IPL-Magazin 26 | Januar 2014 | IPL Gastautor: Axel Born von der SoftProject GmbH

SoftProject GmbHIndustrie 4.0 ist ein bewegendes Trend-Thema. Wie aber soll ein Betrieb auf Industrie 4.0 aufsetzen oder umrüsten, ohne seine gesamte Infrastruktur, wenn nicht sogar den Maschinenpark, zu modernisieren?




Axel Born von der SoftProject GmbHIndustrie 4.0 ist ein bewegendes Trend-Thema. Wie aber soll ein Betrieb auf Industrie 4.0 aufsetzen oder umrüsten, ohne seine gesamte Infrastruktur, wenn nicht sogar den Maschinenpark, zu modernisieren? Gemeinsam mit ihrem Partner ProNES Automation GmbH hat SoftProject ein Software-Produkt entwickelt, das es ermöglicht, auf Basis der vorhandenen Maschinen und IT-Umgebung auf den Zug „Industrie 4.0“ aufzuspringen.

„Was sein sollte und sein könnte“ beherrscht noch immer die Diskussion um Industrie 4.0. Über diese Theorie ist SoftProject gemeinsam mit ProNES Automation schon längst hinaus, denn Industrie 4.0 –die Vernetzung intelligenter Industrieanlagen für mehr Flexibilität – wird bei den Projektpartnern bereits zur Realität. Mit PIQ.machine.data hat ProNES Automation auf Basis des X4 Enterprise Service Bus von SoftProject ein übergreifendes Datenmanagement entwickelt, dessen Funktionalität bereits in mehreren Werken eines namhaften Automobilzulieferers bewiesen wird.

Medienbruchfreie Vernetzung

Technologien in ihren Fachdisziplinen sind heutzutage enorm ausgereift. Die einzelnen Fachbereiche jedoch unter einen Hut, oder in technischer Sprache gesprochen, auf eine Plattform zu bekommen, ist eine der größten Herausforderung vor der Industrie 4.0 bis heute stand. Mit einer bewährten X4 ESB -Technologie und dem fundierten Schnittstellen-Know-how von ProNES Automation, kann diese Aufgabe gemeistert werden. Die Idee eines unternehmensweiten einfachen Datenmanagements für die Industrie ist bereits vor mehr als drei Jahren entstanden. Dank der engen Partnerschaft der zwei Unternehmen ist es nun mit der Middleware PIQ.machine.data gelungen, die Funktionen, die ein Enterprise Service Bus bietet, auch auf die Fertigungsebene zu übertragen.

Vorhandene Standards nutzen
Zur Lösung der Aufgabenstellung im Umfeld Industrie 4.0 nutzt PIQ. machine.data den X4 Server. Der X4 Server beinhaltet den X4 Enterprise Service Bus (X4 ESB) sowie die X4 BPM-Engine und ist eine Java EE-Anwendung. Die Process Engine des X4 Servers führt die zuvor modellierten Geschäftsprozesse aus. Er enthält zudem auch das X4 Repository, in dem sämtliche Projekte, Prozesse und Konfigurationen gespeichert sind.

Eine Anforderung bei Industrie 4.0 ist nicht die folgerichtige und prozessorientierte Verarbeitung von Massendaten, sondern auch deren oftmals sehr zeitkritischen Information.
Daher ist der X4 Enterprise Server Bus darauf ausgelegt in Echtzeit-Umgebungen mit extrem hohen Datenaufkommen zum Einsatz zu kommen. Das Prozessmodell wird von der Process Engine interpretiert – ein internes Objektmodell mit Cache – und direkt ausgeführt. Für die besonderen Performance-Anforderungen werden unter anderem im Produktionsmodus des X4 Enterprise Service Bus Techniken eingesetzt, um XML-Operationen effizienter auszuführen, etwa Caching-Strategien oder auch die Vorkompilierung von XSL-Transformationen beim ersten Aufruf.

In Java für Echtzeit-Systeme, aber auch im Standard-Java kann der Classloader durch entsprechende Methodenaufrufe dazu bewegt werden, bestimmte oder alle notwendigen Klassen-Dateien beim Starten zu laden, sodass sich bei deren Benutzung kein Zeitverzug ergibt. Weiterhin werden Performance-Optimierungen durch spezielle Prozess-Designs und Adapter, z. B. Realtime TCP/IP Socket, erreicht.

Jede Prozessinstanz wird in einem eigenen Thread ausgeführt. Dies ermöglicht die gleichzeitige Verarbeitung von mehreren Anfragen und ist somit entscheidend für die Skalierbarkeit des Systems, sowie für ein optimales Multithreading. Eine Prozessinstanz kann einen weiteren Thread starten, indem sie einen weiteren X4-Prozess mittels Process Starter Adapter startet – zumeist asynchron. Dies ermöglicht ein paralleles Abarbeiten einer Anfrage und damit verbesserte Ressourcennutzung. Das bedeutet, die Arbeit wird aus dem UI-Thread verlagert und führt damit zu einer Verbesserung der Antwortzeiten.

Für die Koordination von mehreren Threads bzw. Prozessinstanzen wird die Nutzung von Nachrichtenwarteschlangen (JMS Queues) empfohlen. Alternativ kann auch mittels JMX-Switch – einem MBean in der JMX Console inklusive entsprechendem X4-Adapter – oder über eine Datenbank die Ausführung von Prozessinstanzen koordiniert werden. Wenn das Ergebnis einer parallelen Verarbeitung benötigt wird, können die einzelnen Threads und deren Ergebnisse über JMS koordiniert werden.

Der X4 Enterprise Service Bus verfügt über eine Java-Programmierschnittstelle (API), mit der sich Funktionen im X4 Server aufrufen sowie JARBibliotheken als Adapter einbinden lassen.

X4-Prozesse können zudem über verschiedene Schnittstellen angesprochen werden: WebService (SOAP, REST, HTTP Plain), Java API oder Kommandozeile. Zudem können X4-Prozesse auch über einen eigenen Scheduler bzw. durch Warten auf ein Ereignis (Listener) gestartet werden.

Die Daten werden in das standardisierte XML-Format umgewandelt und über die Plattform zur Verfügung gestellt.


Adapter in der X4 BPM Suite


















Ganze Werke werden so über die Software visualisiert und über die Betriebs- und Produktionsdaten transparent gemacht. Damit kann die Produktion online eingesehen werden und Lieferanten und Kunden in Echtzeit bereitgestellt werden – vom Zustand der Maschinen und dem Fortschritt der laufenden Produktion, bis hin zu den Qualitätsdaten der einzelnen Produkte. Das Idealbild „Smart Factory“ bedeutete nicht nur, dass die Industrieanlagen intelligenter werden, sondern darüber hinaus, dass sie sich auch leichter managen lassen.

Komplett automatisiert
Wie stabil die Lösung funktioniert, hat sich bereits in einem Projekt bei einem Automobilzulieferer gezeigt. Hierbei bestand die Produktion, wie in der Praxis nicht unüblich, aus Insellösungen, die es galt miteinander zu vernetzen. Mit der Umstellung auf die angeführte Smart Factory Lösung werden nun sämtliche Maschinen – vom Wareneingang über die Produktion bis hin zum Warenausgang – über Schnittstellen, z.B. zum File Server, OPC Server oder IP Server, angesprochen und in PIQ.machine.data abgebildet. Dabei werden Parameter und Programme automatisiert an die eingesetzten Produktionsmaschinen übertragen und Messdaten sowie Status- und Steuerinformationen – teilweise lasergestützt – von den Maschinen abgerufen und zur Qualitätssicherung ausgewertet. Frei parametrierbare Dashboards ermöglichen die anschließende Darstellung dieser Kennziffern.

Vollständig Transparenz – auch in Zukunft
Der Einsatzzweck von Systemen wie X4 ist, neben einer grafi schen Programmierung von Prozessen, sowie dem Mapping von Daten, ein dynamisches System zu schaffen, das eine einfache und zeitnahe sowie prozessgetriebene Schnittstellenentwicklung erlaubt und sich damit von den klassischen Peer-toPeer-Lösungen unterscheidet.
Über das standardisierte XML-Format gestaltet sich die Konfiguration von Prozessen im Vergleich zu anderen Sprachen sehr einfach. Zudem lassen sich über die Java-Programmierschnittstelle im X4 ESB jederzeit neue Adapter erstellen und in Prozesse einbinden. Für den Anwender bietet diese Art von Integrationszenario eine große Zukunftssicherheit, da es voraussichtlich keinen Fall gibt, der nicht integriert werden kann.

Daten-Mapping in der X4 BPM Suite

Dynamische Vernetzung
Die Produktion hat bereits in der Vergangenheit und wird vermutlich auch in Zukunft mit proprietären Lösungen arbeiten. Es ist noch nicht realistisch, unterschiedlichste Maschinen von verschiedenen Herstellern mit einer übergreifend standardisierten Software zu erhalten. Umso wichtiger ist es, eine übergeordnete Basis zu bilden, die alle Komponenten zusammenführt.

Diese Idee ist sicherlich nicht neu, der Automatisierungsgrad und die Durchgängigkeit der Informationen waren jedoch bisher nicht über eine Plattform abbildbar. Mit PIQ.machine.data auf Basis des X4 Enterprise Bus ist ProNES Automation gemeinsam mit SoftProject ein wichtiger erster Schritt in Richtung „dynamische Vernetzung und Industrie 4.0“ gelungen.

 



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