Lösungen für die entsprechenden Anforderungen – wie das Scale-Out-NAS-System ISILON, den hyperskalierbaren Objektspeicher ECS und das Konzept der Federated Enterprise Hybrid Cloud (FEHC).

Mit VMware bieten wir umfängliche Plattform-Services für alle Formen von Enterprise Computing, um die Anforderungen der Cloud, der Applikationen und der End-Geräte zu erfüllen: zum Beispiel vSphere für die Virtualisierung von Servern und Horizon für Desktops sowie Anwendungen. Hierbei spielt es keine Rolle, ob die Anforderungen aus der Privat-, Public- oder Hybrid-Cloud stammen. Die VMware vRealize Suite verwaltet und automatisiert die gesamte Hybrid-Cloud – auch Teile, die auf Nicht-VMware-Plattformen betrieben werden. Für den Schutz der gespeicherten Daten in der virtualisierten und/oder Cloud-basierten IoT-Umgebung vor unberechtigten Zugriff bieten Security-Produkte von RSA unterschiedliche Sicherheitsstufen und -mechanismen an. Diese können für die jeweiligen technischen und organisatorischen Anforderungen ausgewählt werden.

Virtustream ist der Enterprise-Class Cloud-Software- und Services-Provider für die Migration von unternehmenskritischen Anwendungen in die Cloud. Virtustream bietet erweiterte Funktionen wie verbrauchsabhängige Abrechnung und eingebettete μVM (micro-VM)-Technologien für die Sicherstellung von SLAs auf Anwendungsebene. Die Software Virtustream xStream wird von Unternehmen eingesetzt, um sichere private Clouds zu betreiben, und von Service-Providern, um weltweit Enterprise Cloud Services für ihre Kunden anbieten zu können.

Abschließend noch einmal kurz zurück zum Automobilproduzenten: In den letzten Jahren hat sich die Mediennutzung der Menschen stark verändert, getrieben durch den Trend zu mobilen Geräten. Parallel dazu gewinnt der Wunsch nach medialem Konsum im Auto immer mehr an Bedeutung. Im Auto zu Telefonieren reicht vielen Menschen nicht mehr aus. Dienste und Funktionen, die man vom Smartphone oder Tablet gewohnt ist, möchte man auch im Auto nutzen. „Connected Cars“ heißt das Schlagwort. Der Endkunde möchte sein Fahrzeug „neu erleben“. Eine kontinuierliche vorausschauende Wartung seines Fahrzeuges vom Hersteller kann unmittelbar die Kundenzufriedenheit erhöhen – beispielsweise wenn der Kunde über das Board-Diagnose-System und die mobile Car-App die Information erhält, dass das in Kürze anstehende 30.000-Kilometer-Service-Intervall auf 50.000 Kilometer verlängert werden konnte. Denn für ihn bedeutet das, dass er Zeit und auch Kosten eingespart hat. Zugleich fühlt er sich bestätigt, dass sich zum Beispiel seine schonende Fahrweise positiv auf sein Portemonnaie ausgewirkt hat.