Die Anpassungen der Produktion in einer Smart Factory nach den Prinzipien von Industrie 4.0 bestehen darin, dass eine dezentrale Intelligenz sowie die Fähigkeit zur Selbststeuerung in die Fertigungsmaschinen eingebaut sind. Zudem sind die Maschinen miteinander vernetzt. Dadurch ergibt sich die hohe Flexibilität und die Fehlertoleranz des Fertigungsprozesses.

Automatisierung_Schichten_02Traditionelle Arten der Vernetzung  können diese Prinzipien aber nicht genügend unterstützen, weil sie zen­tra­lis­tisch organisiert sind. Egal welche Topologie gewählt wird – immer sind die Fertigungsmaschinen mit den Steuerungssystemen (SCADA, SPS) verbunden, diese mit dem Manufacturing Execution System (MES) und dieses wiederum mit dem Enterprise Ressource Management (ERP) System auf der obersten Ebene. Die Steuerbefehle kommen von oben; die Ergebnisse werden detailliert zurückgemeldet und an die richtige Ebene weiter gereicht.

Solche Systeme müssen sehr viele Daten verarbeiten und sich genau an die festgelegten Regeln halten. Damit sind sie zwar unverzichtbar, aber auch starr und wenig flexibel. Das heißt: sie sind den zentralen Prinzipien von Industrie 4.0 entgegengesetzt.

Deshalb ist es in Zukunft wahrscheinlich, dass zumindest auf der Produktionsebene nicht-zentralistische Topologien eingesetzt werden. Denn die Produktionssysteme (die CPPS) haben durch ihre eingebaute Intelligenz die Fähigkeit zur Selbststeuerung. Auf die damit verbundenen Vorteile und Möglichkeiten zur Kostensenkung wird niemand verzichten wollen, nur weil das alte Netzwerk in der Vergangenheit so gut funktioniert hat.

Mesh-Netzwerke

Eine ideale Topologie für CPPS, die untereinander vernetzt sind, ist ein Mesh-Netzwerk. In einem solchen Netz sind alle Knoten mit allen anderen verbunden, entweder direkt oder indirekt über andere Knoten. Typischerweise gibt es keine identifizierbare Zentrale, die die Vorgänge im Netz koordiniert. Die Informationen werden vielmehr von Knoten zu Knoten weiter gereicht, bis sie das Ziel erreichen.

Der Begriff „Mesh-Netzwerk“ bezeichnet nur eine Topologie, also den Aufbau eines Netzes. Die Geräte (Knoten) selber sind nicht festgelegt. Es können zum Beispiel Router, Smartphones oder eben Fertigungsmaschinen sein. Ebensowenig ist die Art der Verbindung festgelegt, die entweder über Kabel oder drahtlos über Sender/Empfänger hergestellt werden kann.

Die folgende Grafik zeigt die Organisation eines Mesh-Netzwerks von CPPS in einer Smart Factory.

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Die Fertigungsmaschinen sind durch die kleinen schwarzen Punkte repräsentiert. Ein blauer Kreis stellt das aktive WLAN-Netzwerk einer Maschine dar, dessen Reichweite am Rand des Kreises endet. Wenn sich zwei Netzwerke überlappen, können die Maschinen miteinander kommunizieren. Zudem können Sie auf diese Weise Pfade bilden, über die Daten in Bereiche geleitet werden, die nicht direkt erreichbar sind.

So kann eine Anfrage von der Fertigungsmaschine A an die Fertigungsmaschine B im gesamten Netzwerk verbreitet werden. Sie erreicht ihr Ziel, solange mindestens eine durchgehende Verbindung durch Überlappung besteht. In der Grafik sind mehrere mögliche Pfade eingezeichnet, von denen in der Praxis der günstigste genommen wird. Das funktioniert übrigens auch, wenn die Maschinen beweglich sind. Dann ändert sich die räumliche Situation im Netzwerk ständig, samt der möglichen Pfade. Wichtig ist nur, dass immer genügend Überlappungen verfügbar sind.

Auf diese Weise können die CPPS Teile der Fertigung eigenständig organisieren. Sie erhalten dazu nur die wichtigsten Parameter wie zum Beispiel die Beauftragung. Am Schluss melden sie den Vollzug zurück. In der Zwischenzeit sind sie mit der Erstellung des Produkts beschäftigt.

Vorteile eines Mesh-Netzwerks

Ein Mesh-Netzwerk hat folgende Vorteile:

  • Es gibt keine zentrale Verwaltung.
  • Die Funktion ist gesichert, auch wenn Komponenten ausfallen.
  • Es ist sehr leistungsfähig.
  • Die Last ist gleichmäßig verteilt.
  • Die nachträgliche Ergänzung durch weitere Produktionsmaschinen ist relativ einfach.

Man handelt sich mit einem Mesh-Netzwerk aber auch Nachteile ein:

  • Die Endgeräte arbeiten als Router. Deshalb sind sie oft aktiv und müssen möglichst permanent eingeschaltet sein. Insgesamt ergibt sich ein hoher Energieverbrauch.
  • Das Routing selbst ist komplex.

Trotz der Nachteile sind Mesh-Netzwerke für CPPS empfehlenswert, denn das Potential zur kostengünstigen Fertigung ist zu hoch, um es zu verschenken. Zudem wäre eine zentrale Organisation der Vernetzung in größeren und komplexen Fabriken gar nicht mehr machbar, denn der Datenverkehr zu den höheren Schichten wäre zu umfangreich, und auch unnötig.

Ein komplettes Mesh-Netzwerk

In den Diskussionen zu dem Thema Vernetzung wird manchmal behauptet, das sie in Fabriken, die vollständig nach den Prinzipien von Industrie 4.0 aufgebaut sind, komplett einem Mesh-Netzwerk ähnelt. Das aber wird aller Voraussicht nach nicht stattfinden. Zumindest die ERP- und die MES-Ebenen werden auch in den nächsten Jahren zentralistisch organisiert sein. Es ist also eine Mischung von zentraler und dezentraler Organisation, die in den Smart-Factories stattfindet, allerdings mit klarer Tendenz zu Dezentralität, vor allem auf den unteren Ebenen.