KUKA Digital Domains

Durch die Zusammenführung der notwendigen Kompetenzen aus der digitalen und der faktischen Welt des Maschinen- und Anlagenbaus prägt KUKA das Thema Industrie 4.0 an zentraler Stelle.

Die smarte Transformation in die digitale Welt

Neben der Rolle als proaktiver Treiber von hersteller- und industrieübergreifenden Standards engagiert sich KUKA vor allem bei der Schaffung der notwendigen Plattformen, als Verbindung zwischen der realen Produktion und den entsprechenden digitalen Strukturen. Damit kreieren wir die Voraussetzungen für eine offene und übergreifende Architektur.

Eine Struktur, die Benutzern überall, zu jeder Zeit und über jedes Endgerät Zugang zu den Daten der kundeneigenen Produktion gibt. Dies ermöglicht, Komponenten und Prozesse mit nahezu unbegrenzter Rechenleistung zu analysieren, zu administrieren und gegebenenfalls auch neu zu konfigurieren. Eine Plattform, die es zulässt, ganz neue Märkte und Regionen über das Internet zu erreichen und Knowhow zu skalieren.

Technisches Konzept von KUKA Digital Domains

Shopfloor / Edge

Als First Mover hat KUKA für die Smart Factory von morgen offene, interoperable und modulare Architektur-Layer und Plattformen entwickelt, die eine effiziente Verschmelzung der klassischen Automationstechnik mit den Cloud-Technologien garantieren. Demnach beginnt jeder Datentransfer zunächst mit einer Komponente oder einem Prozess in der Produktion, deren Steuerung und Sensorik über bestimmte Protokolle und Bussysteme mit deren Peripherie kommunizieren. Die Edge stellt dabei die Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Zellen-Netz (Operation Technoloy, OT) und dem übergeordneten IT-Netzwerk (Information Technology) her. Die Daten können in der lokalen Edge-Hardware bereits konsolidiert, komprimiert und verschlüsselt werden, bevor sie an die Cloud weitergegeben werden.

Cloud-Anbieter-übergreifend ist der Trend erkennbar, typische Cloud-Funktionen, wie beispielsweise Event Processing, auf die Edge zu verlagern, um näher am Prozess zu sein und damit direkter und schneller in Echtzeit reagieren zu können. Schließlich wird dies dazu führen, dass in der Cloud Steuer- und Regelaufgaben mehr und mehr zentralisiert werden, statt sie dezentral auf die unterschiedlichen Automatisierungsgeräte zu verteilen. Also ist die Edge der entscheidende Layer, um reale Dinge (»Things«) in den Produktionshallen mit dem nahezu unbegrenzten Rechen- und Speichervermögen in der Cloud zu verbinden.

Über die Integration von Edge-Gateways in bestehende Produktionsanlagen (»Brownfield«) können diese ebenfalls in die neue digitale Welt von Industrie 4.0 einbezogen werden. Bei der Planung neuer Anlagen (»Greenfield «) erlaubt die Edge wiederum die Evaluierung völlig neuer Steuerungsarchitekturen, in denen eine rechenstarke und echtzeitfähige Edge als zentrale Zellensteuerung arbeitet. Da der Edge-Layer zwischen Things und Cloud interagiert, werden die Komponenten von den Anforderungen an Cloud-Kommunikation, wie Security, Rechenleistung, Speicherbedarf etc., entlastet und gleichzeitig um fehlende, cloudkompatible Kommunikationsprotokolle ergänzt. Diese Dienste werden in dem kompakten und vor allem sicheren Embedded-Rechnersystem direkt im Produktionsumfeld integriert und durch diese zellen- und komponentenübergreifend zur Verfügung gestellt.

Für den Endkunden und damit Betreiber der Zellen und Anlagen ist es wichtig, dass die Datenzugänglichkeit seiner Prozesse mit einer minimalinvasiven Integration einer Edge ermöglicht wird. KUKA forciert daher die Standardisierung und Offenlegung der Schnittstellen, sodass sämtliche Dinge der Produktion über dieselbe Edge mit der Cloud kommunizieren können. Hierbei arbeitet KUKA in den etablierten Gremien mit und treibt OPC UA als standardisiertes Kommunikationsprotokoll voran.

Deep Dive: Darüber hinaus werden die Erweiterungen TSN (Time Sensitive Networking) für deterministische Echtzeitkommunikation über OPC UA und AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) für OPC-UA-Cloud-Kommunikation vorangetrieben. Zudem greift KUKA auf langjährige Erfahrungen mit Produkten auf der Edge zur Fernwartung zurück und hat dieses Wissen erst kürzlich mit der Beteiligung am Silicon-Start-Up Nebbiolo erweitert.
Industrie 4 0 Digital Domains
Die eigens entwickelte Plattform-Architektur von KUKA bringt klassische Automationstechnik und Cloud-Technologien zusammen.

Der Cloud Layer – Public, Private, im Internet oder On Premise

Die Internet-der-Dinge-Plattform (IoT Plattform) – in der Bezeichnung »Cloud« mit inbegriffen – ist die nächste Station der Datensätze nach der Edge. Doch was verbirgt sich eigentlich dahinter? Nachdem zukünftig sämtliche Dinge in der Produktion über standardisierte Protokolle mit der Edge kommunizieren, werden diese Daten nun in die Cloud geschickt. Die Cloud ist an der Stelle eine verfügbare Rechner-Infrastruktur, die über einen Anbieter wie Microsoft oder Amazon zur Verfügung gestellt wird – Infrastructure as a Service oder IaaS.

Die IoT-Plattform wiederum beschreibt eine Plattform auf einer dieser Cloud-Infrastrukturen – Platform as a Service oder PaaS. Gut zu wissen: Die IoT-Plattform der KUKA Tochtergesellschaft connyun ist cloud-agnostisch und kann daher auf beliebigen Infrastrukturen betrieben werden. Also ganz nach der Wahl des Kunden entweder in Form einer Private Cloud, Public Cloud (»irgendwo« im Internet) oder auch beim Kunden vor Ort (On Premise).

Auf dieser Plattform laufen sogenannte Micro-Services ab, wie Authentifizierung, Rollenkonzepte, Big-Data-Speicherung und -Verarbeitung. Auch Themen wie künstliche Intelligenz oder vorausschauende Wartung sowie Ereignisauswertungen werden hierüber ermöglicht. Die IoT-Plattform erlaubt es den Anlagen- Betreibern, die Daten ihrer produzierenden Dinge zu verarbeiten und aus diesen Ergebnissen Rückschlüsse auf die Anpassung von Prozessen zu ziehen.

KUKA richtet die Entwicklungen der IoTPlattform insbesondere auf die Anforderungen des mittelständischen Maschinen-und Anlagenbaus aus. Denn die Plattform ist für Unternehmen sämtlicher Branchen verfügbar und kann marktübergreifend genutzt werden. Auf diese Weise können sich die Partner ganz auf ihre Kernkompetenzen fokussieren und erhalten über die IoT-Plattform von KUKA Zugriff auf etablierte Micro-Services. Darüber hinaus können unsere Partner sowie Dritt-Anbieter für Programmier- Leistungen und Services zur Optimierung einzelner Komponenten oder Prozesse eingebunden werden. Es entsteht eine partnerschaftliche Gemeinschaft, eine Community, welche die Optimierung von Komponenten, Prozessen und Produktionen über eine gemeinsame technische Plattform betreibt. 

Business Cloud – Produktion trifft auf Business Intelligence 

Die IoT-Plattform übernimmt die Thing-relevanten Datenverarbeitungen und -auswertungen. Ein modernes Produktionssystem benötigt darüber hinaus jedoch auch eine einheitliche und strukturierte Abwicklung der übergreifenden Wertschöpfungs- und Wartungsprozesse. Die Business Cloud ermöglicht genau das. Hierdurch sind zum Beispiel sämtliche historisch gesammelten Daten für die Prozess- und Komponentenanalyse zugänglich – unter anderem die Lebenslauf- oder Wartungsinformationen zu einzelnen Robotern.

Daraus resultierend können Prozesse gestartet und digital abgewickelt werden. Durch die standardisierte Verbindung der IoT-Plattform zu der Business Cloud des Kunden können alle – d.h., KUKA ebenso wie ihre Partner – ihre eigenen Datenbanken über diese Schnittstelle in die Auswertungen und Qualitätssicherungsprozesse miteinbeziehen. KUKA betreibt, wie zahlreiche andere Kunden auch, ihre eigene Business Cloud. Das System bietet den Kunden eine durchgängige Erfahrung mit KUKA über sämtliche Berührungspunkte hinweg. Zudem werden unsere roboter-, zellen- und anlagenspezifischen Daten für die Effizienzsteigerung unserer Produktionen künftig in der IoT-Plattform für unsere Community Partner verfügbar sein.

Auch der KUKA Marketplace und der inbegriffene App Store werden über das System betrieben. Konkret bedeutet das, die zunehmende Anzahl an Apps und das generierte Know-how können über diesen Store vertrieben werden – per Mausklick und weltweit verfügbar. Der Vorteil für die Kunden: KUKA übernimmt die Entwicklungs- und Betriebsverantwortung der Infrastruktur und stellt das im Markt vorhandene Prozesswissen in Form von Applikationen für die Community zur Verfügung.

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Der Edge-Layer verbindet sowohl bestehende Produktionsanlagen ("Brownfield") als auch neue Anlagen ("Greenfield") mit der Cloud.

UI, HMI & App Layer – die Basis für intelligente Applikationen und Human Machine Interfaces

Über Human Machine Interfaces (HMIs) erhalten die Kunden die Möglichkeit, auf die Daten und Analyseergebnisse der IoT-Plattform zuzugreifen und entsprechende Bedienhandlungen vorzunehmen. Die Schnittstelle zwischen der Cloud und den HMI-Endgeräten ist ebenfalls durch offen gelegte und dokumentierte – in diesem Fall über sogenannte – RESTful APIs realisiert. Die Community-Partner und weitere Kunden erhalten dadurch die Möglichkeit, eigene Applikationen für beliebige Endgeräte zu programmieren und so die über die Edge eingespeisten Daten anforderungsgerecht auszuwerten.

Applikationen können sehr kompakt aufgebaut sein und für ganz spezifische und gegebenenfalls komponentenbezogene Aufgaben herangezogen werden. Genauso gut kann es sich aber auch um komplexe Anwendungen mit breit gefächerten Funktionsumfängen handeln. In der Praxis variieren diese Anforderungen je nach Branche und den individuellen Produktionslösungen und Strukturen in den Unternehmen enorm. Von der Aufzeichnung der Betriebsstunden bis zur Energieoptimierung über Prozessabläufen – hier sind keine Grenzen gesetzt. KUKA hat bereits breite Kompetenzen und spezialisiertes Personal auf dem Gebiet der App-Entwicklung, welches schon seit vielen Jahren für die lokale Bedienung von Komponenten wie Roboter notwendig war.

Dies spiegelt sich unter anderem in dem Style Guide zur Programmierung von User Interfaces wider, der die intuitive Bedienung sämtlicher Oberflächen unterstützt. Die genannten RESTful APIs ermöglichen es unseren Partnern in der Community des KUKA Manufacturing Eco-Systems, die notwendigen und gewünschten Apps exakt nach eigenen Vorstellungen zu realisieren. Unternehmen können damit nicht nur auf produktionseigene Daten zugreifen, sondern diese auch über die etablierten Micro-Services von KUKA und weiteren Drittanbietern analysieren und auswerten lassen. Unternehmen sämtlicher Bereiche, wie System-Integratoren, Prozess-, Hardwareund Softwarehersteller, OEMs oder Start-ups werden ihre Produkte und vor allem Services künftig über zugehörige Apps ergänzen.

Dieses Szenario wird über den KUKA Marketplace mit zugehörigem App Store ermöglicht: Die programmierten Best-Practice-Lösungen werden hier zum Verkauf zur Verfügung gestellt und bieten den Erstellern somit die Möglichkeit, ihr Know-how weltweit in den Markt zu bringen. KUKA stellt seinen Kunden eine strukturiert aufgebaute Plattform mit breiter Community zur Verfügung, die in einem dynamisch wachsenden Eco-System alle relevanten Tools anbietet, um Industrie 4.0-Lösungen schnell und effizient in die Wertschöpfungskette zu integrieren.

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