Die PSI-Lösungsarchitektur für Produktionsprozesse der Zukunft

Auf dem Weg zur Smart Factory

Aus den grundsätzlichen Ideen der Smart Factory lassen sich Anforderungen an Softwaresysteme ableiten. Diese werden auf in der Industrie breit genutzten Technology-Stacks basieren, damit die Zukunftsfähigkeit der Lösungen sichergestellt wird.

Mit der auf Java basierenden Lösungsarchitektur bietet die PSI AG eine leistungsfähige Plattform, die durch eine moderne Benutzeroberfläche sowie zahlreiche Produktivitätsverbesserungen dem Kunden die passende technologische Basis für zukünftige Produktionsprozesse zur Verfügung stellt.

Die Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 der Forschungsunion machen deutlich, dass es sich dabei nicht zuletzt auch um ein Integrationsprojekt der gesamten Industrie handelt.

Kernelement ist die aus Cyber-Physischen Systemen (CPS) bestehende Smart Factory. Die Smart Factory ist somit ein Cyber-Physisches Produktionssystem (CPPS). Die Smart Factory integriert sich in die gesamte und flexibel gestaltbare Infrastruktur und besitzt Schnittstellen zu Smart Mobility, Smart Logistics, Smart Grids und Smart Services. Die Produktionssysteme werden wandelbar sein und adaptive Logistikkonzepte nutzen.

Die Produktion der Zukunft ist wirtschaftlich, urban, „menschlich“ und ressourcenschonend.

Menschzentrierte Anwendungen und Interaktionskonzepte

Die neuen Anforderungen im Kontext von Industrie 4.0 erfordern neuartige Assistenzsysteme und multimodale Benutzerschnittstellen mit dem Produktionsprozess, den Maschinen und Anlagen sowie den beteiligten Softwaresystemen. Die Smart Factory erfordert somit menschzentrierte Anwendungen und Interaktionskonzepte. Der Informationsbedarf orientiert sich an der Rolle des Menschen im Prozess, seiner Aufgabenstellung, den genutzten Hilfsmitteln, den verfügbaren Informationsquellen und der gesamten Organisation der Fabrik der Zukunft. Der Informationsbedarf der Mitarbeiter hängt von vielfältigen Einflussfaktoren ab. Dazu werden rollenbasierte Anwendungskonzepte in Verbindung mit zugeschnittenen und flexibel gestaltbaren Interaktionsschnittstellen benötigt. Hinzu kommt eine zunehmende Mobilisierung der Arbeit. Mobile Anwendungsszenarien in Verbindung mit location-based-services unterstützen die Anwender bei der Erfüllung der Aufgabenstellungen in der Smart Factory.

Safety & Security

Die hochgradige Vernetzung der Maschinen und Anlagen und den sie steuernden Softwaresystemen erfordert sichere und stabile Kommunikationskanäle (Safety und Security), die auf Standards basieren. Die Nutzung des Internets der Dinge und Services verlangt sichere Verbindungen und verlässliche Authentifizierung von Bedienern, Maschinen und Softwaresystemen untereinander.

Horizontale und vertikale Integration

Die vertikale Integration der beteiligten Systeme vom Engineering bis in die Automatisierungstechnik erfordert standardisierte Interfaces und Technologien für die Vernetzung. Die flexible Gestaltung der Schnittstellen benötigt einfache und stabile Werkzeuge für die effiziente Vernetzung aller Komponenten. Damit wird die Kopplung der hochauflösenden Produktionsregelungssysteme bis zur Maschinensteuerung erst möglich. Die horizontale Integration innerhalb von Wertschöpfungsnetzen bedarf offener und stabiler Schnittstellen zwischen den Partnern des übergeordneten Produktionssystems. Die derartigen Softwaresystemen zugrunde liegende technologische Basis verfügt über die für die Umsetzung der Konzepte Industrie 4.0 notwendigen Eigenschaften wie u. a. Echtzeitfähigkeit, ausgereifte Safety & Security der Kommunikation und der Software, flexible Gestaltungsmöglichkeiten der Interaktion mit dem Prozess und der Software, Unterstützung kontextadaptiver Arbeitsweisen oder automatisierte Workflows und Benachrichtigungsmechanismen.

Auf dem Weg zur Smart Factory

Die PSI-Plattform basiert zu 100% auf Java™. In erster Linie sichert dies eine Unterstützung verschiedener Systemplattformen (Windows, Linux, HP/UX, AIX u.a.) und eine integrierte Behandlung der Internationalisierung. Im Rahmen der Anforderungen von Industrie 4.0 treten jedoch weitere Aspekte in den Vordergrund. Die besonderen modularen Fähigkeiten von Java und eines OSGi-basierten Kernsystems erlauben die dynamische Zusammenstellung generischer Module zur Laufzeit. Hierdurch lassen sich bedarfsorientiert Systeme zusammenstellen, die adaptiv eine selbstorganisierende Logistik realisieren. Die durch Industrie 4.0 angestrebte Co-Modellierung der realen und virtuellen Produktion bezieht somit die Softwaremodule als integrale Systembestandteile ein.

Mehrschichtigkeit

Die PSI-Plattform unterstützt mehrschichtige Client-/Server-Architekturen. Die wesentliche Motivation hierfür ist eine Trennung der Geschäftsprozesse und Produktionsstrukturen von den Aspekten der Präsentationslogik. Die für die Interaktion mit einem Cyber-Physical Production System geforderte multimodale Interaktion ist ohne die Trennung dieser Schichten kaum vorstellbar. Eine Trennung alleine reicht aber nicht aus. Die verschiedenen Modi der Interaktion müssen speziell adressiert werden. Hier kommen neben den herkömmlichen Bedienoberflächen auch Technologien wie „Multi Touch“ und „Motion Detection“ ins Spiel, die auf der PSI Plattform durch eigenständige Module repräsentiert sind.

GUI – Grafische Benutzeroberfläche

Die Benutzeroberfläche der PSI-Plattform (GUI) erlaubt die individuelle Anpassung der Interaktionsschnittstelle. Neben rollenbasierten Ausprägungen kann der Benutzer personalisierte Sichten auf die Datenwelten editieren und in Profilen abspeichern. Dies betrifft nicht nur die relationalen Daten und umfangreichen Funktionen wie die Darstellung in Tabellen (Sortierung, Filterung, Gruppierung), sondern auch viele grafische Gestaltungsmöglichkeiten (schematische 2D-Diagramme sowie realistische 3D-Visualisierung), mit denen es einfach möglich ist, den Aufgabenkontext des Beschäftigten für proaktive Assistenzfunktionen zu nutzen. Beispielsweise können lokationsbasierte Sichten die unmittelbare physische Umgebung repräsentieren und somit Techniken der erweiterten Realität (Augmented Reality) in die Benutzerschnittstelle integrieren.

Rollenbasierte Autorisierung

Die Unterstützung kontextadaptiver Arbeitsweisen bedingt systemtechnisch die Anwendung rollenbasierter Autorisierung, welcher der PSI-Plattform in einer durchgängigen Art und Weise entgegenkommt. Nicht nur die Elemente der Bedienoberfläche, sondern auch die zugrunde liegenden Servicestrukturen auf anderen Systemebenen werden hierzu vollständig durch das Modul „AUTH“ kontrolliert. Dem Schutz kritischer Infrastrukturen wird ebenfalls Sorge getragen. In Ergänzung hierzu unterstützt die PSI Plattform durch das Modul CPCT („Code Protection“) verschiedene Mechanismen, um den Schutz des digitalen Prozess-Know-hows und die Absicherung gegen Manipulation und Sabotagen zu gewährleisten.

Standardisierung

Eine besondere Bedeutung bei der PSI Plattform haben modellbasierte Vorgehensweisen. Dabei ist die Struktur der angewendeten Modelle nicht durch die Plattform vorgegeben, sondern kann an die Belange der Anwendung angepasst werden. Verschiedene Modellierungsaspekte im Rahmen von Industrie 4.0 sind noch nicht übergreifend standardisiert.

Mit der fortschreitenden Standardisierung der Referenzarchitektur können die auf der Meta-Modellierung basierenden Strukturen der PSI Plattform entsprechend einer gegebenen Architektur jederzeit angepasst werden.

Bereits jetzt unterstützt die PSI Plattform automatisierungstechnische Modellierungen wie Fabrikmodelle im Rahmen vorgedachter produktspezifischer Domänenmodelle. Es kann mit dem Modul Workflow, gesteuert durch Prozessmodelle, die programmtechnische Ablauflogik durch zur Laufzeit anpassbare Strukturen besser beherrschbar machen.

Ein weiterer Aspekt ist die Fähigkeit von Softwaresystemen, Wertschöpfungsnetzwerke zu überwachen und zu steuern. Dazu gehört nicht zuletzt auch die Integration von Aktor- und Sensorsignalen. Hier hilft das Modul „PSIintegration“, derartige Signale in Echtzeit zu übermitteln. Auch Systemschnittstellen über alle Ebenen und Firmengrenzen hinweg können durch stabilen asynchronen Datenaustausch implementiert werden. Die digitale vertikale und horizontale Durchgängigkeit der Daten- und Informationsflüsse ermöglicht die transparente Kontrolle über das gesamte Produktionsnetzwerk.

Dr. Michael Bartmann
Konzernzentralstellenleiter Entwicklung
PSI AG

Fotos (von oben): Thinkstock/PSI Automotive & Industry GmbH