Der IIoT Circle und warum die Automatisierungspyramide Innovation verhindert.

Die Automatisierungspyramide, kaum eine andere Referenzarchitektur ist so omnipräsent, wenn es um die IT-Landschaft von fertigenden Unternehmen geht. Zu finden ist der Standard in der DIN Norm EN 62264 (identisch zu IEC 62264). Tatsächlich finden sich in der Literatur rund 25 verschiedene Modelle der Automatisierungspyramide, jedoch beschreiben alle im Grunde das Gleiche und lassen sich auf die ISA-95 Spezifikation zurückführen (siehe Die Automatisierungspyramide – Ein Literaturüberblick). Eines haben alle Modell gemein: Sie müssen dringend abgelöst werden, denn die Automatisierungspyramide verhindert Innovation und Vernetzung.

Das Pyramiden Problem

Die Automatisierungspyramide ist ein Level-basiertes Modell. Jedes Level beschreibt einen funktionalen Bereich und kann in der Realität durch eine oder mehrere Applikationen abgedeckt werden. Ich sehe drei grundlegende Probleme der Automatisierungspyramide. 

Automatisierungspyramide

Problem 1 – Informationsverlust und Transaktionskosten

Die Datenerfassung erfolgt klassischerweise aufwärts (Level 0 bis 4) und die Planung abwärts (Level 4 bis 0).  Müssen Informationen von Level 0 zu Level 4 so müssen sie mindestens vier Schritte durchlaufen. Auch wenn es theoretisch möglich wäre Informationen ohne Verluste zu übertragen gibt es in der Realität fast immer einen Informationsverlust zwischen den einzelnen Leveln. Dies führt dazu, dass die ursprünglichen Informationen aus Level 0 oft nur zeitversetzt, verändert oder gar nicht ihr Ziel erreichen. Man kennt es aus dem Spiel “Stillepost”: Ein Spieler denkt sich eine Nachricht aus. Diese Nachricht wird nun flüsternd von Mund zu Ohr von einem Teilnehmer zum jeweiligen Nachbarn weitergegeben. Wiederholt man dies häufig genug ist die ursprüngliche Nachricht am Ende nicht mehr wieder zu erkennen.

Problem 2 – Eins-zu-Eins Verbindungen kosten viel Geld

Die Automatisierungspyramide hat kein explizit beschriebenes Konzept für das Datenmanagement. Durch den Transfer von Daten zwischen den Leveln entstehen zwangsläufig Eins-zu-Eins Verbindungen zwischen IT-Systemen. So haben beispielsweise IT-Systeme der Ebene 3 mindestens zwei Verbindungen zu den angrenzenden Ebenen. In der Realität können so tausende Eins zu Eins Schnittstellen zwischen IT-Systemen entstehen, da oft mehrere IT-Systeme pro Layer eingesetzt werden. So ist es für viele fertigende Unternehmen heute undenkbar, ihr ERP System zu wechseln oder zu updaten. Projekte verschlingen riesige Budgets, um am Ende des Projekts wieder viele kleine Eins zu Eins Verbindungen verwalten zu müssen. Aktuell steigt die Komplexität der Schnittstellen und die damit verbundenen Betriebskosten mit der Anzahl eingesetzter Applikationen. Klar ist auch, dass diese Anzahl im Zeitalter Industrie 4.0 stetig steigt.

Problem 3 – KI braucht Daten

Um das volle Potential von künstlicher Intelligenz (KI) nutzen zu können werden Daten benötigt; möglichst viele, gut strukturierte Daten. Diese müssten in der aktuellen Architektur aus den einzelnen Systemen und Leveln mühsam gesammelt und aufbereitet werden. Denn wie in Punkt eins beschrieben besitzt kein Layer alle Daten. Die Folge wären, wie in Punkt zwei beschrieben, viele neue Eins-zu-Eins Verbindungen die keine Flexibilität erlauben. KI und die Automatisierungspyramide funktionieren nur sehr eingeschränkt gemeinsam.

Zusammengefasst

Betrachten wir die 2018 formulierte IIoT Definition von Hugh Boyes, Bil Hallaq, Joe Cunningham und Tim Watson, so wird schnell deutlich, dass dies nicht das von der Automatisierungspyramide fokussierte Ziel ist.

Industrial Internet of Things: A system comprising networked smart objects, cyber-physical assets, associated generic information technologies and optional cloud or edge computing platforms, which enable real-time, intelligent, and autonomous access, collection, analysis, communications, and exchange of process, product and/or service information, within the industrial environment, so as to optimise overall production value. This value may include; improving product or service delivery, boosting productivity, reducing labour costs, reducing energy consumption, and reducing the build-to-order cycle.

Verstehen wir das Industrial Internet of Things (IIoT) als umfassend vernetztes System, das in Echtzeit einen intelligenten und autonomen Zugriff, die Sammlung, Analyse, Kommunikation und den Austausch von Prozess-, Produkt- und/oder Serviceinformationen ermöglicht (siehe Definition), So wird schnell klar, dass die Automatisierungspyramide nie dafür konzipiert wurde.

Eine Runde Lösung – Der IIoT Circle

IIoT Architektur

Der IIoT Circle greift den ursprünglichen Gedanken der Automatisierungspyramide auf und überträgt diesen ins Zeitalter von Industrie 4.0. Es geht um eine simple Darstellung, welche die Leitplanken für eine IIoT Architektur vorgibt. Die Kernkomponente des IIoT Circles ist ein „Unified Namespace“, der dazu dient, Datenströme zu speichern, zu verarbeiten und ermöglicht das Laden und Exportieren von Datenströmen aus Drittsystemen. Alle anderen Applikationen kommunizieren ausschließlich über den Unified Namespace, so muss pro Anwendung immer nur eine Schnittstelle gepflegt werden. Im Unified Namespace werden mit Hilfe einer Verwaltungsschale sämtliche Informationen und Funktionalitäten in Teilmodellen beschrieben. Dies ermöglicht nicht nur den reinen funktionalen Austausch an Daten, sondern zusätzlich die semantische Einordung dieser. Insgesamt teilt sich die Architektur in acht funktionale Bereiche, welche sich kreisförmig um den Unified Namespace anordnen. Eine Kommunikation ist jederzeit in Echtzeit von jedem Bereich zu jedem Bereich möglich.

  • CRM (Customer Relationship Management)
  • ERP (Enterprise-Resource-Planning)
  • SCM (Supply-Chain-Management)
  • MOM (Manufacturing operations management – beinhaltet unter anderem Manufacturing Execution Systems)
  • Control Systems (z.B. speicherprogrammierbare Steuerungen, Supervisory Control and Data Acquisition Systeme etc.)
  • Devices (z.B. Supermärkte, fahrerlose Transportfahrzeuge, Werkstückträger etc.)
  • Analytics
  • PLM (Product-Lifecycle-Management)

Konkrete Applikationen können selbstverständlich mehrere Bereiche oder Teilbereiche abdecken. Die Bereiche unterteilen sich in 4 ineinandergreifende Kategorien: Plan, Execute, Optimize, Things. Die Kategorien haben genau wie die funktionalen Bereiche keine Reihenfolge oder Wertigkeiten.

Der IIoT Circle ist ein Leitbild, keine Referenzarchitektur. Er zeigt die Vision, Leitplanken und das Ziel auf; beschreibt aber keineswegs den Weg oder die Ausgestaltung. Ich freue mich über Rückmeldungen und eine gemeinsame Diskussion zu dem Thema!