Der Shop-Floor Service Connector – eine Verbindung zwischen zwei Welten

Februar 6, 2020 | in Gastbeiträge | von Matthias Milan Strljic (ISW)

Bei dem Unterfangen „Shop-Floor Service Connector zur nutzerfreundlichen und plattformunabhängigen Entwicklung von Industrie 4.0 Smart Services (SFSC)“ handelt es sich um ein gefördertes Forschungsprojekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung des Förderprogramms „KMU Innovativ: Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT)“. Dabei bilden die Industriepartner pragmatic minds GmbH, pragmatic industries GmbH, scitis.io GmbH und SOTEC Software Entwicklungs GmbH + Co. Mikrocomputertechnik KG zusammen mit dem Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart als Forschungseinrichtung ein Konsortium, um eine gemeinsame Problemstellung zu erforschen, die sich der Entwicklung von Software-Services innerhalb des Shop-Floors annimmt.

Und darum geht‘s

Es werden gezielt die Herausforderungen vom digitalen Wandel, der Digitalisierung und den drastischen Veränderungen der Industrie 4.0 Ära betrachtet. Denn um die Vorteile einer vollständig vernetzten Produktionsanlage ausnutzen zu können, müssen die Komponenten darin nicht nur effektiv sein, sondern auch effizient entwickelt werden können. Der aktuelle Trend wendet sich nicht von der traditionellen Automatisierungstechnik ab, sondern erweitert diese mithilfe des Einsatzes von Technologien, die zuvor nicht im Hallenboden eingesetzt wurden.

Dabei finden Softwarewerkzeuge aus einer Vielzahl an Domänen, wie z.B. Datenwissenschaften, maschinellem Lernen, künstlicher Intelligenz, Big Data, Cloud Computing, Edge Computing, Web-Technologien oder Blockchains ihren Einsatz in Produktionsanlagen und deren Steuerungen. Es handelt sich hierbei stets um eine Kombination aus Software-Werkzeugen, um die Effizienz einer Anlage zu erhöhen oder einzigartige Funktionalitäten zu ermöglichen.

Diese Kombination wird hierbei meist als Smart Service bezeichnet und eine Komposition dieser Services erlaubt es Unternehmen teilweise drastische Effizienzsteigerungen zu erreichen. Jedoch ist die Entwicklung dieser Softwarekomponenten und im speziellen ihre Integration in das Automatisierungsumfeld mit erheblichem Aufwand verbunden. Denn es treffen hier Welten aufeinander. Die Branche der Automatisierungstechnik fokussiert sich meist auf hardwarenahe und ressourceneffiziente Programmierplattformen wie C, C++, FPGAs oder Mikrocontroller.

Datenübertragung findet mit diversen nicht standardisierten und teils binären Datenformaten statt, um die letzte Microsekunde aus einer Übertragung herauszuholen. Diese Optimierungen werden benötigt, um die Abläufe von deterministischen Echtzeitprozessen zu gewährleisten, welche essenziell für die Funktionalität sind und zugleich höchst sensibel auf Umgebungsveränderungen reagieren. Dem gegenüber stehen Cloud- oder KI-Technologien, die einen hohen Grad an Ausfallsicherheit, Datendurchsatz, Modularität und Plattformunabhängigkeit bieten. Dafür benötigen diese Systeme hochskalierbare Infrastrukturen und nachrichtenbasierte Middlewares, um ressourcenintensive Berechnungen, die Skalierbarkeit oder eine plattformübergreifende Kommunikation zu realisieren.

Welche Ziele und Vorteile verfolgt das SFSC?

Hier möchte das Konsortium von SFSC ansetzen und eine Brücke zwischen diesen beiden Welten schaffen mithilfe der Realisierung einer Middleware auf Basis von Cloud-Technologien, die es erlaubt die Vorteile mit Kompromissen weitestgehend beizubehalten und dennoch die Anforderungen des Shopfloors zu berücksichtigen. So verwenden wir zwar eine nachrichtenbasierte Kommunikation verzichten jedoch auf einen zentralen Broker, schwergewichtige Protokolle oder eine zentrale Service-Registry.

Diese Brücke zielt besonders auf die zahlreich vertretenen KMU in Deutschland ab. Unternehmen, die für die Wettbewerbsfähigkeit in der Digitalisierung teilnehmen müssen, jedoch keine Teams an Softwareentwickler zusätzlich neben dem Automatisierungsengineering beschäftigen können.

Das SFSC stellt kein hochkomplexes und konfigurierbares System dar, sondern versucht über Einfachheit und Abstraktion sein Ziel zu erreichen. Anwendern soll es ermöglichen ohne den Einsatz zusätzlicher Hardware Softwarekomponenten als Service in ihre Technologielandschaft zu integrieren und diese in Smart-Services zusammenzuschließen. Dabei strebt die Architektur von SFSC Ressourcensparsamkeit und eine einfache Plattformunterstützung an.

Anwendungsintegration

Die zukünftige Pflege des Projektes soll als Open Source Softwareprojekt erfolgen, und somit allen Unternehmen weltweit die Möglichkeit bieten ihre entwickelten Software-Services untereinander innerhalb des Shopfloors zu vernetzen und sich als ein weiterer Standard der Kommunikation in Symbiose mit bestehenden Automatisierungsprotokollen etablieren.

Komplexitätsanalogie

Das ISW und pragmatic minds/ pragmatic industries arbeiten hierbei eng zusammen, um beispielsweise eine breite Anbindung an Automatisierungsprotokolle als Service über das Apache Projekt PLC4X bereit zu stellen, innovative Auswertungen von Anlagendaten als Smart Service zu kapseln oder die bereits bestehende Modularität des Digital Cockpits zu erhöhen und um eine dynamische Kopplung zwischen Produktionszellen zu ergänzen. Dies wird eine zukunftssichere Erweiterbarkeit garantieren und mithilfe von SFSC als Middleware die Schaffung eines offenen Ökosystems für Smart Services für den Shopfloor schaffen.

Wer hat’s geschrieben?

Vielen Dank an unseren Gastautor Matthias Milan Strljic vom ISW für die Vorstellung unseres gemeinsamen Forschungsprojektes!

Matthias hat seinen Abschluss als M.Sc. in Softwaretechnik an der Universität Stuttgart gemacht und arbeitet mittlerweile seit 3 1/2 Jahren als wissenschaftlicher Mitarbeiter am ISW der Universität Stuttgart. Seine Themengebiete umfassen Automatisierungsprotokolle (Beckhof ADS, Siemens S7 oder OPC UA), nachrichtenbasierte Systeme (AMQP, MQTT, ZeroMQ etc), serviceorientierte Architekturen und Technologien aus dem Bereich des Cloud-Computings.

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