Industrie 4.0 – Vernetzungen für die digitale Fabrik

Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen, die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden. Das Ziel der digitalisierten Fabrik ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik in Verbindung mit dem Produkt.

Ziel ist die weitergehende und tiefgreifende Integration der Fertigungsplanung mit unmittelbarer Auftragsverarbeitung (aus dem Office) bis hin zu neuartigen Produktionsgeschäftsmodellen, z. B. Vor-, Teil- oder Fertigerzeugnissen, variablen Losgrößen und Ad-hoc-Anpassungen der Erzeugnisse sowie der eingesetzten, einzusetzenden oder einsetzbaren Betriebsmittel, die dem aktuellen Bedarf angepasst, aber auch den ständigen technischen Veränderungen gerecht werden müssen. Die Praxis lehrt, dass auf beides, den mittelbaren und unmittelbaren Bedarf sowie auf technische Veränderungen, gerade bei den Weiterentwicklungen für Vernetzung, einzugehen ist. Dies ist Teil eines transdisziplinären Arbeitsgebiets für die Digitale Fabrik.

Was aus der Historie heraus, hauptsächlich in Bezug zu Aspekten und Möglichkeiten sowie den sich ergebenden Notwendigkeiten aus dem Fern(melde)bereich und der LAN-Technologie erläutert wurde, betrifft die Einzelkabelstrecke, wie sie vor allem im Nahbereich der Fabrikautomation dominierend ist. Insbesondere vor dem Hintergrund an digitalisierten Produktionsmitteln (engl.: production means) als Zusammenwachsen von Informationstechnik (IT) und Automation wird nun der Frage nachgegangen, wo was zu platzieren ist zur Mehrfachnutzung der kabelgebundenen (wired) Übertragungsmedien; wireless/cableless als Digitalfunk wird ebenso noch vorgestellt.

Universelle Kabelwege einer Infrastruktur für Vernetzungen in der Digitalen Fabrik benötigen eine Art Basis gerade im Sinne von Kabelkanalanlagen, horizontal wie vertikal, die auch die umgebende Gebäudetechnik und bis dato konventionelle interne Kommunikationstechnik wie zuvor vorgestellte TK-Anlagen/-Teile sowie Sicherheitstechnik aufnehmen kann. Diese stellten ein Muster dar, das schablonenartig eine konsequente Fortführung der systematischen Verdrahtungen bis in die Automationsmaschinen ermöglicht. (Eigentlich ist dies keine der Vernetzungstopologien, die noch umfassend diskutiert werden, aber das Vorgehen kann mit den weiteren Topologien der Kommunikationstechnik in Einklang gebracht werden.) Zellulare Überlegungen folgen.

An dieser Stelle sollen die groben und in weiterer Verfeinerung die bemühten Referenzmodelle für Vernetzungen in der Digitalen Fabrik hinzugezogen werden. Erwähnenswert ist die aktuell neueste internationale (auch nationale: DIN 91345) Standardisierungsinitiative RAMI 4.0 als Referenzarchitektur zur Digitalisierung der kompletten Wertschöpfungskette, jedoch mit der Schwierigkeit der Onthologien (dt./engl.) und Semantiken. Damit könnten Hierarchie-Levels nach IEC 62264 bzw. IEC 61512 gemeint sein, wie Connected World, Enterprise, Work Unit, Station, Control Device, Field Devices und schließlich Product, denen – neben Business-, Functional-, Integration- und Asset-Layers – die Informations- und Kommunikationstechnik gegenübersteht (im Value Stream nach IEC 62890), die hier im Fokus stehen. International gibt es weitere normative Vorstellungen, die erweitert sind, reduziert (z. B. nach DIN EN 62264-1) oder anderen Modellen folgen.

Gemäß den Versorgungsbereichen und Einsatzstellen im Zusammenwachsen von Automatisierung und Informationstechnik (IT) werden nun die drei wesentlichen Kabeltechnologien (wire) der seriellen einschließlich der parallelisierten Übertragungstechnik als jeweils potenziell geeignetste Medien gegenübergestellt. Neben einer unmittelbaren digitalen Verwertbarkeit zeichnen sich diese durch eine Reihe von Eigenschaften aus. Besonders herausgestellt werden die allgemeinen Vor- oder Nachteile, auch informationstechnische Einzelheiten betreffend. Wegen Bestandsschutz verbietet es sich, ein möglichst einheitliches Kabel für alles auszusuchen.

Bei nicht-metallischen Festleitern entfällt prinzipiell die Schirmung – falls keine extrem großen magnetischen Felder andersartiger physikalischer Effekte bei der optischen Signalübertragung zu erwarten sind, die nicht mit den Lichtteilchen (Photonen) selbst wechselwirken, sondern auf das Festmedium Glas einwirken. Somit sind auch die eventuellen Probleme, die aus Erdschleifen und dem Potentialausgleich entstehen, „vom Tisch“: LWL-Strecken (Lichtwellenleiter, engl.: fibre optics) bzw. -Segmente trennen die Potentiale, was als „Opto-Isolation“ zu bezeichnen wäre, und übertragen Informationssignale über eine Glasfaser – als uni- oder bidirektionales „Simplex“ – oder mit doppelten „Duplex“-Fasern, die auch als Gegenrichtungs-Zwillingsfasern bekannt sind.

Aufgrund des aktuellen Stands der Technik bietet sich für Vernetzungen in der Digitalen Fabrik für informationstechnische Kabelstrecken – statt bis dato kabelgebundene Wired-Medien mit metallischem Festleiter und LWL bzw. in Ergänzung – auch das leiterlose Medium Funk (engl.: Radio Frequency Communications, kurz RFC) an; dies unmittelbar in der Automation, auch für deren Überwachung und weiteres in den Automationsebenen.