Verbindungstechnik Industrie 4.0 – Quo vadis?

Redakteur: Kristin Rinortner

Industrie 4.0 oder Internet of Things sind als Schlagworte in aller Munde. Doch was steckt wirklich dahinter? Oder ist alles nur gemachte Hysterie? Wir haben vier Verbindungstechnik-Hersteller befragt.

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Industrie 4.0: Hochgelobt auf Messen und von Verbänden und der Regierung. Doch wie sieht die praktische Umsetzung in Deutschland aus?
Industrie 4.0: Hochgelobt auf Messen und von Verbänden und der Regierung. Doch wie sieht die praktische Umsetzung in Deutschland aus?
(Bild: Weidmüller)

Das Schlagwort „Industrie 4.0“ wurde im Jahr 2015 auf der CeBit als „Jahrhundertchance“ verkauft, die Hannover Messe lies die Vision der „Smart Factory“ unter dem Motto „Integrated Industry – Join the Network“ konkreter werden. Messe-Vorstand Dr. Jochen Köckler ist überzeugt, dass Industrie 4.0 weit mehr als ein Schlagwort ist. „Sie ist Realität.“ Erstmalig hätten Unternehmen Technologien präsentiert, die man kaufen und einbauen konnte.

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„Wir machen die Krumen, die andere nicht machen wollen“, sagte Gunter Blase (igus) einmal. Sein Sohn Frank ergänzt heute: „Auf einmal werden diese Krumen zu Industrie 4.0“. „Wir werden eine Rekordsumme in die IT investieren, weil es eine logische Fortführung von Lean Production ist.“ Diese Denkweise ist nicht neu, aber konsequent und steht exemplarisch für andere Firmen der Branche wie Lapp oder Molex.

Doch wo steht man in der Praxis Industrie? Wir haben einige Verbindungstechnik-Hersteller zum Thema Industrie 4.0 befragt. Die Antworten spiegeln im Prinzip die Marktstudien der Meinungsforschungsunternehmen wider. So fangen viele Unternehmen erst an, sich mit dem Thema auseinanderzusetzen. Andere sind schon ziemlich weit fortgeschritten.

Ein Beispiel ist Harting. Für die Unternehmensgruppe aus Espelkamp waren die Trends, die sich seit drei Jahren unter Industrie 4.0 subsummieren, auch vorher ablesbar und wurden teilweise vom Unternehmen getrieben, erklärt Andreas Huhmann, Strategy Consultant Connectivity + Networks. So habe man im Jahr 2006 mit Automation IT – die Konvergenz von industrieller Automatisierung und Office IT – eine Diskussion angestoßen, die einen Einfluss auf die vierte industrielle Revolution hat. Dabei habe man sich bewusst als „Enabler“ positioniert. Das bedeutet, dass Komponenten und Lösungen bei Harting im Kontext der wesentlichen Industrie-4.0-Trends stehen.

Auch bei Weidmüller ist „Industrie 4.0“ aktuell wie kein anderes Thema. Das Detmolder Unternehmen fährt bei Industrie 4.0 zwei Ansätze: einmal nutzt man mit der selbstkorrigierenden Stanz-Biege-Maschine – einem Forschungs- und Entwicklungsprojekt des ostwestfälisch-lippischen Spitzenclusters „it’s OWL“ – Industrie 4.0 in der eigenen Fertigung; zweitens unterstützt man mit verschiedenen Produkt-Familien die Kunden bei der Realisierung von Industrie-4.0-Projekten.

Sensorik, intelligente Steuerungen und Datenverarbeitung

„Die Konzepte von Industrie 4.0 beruhen auf mehr Sensorik, intelligenten Geräten, Steuerungen und Datenverarbeitung. Das alles sind Themen, die wir in unserem Produktportfolio bereits haben und konsequent vorantreiben. Auch Steckverbinder und die Verbindungstechnik werden hierzu einen wichtigen Beitrag leisten – nicht nur für die Kommunikation“, erklärt auch Bernd Horrmeyer, Fachreferent für Standardisierung in der Division Device Connectivity bei Phoenix Contact.

Als Anbieter von Kommunikationsinfrastrukturen im industriellen Umfeld setzt sich Hirschmann/Belden ebenfalls intensiv mit den Entwicklungen rund um Industrie 4.0 auseinander. Insbesondere in den Bereichen Security und Wireless beobachtet und treibt das Unternehmen den Markt. „Unsere Technologien und Lösungen halten bereits heute schon den Anforderungen von Industrie 4.0 in den allermeisten Fällen stand. Mit unserem Ansatz Connected Security stimmen wir unsere Steuerleitungen, Steckverbinder, Netzwerktechnologie und Trainingsprogramme optimal aufeinander ab, um unseren Kunden maximale Effizienz bei höchster Sicherheit zu gewährleisten“, kommentiert Dr. John Herold, Vice President Industrial Marketing bei Belden Electronics.

Die Konsequenzen von Industrie 4.0

Die Konsequenzen, die sich für die genannten Firmen aus der Umsetzung von „Industrie 4.0“ ergeben, sind weitreichend.

Bei Harting ist die Messlatte für die Zukunftsfähigkeit aller neuen Lösungen die Tauglichkeit für Industrie 4.0. „Das fängt beim Steckverbinder an, geht über Netzwerkkomponenten und reicht bis zu unseren Systemlösungen für die RFID-Integration. Zusätzlich haben wir eine eigene Smart Factory aufgebaut, die wir zur Demonstration und zur Erprobung unserer Lösungen einsetzen, um einen individualisierten Han-Modular Steckverbinder aufzubauen“, erklärt Huhmann.

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In dieser Smart Factory nutzt Harting aktuelle Technologien. Der Aufbau ist vollständig modularisiert. Die Automatisierung erfolgt durch Cyber Physical Systems, die vollständig in die IT-Applikationen integriert sind. „Wir arbeiten hier mit BPMN (Business Process Model and Notation), um Produktionsabläufe zu beschreiben. Die zu fertigende Produkte wiederum sind mit RFID-Technologie in den Prozess einbezogen.“

Die Wandlungsfähigkeit und hohe Flexibilität erfordere eine Verbindung der Fertigungsmodule mit allen Lebensadern, meint Huhmann weiter. Dabei kann die hohe Verfügbarkeit nur durch ein Management mit intelligenten Infrastrukturboxen erzielt werden. Bei der Infrastrukturbox aus Espelkamp sind weitere Trends wie die Miniaturisierung, die Digitalisierung und die Integration eingeflossen.

Industrie 4.0 braucht Normung und Ausbildung

„Der Wandel zu Industrie 4.0 wird sukzessive mit vielen kleinen und großen Projekten erfolgen, über mehrere Jahre hinweg, das Internet bildet dabei die Kommunikationsplattform. Damit Industrie 4.0 in der Industrie „ankommt“ sind Normungen und entsprechend ausgebildete Mitarbeiter notwendig“, davon ist Dr. Jan Stefan Michels, Leiter Standard- und Technologieentwicklung bei Weidmüller überzeugt.

Zur weiteren Umsetzung von „Industrie 4.0“ trägt deshalb auch die „Normungs Roadmap“ des DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik, Elektronik, Informationstechnik im DIN und VDE) bei.

Die „Normungs Roadmap“ ist so gestaltet, dass sie sich auf Basis neuer Erkenntnisse ständig weiterentwickeln kann. Denn in der industriellen Automation müssen verschiedene, höchst unterschiedliche Systeme und Anlagen verschiedener Hersteller zuverlässig und effizient zusammenarbeiten. „Industrie 4.0 erfordert die Schaffung und Entwicklung von einer Vielzahl neuer Konzepte, Technologien und Produkte. Deren Umsetzung kann nur gelingen, wenn sie durch Standards und Normen abgesichert werden“, so Michels.

Nicht nur die technischen Ansprüche auf dem Weg zur Industrie 4.0 sind für Michels immens, auch die Aus- und Weiterbildungssysteme von Unternehmen müssen von Grund auf angepasst werden. Denn die Interaktion mit intelligenten Maschinen und die zunehmende Automatisierung erfordern auf Seiten der Mitarbeiter ganz andere Fähigkeiten. Arbeitsinhalte werden interessanter, aber auch deutlich anspruchsvoller. Ebenso wie die Produktionsprozesse selbst, wird auch Arbeit in Zukunft viel weniger standardisiert sein.

Auch für Bernd Horrmeyer ist klar: „Die Modularisierung der Anlagen und die damit einhergehende Dezentralisierung der Automatisierungstechnik bestimmen die Konzepte. Für die industriellen „Lebensadern“ – Signale, Leistung und Daten – sind die Ansprüche hinsichtlich einer einfachen Installation und Inbetriebnahme sowie einer höheren Wirtschaftlichkeit immer weiter gestiegen.“

Datenraten und Übertragungseschwindigkeiten

Bei den Datenraten sieht Phoenix Contact ein breites Spektrum vom klassischen Feldbus bis hin zur 10-GBbit-Übertragung – je nach Applikation. Im Hinblick auf die künftigen Anforderungen durch Industrie 4.0 werden daher die Datenmengen und die Anforderungen an die Kommunikationssysteme deutlich steigen. Hier gelte es, die Produkte zu ertüchtigen und das Design der modularisierten Anlagen mitzugestalten.

Anforderungen der Industrie 4.0 an die Kommunikationstechnologie sind auch aus der Unternehmensperspektive von Belden deutlich höhere Datenvolumina, schnellere Übertragungsgeschwindigkeiten und sichere Verbindungen in einem vernetzten Industrieumfeld. „Daraus ergibt sich für uns die Notwendigkeit eine leistungsfähigere Kommunikationsinfrastruktur bereitzustellen, die aber gleichzeitig alle technischen und ökonomischen Potenziale von Industrie 4.0 berücksichtigen bzw. unterstützen muss“, ergänzt Dr. Thomas Schramm (Hirschmann Automation & Control).

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Herausforderung Sicherheit (Security)

Eine ganz neue Herausforderung im Rahmen der immensen Vernetzung bei Industrie 4.0 ist die Sicherheit. „Durch den durchgängigen Einsatz von IT wandern deren Security-Mechanismen in die Produktion. Um dabei ein konvergentes Netzwerk aufzubauen, sollten die Sicherheitsmechanismen nicht zu Kommunikationsbarrieren werden. Daher sind die vollständige Trennung von Office IT und Automatisierungsnetzwerken durch z.B. Router abzulehnen“, proklamiert Huhmann. Vielmehr könnten VLan-Lösungen zur Segmentierung gute Dienste leisten.

Insgesamt beherrsche aber heute die IT bereits die notwendigen und geeigneten Security-Mechanismen. Daher mache es im Kontext Industrie 4.0 Sinn, diese Kompetenz einheitlich in einem produzierenden Unternehmen zu nutzen, erklärt der Harting-Mann.

Auswirkungen auf Verfügbarkeit und Safety

„Ein weiteres Thema ist Safety. Hier ist die Situation anders. Grundsätzlich wird heute zumeist ein Black-Channel-Prinzip genutzt, sodass der Übertragung über eine einheitliche Ethernet-Infrastruktur nichts im Wege steht. Da aber Verfügbarkeit und Safety stark miteinander korreliert sind, müssen die Auswirkungen der einheitlichen Infrastruktur noch genau analysiert werden“, konstatiert Huhmann.

Auch Michels ist überzeugt: „Ein unautorisierter Zugriff auf die verschiedenen Produktionsanlagen und die verschiedenen Kommunikationsebenen muss auf jeden Fall verhindert werden. Dazu gibt es beispielsweise Gigabit Security Router.“ Die Router sind eigens für Industrienetzwerke entwickelt worden und bieten eine sichere, zuverlässige Kommunikation zwischen Ethernet-basierten Maschinen und Anlagen sowie übergeordneten Netzwerken.

„Weiterhin ermöglichen die integrierten VPN-Fernwartungsfunktionen der Router Anwendern den gesicherten internetbasierten Fernzugriff auf Komponenten und Systeme im LAN-Netzwerk – wahlweise kabelgebunden über den WAN-Port oder mobilfunkgestützt über das UMTS-Interface.“ Für sichere VPN-Verbindungen könnten sowohl die OpenSource-Technologie „OpenVPN“ als auch die „IPsec“-Verschlüsselung, jeweils als Client und Server-Funktion, eingesetzt werden, erklärt Michels.

Datensicherheit durch drei Cloud-Ebenen

Bei Weidmüller arbeitet man mit drei verschiedenen Cloud-Ebenen, um optimalen Datenaustausch und optimale Datensicherheit zu erreichen. Zum einen setzt man eine Maschinen-Cloud ein, die flexible Veränderungen an Produktionsanlagen ermöglicht. In der Praxis bezieht die Maschinen-Cloud ihre Daten dann aus verschiedenen verteilten Intelligenzen, also Modulen, die in der Lage sein müssen, sich flexibel anzupassen. Somit entsteht eine Vielzahl von verteilten Steuerungen, die autark agieren.

„Zum anderen nutzen wir eine Werks-Cloud, in welcher die Machine-to-machine-Kommunikation erfolgt. Die Maschinen kommunizieren also untereinander und tauschen zum Beispiel Daten über den Produktionsstatus aus.“ Bei Sicherheitsbedenken oder anderen Problemen können in der Produktionskette vorgelagerte Maschinen den Stopp-Befehl an nachfolgende Maschinen geben, sodass diese in der Lage sind, ihr Produktionsverhalten anzupassen.

„In der Fabrik der Zukunft wird die Machine-to-machine-Kommunikation zudem durch eine Product-to-machine-Kommunikation ergänzt werden. Auf diese Weise wird schließlich ein intelligentes kommunizierendes Produkt entstehen, das entsprechende Befehle an die Maschinen gibt“, erläutert Michels.

Die dritte Form der Cloud ist eine gängige Internet-Cloud, wie sie die meisten mit dem Begriff der Cloud verbinden – über diese lassen sich komplette Werke vernetzen.

Am sicherheitskritischsten aus produktionstechnischer Sicht sei sicherlich die Maschinenebene meint Michels – wenn beispielsweise Schadsoftware über einen USB-Stick in die Maschinensteuerung eindringt, da dies einen Produktionsausfall oder im schlimmsten Fall eine Gefährdung von Mensch oder Maschine auslösen könne. Die größte Gefahr stelle daher nach wie vor menschliches Versagen dar. Aus diesem Grund sei es besonders wichtig, Mitarbeiter immer wieder für das Thema Datensicherheit und Industriespionage zu sensibilisieren, so Michels.

Saubere Strukturierung und Security-Produkte

Horrmeyer geht das Thema Sicherheit aus einer anderen Perspektive an: „Bei der Planung einer Anlage kommt es nach wie vor darauf an, für eine saubere Strukturierung zu sorgen. Mit unseren Security-Produkten kann dann der Zugriff auf Anlagenteile und Daten auf einfache Weise erfolgen. Hält man dabei die Regeln ein, die jetzt schon bekannt sind, sind die Anlagen genauso sicher wie bisher.“

John Herold fasst zusammen: „In der Smart Factory wird sowohl vertikal als auch horizontal und insbesondere über Unternehmensgrenzen hinweg kommuniziert. Dieser Umstand birgt als solches ein enormes Risikopotenzial. Ohne zusätzliche Sicherungsmaßnahmen sind alle Kommunikationsebenen damit betroffen und hier greift auch unser Connected-Security-Ansatz. Wir sehen hier die Notwendigkeit einer ganzheitlichen Security-Konzeption, der In-Depth-Security aller relevanten Netzwerkteilnehmer, der Abstimmung von Leitungs-, Steckverbinder, und Netzwerktechnologie.“

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