Das Industrie-4.0-Betriebssystem

Einblicke in den IT-Stack zeigen, wie das offene Betriebssystem BaSys 4.0, die Dateninfrastruktur und SAP harmonieren. Das Vernetzen von Fertigungslinien fällt so in der Praxis wesentlich leichter als bisher und führt zu einer hundertprozentigen Digitalisierung – vom Warenkorb bis zur Fertigung und zum Versand.

Die vernetzte Produktion, in der alle Arbeitsschritte digitalisiert sind, spielt sich auf weniger als einem Quadratmeter ab. Aufgebaut in Fischertechnik bildet das Modell detailliert eine reale Fertigung ab, die sich vom Hochregal über Brennöfen und Roboter hin zur Fertigung über Qualitätskontrolle und Verpackung verfolgen lässt.

Ein Dashboard zeigt zunächst den Auftrag, der mobil einging und im SAP-Backend erfasst wurde. Anschließend hat im Hintergrund das SAP-SD-Modul den Kundenauftrag erzeugt. Das SAP-System meldet an die Middleware BaSys 4.0 das bestellte Material – und wo es im Warenlager hinterlegt ist.

Auf einem handelsüblichen Tablet wird nun jeder weitere Schritt von der Bestellung bis zum Produktversand visualisiert. Die abzuarbeitende Prozesskette basiert auf echten Datenströmen und schließt Schnittstellen zur Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder Bussysteme ein, wodurch man jederzeit in die Fertigung eingreifen kann. Die verarbeiteten Sensordaten der vernetzten Geräte werden im Data Lake (ObjectStore, Hadoop usw.) gespeichert.

Diese Live-Demo wurde Anfang April auf der Hannover Messe präsentiert und zeigte Shopfloor 4.0. So nennt sich die Lösung, die das Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering (IESE) gemeinsam mit NetApp und Objective Partner entwickelt hat.

Shopfloor 4.0 überwindet die bisher größte Hürde, die sich in Industrie-4.0-Anwendungen aufbaute: Der Datenaustausch kann nun in einer vernetzten Produktionsumgebung automatisch ablaufen. Dieser Effekt beruht auf dem abgestimmten Zusammenspiel von BaSys 4.0 mit seinen digitalen Zwillingen, einer effizienten Dateninfrastruktur und dem SAP, das an den IT-Stack angekoppelt wurde. Doch was leisten diese einzelnen Bausteine?

Kommunikation mittels digitalen Zwillings

Die Softwaregrundlage für Shopfloor 4.0 schafft das Fraunhofer IESE, das mit 14 Partnern aus Forschung und Industrie ­BaSys 4.0 entwickelt hat. Entstanden ist ein Betriebssystem für Produktionsanlagen, das einen Sprachstandard für Industrie 4.0 schafft. Das Projekt wird seit 2016 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

BaSys 4.0 ist eine Middleware, die Maschinen vernetzt – Shop- und Office-Floor, also Fertigung und IT-Landschaft, sprechen nun miteinander. Für die Kommunikation sorgt die Open-Source-Lösung, indem sie die Aufgaben von Verwaltungsschalen übernimmt, an die Maschinen ihre Daten senden.

Aufbauend auf BaSys 4.0 haben das Fraunhofer IESE, Objective Partner und NetApp die Lösung Shopfloor 4.0 entwickelt, die mit Support-Funktionen aufwartet. Die Softwareplattform lädt dazu für jede Maschinenkomponente einen digitalen Zwilling.

Ein Datenmodell strukturiert und gibt vor, wie die gesendeten Daten zu organisieren sind. BaSys 4.0 ordnet die Produktionsdaten einem Werkstück zu, führt die Werte zusammen und speichert sie in einer Verwaltungsschale ab.

Ab diesem Zeitpunkt erhalten Daten eine Bedeutung, eine Semantik. Es spielt keine Rolle mehr, von welcher Maschine die Daten über welches Kommunikationsprotokoll kommen. Die Werte lassen sich weiterverarbeiten. So laufen das Werkstück und seine Daten gemeinsam durch die Fertigungslinie.

Dies befähigt dazu, die Qualität der einzelnen Fertigungsschritte und den Fertigungsprozess insgesamt nachvollziehen zu können. Noch bevor ein Produktionsauftrag startet, können sich digitale Zwillinge als äußerst praxisrelevant erweisen.

Denn was passiert beispielsweise, wenn der nächste Auftrag im Maschinenplanungskalender statt 500 nun 800 Werkstücke umfasst? Ein digitaler Zwilling gestattet den Blick voraus. Die softwaredefinierte Simulation veranschaulicht, ob die Maschine durchlaufen kann oder vorher gewartet werden muss.

Im Vorfeld lassen sich nicht nur Großaufträge, sondern auch der eventuell nötige Austausch von Sensoren durchspielen – wovon eine Maschine hunderte haben kann. Jeder Messfühler hat seine eigene Software. Eine Simulation klärt, ob die Software nach dem Update auch in der neuen Version mit dem System kommunizieren kann.

Dienstbasierte Programmierung

Neben der protokollübergreifenden End-­to-End-Kommunikation im Maschinenpark verbindet sich mit BaSys 4.0 noch ein weiterer entscheidender Fortschritt: Speicherprogrammierbare Steuerungen stellen die Dienste bereit, die von Dienstnutzern aufgerufen werden.

Die Dienstnutzer legen also die Fertigungsabläufe fest und verändern diese. Dazu müssen die Maschinen um- beziehungsweise neu programmiert werden. Dies gelingt nun viel effizienter, als wenn man das wie bisher mit der SPS tun müsste.

Das führt zur dienstbasierten Fertigung, mit der sich Kleinserien bis zur Losgröße 1 fahren lassen. In der Praxis kann ein Produktionsleiter zudem den Auftrag einschieben, der am wichtigsten ist. Die Anlage ruft sich lediglich den nötigen Dienst auf – und die neue Fertigungsserie startet.

Aufbau der effizienten Dateninfrastruktur

Die Middleware BaSys 4.0 erzeugt die beschriebenen Effekte jedoch nur, wenn sie in einer Dateninfrastruktur läuft, in der die Daten hochverfügbar sind. Diesen Anspruch setzt NetApp mit Software- und Datenmanagementsystem für Shopfloor 4.0 um.

Verschiedene Technologien wirken in der konzipierten Referenzarchitektur zusammen, damit sich End-to-End-Prozesse on-premises und in der Cloud nahtlos abbilden lassen. Zunächst machen der Storage-Provisioner NetApp Trident und Snapshots BaSys 4.0 im Con­tainer hochverfügbar.

Diese Herausforderung löst NetApp derzeit als einziger Anbieter, indem Trident Container mit einem Persistency-Layer (Persistenzschicht) verbindet. Denn ansonsten würde ein Con­tainer nach einem Neustart oder im Zuge eines Systemausfalls Daten verlieren.

Die Container lassen sich über den NetApp Kubernetes Service (NKS) zur Verfügung stellen. Durch NKS werden das Einrichten, Betreiben und auch Skalieren von Con­tainern vereinfacht und automatisiert.

Die beste Wahl für diese Containerumgebung ist eine hyperkonvergente Infrastruktur (HCI) von NetApp, da diese horizontale Skalierbarkeit und garantierte Leistung (Quality of Service) bietet. Fehlt als wichtiger Baustein noch die NetApp Data Fabric, die das Datenmanagement über verteilte Ressourcen hinweg vereinheitlicht.

Sie verbindet nahtlos private, öffentliche und hybride Cloud-Umgebungen, ohne dass ein Cloud-Vendor-Lock-in droht. Dadurch gewinnt Shopfloor 4.0 an Flexibilität und Skalierbarkeit.

Integration in SAP

Die Shopfloor-4.0-Referenzarchitektur bindet Objective Partner an SAP an, wodurch die Fertigung mit den kaufmännischen und betriebswirtschaftlichen Abläufen im Unternehmen gekoppelt wird. Erst dadurch ergibt sich eine End-to-End-Betrachtung, die im Sinne einer erfolgreichen Customer Journey den Auftraggeber einschließt.

Konkret kommuniziert BaSys 4.0 mit dem SAP Data Hub, der die Daten in einem Standard von der Middleware geliefert bekommt, SAP-konform aufbereitet und an das ERP-System oder die SAP-Standard-Prozesse übergibt.

Die Daten aus der Fertigung, die BaSys 4.0 verwaltet, lassen sich für andere Anwendungen nutzen – beispielsweise für Machine Learning. Der SAP Data Hub, der wie BaSys 4.0 in einem Kubernetes Cluster läuft, bietet die Chance, eine solche KI-Anwendung mit SAP-Standardprozessen zu kombinieren.

Daneben stellt die SAP Cloud Platform (SCP) Algorithmen bereit, die auf Open-Source-Produkten von Hyperscalern wie Google, Microsoft Azure und Amazon Web Services basieren. Das Training der Algorithmen mit Daten findet in der Cloud statt, wofür ein plattformübergreifendes Datenmanagement, wie es die NetApp Data Fabric realisiert, den Weg ebnet.

Unternehmen benötigten bisher eine Datenmanagementlösung, welche die Daten dorthin bringt, wo sie verarbeitet werden sollen – und diese Daten hinterher auch zurückholt. Die Daten heute End-to-End zu kopieren, reicht allerdings nicht mehr. Eine Applikation muss End-to-End durchgreifen können.

Ein nativer Dateninfrastrukturservice, der in die größten Hyperscaler integriert ist und in Sekundenschnelle bereitsteht, löst diese Herausforderung. Bei NetApp heißt dieser cloudnative Datenspeicher Cloud Volumes Service.

Er verschafft den Anwendungen, ob nun Analysen, Datenbanken oder DevOps, schnellen Datenzugriff. Das Speicherbetriebssystem ONTAP beschleunigt die Abläufe auf eine 20-fach höhere Geschwindigkeit als sonst üblich.

Kundenindividualität und Massenfertigung gehen zusammen

Technisch zeichnen sich vorerst keine Grenzen ab, alles mit allem zu verbinden. Wie weit Unternehmen gehen wollen, liegt bei ihnen. Mit Shopfloor 4.0 steht nun eine Lösung bereit, die Fertigungsfirmen den Weg zu Indus­trie 4.0 freimacht und das End-to-End-Digitalisieren der Prozesse vereinfacht.

Das kontinuierliche Eingreifen in die Anlagensteuerung, das parallele Abarbeiten von Aufträgen und das schnelle Aufsetzen einer neuen Produktionslinie zählen zu den wichtigsten Merkmalen von vernetzten Produktionsumgebungen, die auf dem Technologie- und Know-how-Mix der Kooperationspartner aufbauen.

Bei der Umsetzung teilen sich die Partner die Aufgaben: NetApp stellt den IT-Stack, Fraunhofer IESE integriert seine Open- Source-Software BaSys 4.0 und Objective Partner übernimmt den First-Level-Support der Lösung, bei der BaSys 4.0, Dateninfrastruktur und SAP-Prozesse perfekt zusammenspielen – für eine dienstbasierte Fertigung, die Kundenindividualität und Massenfertigung zusammenbringt.