Strategien zur Integration unterschiedlicher Datenquellen

Im Jahr 1597 schrieb Sir Francis Bacon einen berühmten Spruch für die Nachwelt: "Wissen ist Macht". Fast fünf Jahrhunderte später ist die Bedeutung dieses Spruchs aktueller denn je, da moderne Unternehmen vollständig von ihrer Fähigkeit abhängen, Daten zu sammeln, zu verarbeiten und zu interpretieren.

Mit der Entwicklung von industriellen Automatisierungssystemen wie DCS (Distributed Control System), SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), MES (Manufacturing Execution System) und ERP (Enterprise Resource Planning) wurden im Laufe der Jahre immer mehr Daten generiert, was zu den riesigen Sammlungen disparater Datenquellen führte, die heute existieren.

Als disparate Datenquellen werden unterschiedliche Datentypen oder -formate bezeichnet, die sich in separaten Systemen, Datenbanken oder Dateiformaten befinden und nicht unbedingt für eine Integration oder Kompatibilität miteinander ausgelegt sind. Wenn man allgemein von industriellen Automatisierungsumgebungen spricht, beziehen sich unterschiedliche Datenquellen oft auf die eigentlichen Geräte, die speziell für die Überwachung und Steuerung automatisierter Prozesse wie Montagelinien, Maschinenfunktionen oder Robotergeräte entwickelt wurden.

Diese Arten von Geräten können von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Remote-Terminal-Einheiten (RTUs) bis hin zu numerisch gesteuerten Maschinen (CNCs), Spritzgießmaschinen, Drehmomentwerkzeugsteuerungen (DC-Tools) und vielem mehr reichen. Diese Geräte erzeugen während der Prozesssteuerung Daten, die für andere Systeme und Bereiche des Unternehmens von großem Wert sein können. Um Erkenntnisse aus diesen höchst unterschiedlichen potenziellen Datenquellen zu gewinnen, müssen Unternehmen einen Weg finden, um von einem einheitlichen System aus darauf zuzugreifen, das einen umfassenderen Blick auf ihre Abläufe ermöglicht.

Dies kann sich in der heutigen Zeit als eine der größten Herausforderungen für Unternehmen erweisen.

Wie integrieren Sie verschiedene Datenquellen?

Mit dem Ziel der industriellen Systemintegration vor Augen wollen wir die für die Systemintegration erforderliche Technologie untersuchen - sowohl den physischen Akt der Systemintegration als auch die digitalen Integrationsschritte, die nach Abschluss der physischen Integration erforderlich sind.

• Physische Integration

Verschiedene Geräte aus industriellen Automatisierungssystemen verwenden unterschiedliche physikalische Kommunikationsmedien. Die erste Art von verdrahtetem Medium, das auf breiter Basis verwendet wurde, war das Koaxialkabel. Es besteht aus einem Innenleiter, der von einer konzentrischen leitenden Abschirmung umgeben ist, wobei die beiden durch ein Isoliermaterial getrennt sind. Die Koaxialverkabelung hat gewisse Einschränkungen, wird aber auch heute noch häufig verwendet, wenn auch unter spezielleren, weniger allgemeinen Umständen.

Koaxiale Schnittstellen werden in der Regel in ein anderes Medium umgewandelt, bevor sie in übergeordnete Systeme integriert werden, z. B. in Systeme, die Daten aus verschiedenen Systemen erfassen, kombinieren und speichern. Manchmal wird diese Konvertierung und Integration durch ein Steuerungsgerät wie eine SPS mit anderen weitreichenden Fähigkeiten durchgeführt, in anderen Fällen erfolgt die Konvertierung über ein einfaches, spezifischeres Konvertergerät, das speziell für diesen Zweck entwickelt wurde.

Ein weiteres physikalisches Medium, das sich in der industriellen Automatisierung weit verbreitet hat, ist das serielle Kabel bzw. die serielle Kommunikationsschnittstelle. Bei dieser Methode werden eine oder mehrere Übertragungsleitungen zum Senden und Empfangen von Daten verwendet, wobei die Daten kontinuierlich Bit für Bit gesendet und empfangen werden. Aus dieser Technologie haben sich drei Standards entwickelt, die in chronologischer Reihenfolge aufgeführt sind: RS-232, RS-422 und RS-485. Serielle Kommunikationsmedien sind in Bezug auf Leistung und Netzwerkflexibilität begrenzter als andere moderne Medien, dennoch sind serielle Kabel und Schnittstellen auch heute noch weit verbreitet.

Aber wie bei Koaxialkabeln wird die Integration in übergeordnete Teile einer Umgebung, in der Daten erfasst und an andere Systeme weitergeleitet werden - insbesondere die Integration in handelsübliche Computergeräte wie Server und PCs - in der Regel dadurch erreicht, dass das physische serielle Medium und das Datenformat in ein anderes Format (z. B. Ethernet) umgewandelt werden, bevor es mit übergeordneten Systemen verbunden wird.

1973 wurde das ursprünglich von Alexander Graham Bell erfundene verdrillte Kupferdrahtpaar weiter verfeinert und erweitert, und es entstand ein neues Kommunikationsmedium namens Ethernet-Kabel (oder RJ-45-Kabel).

Ethernet Twisted Pair besteht aus acht Drähten oder vier Paaren, wobei die Adernpaare gebündelt und mit einer Schutzabschirmung versehen sind. Diese neue Twisted-Pair-Verkabelung wurde speziell für die Verwendung mit dem relativ neuen Ethernet-Standard entwickelt und übertraf in der allgemeinen Akzeptanz schnell das zuvor mit Ethernet verwendete physikalische Medium - die Koaxialverkabelung.

Die Geschwindigkeit und Flexibilität, die das Ethernet bietet, hat dazu geführt, dass dieses physikalische Medium zu einer tragenden Säule der meisten modernen Computernetzwerke geworden ist. Fast alle Computertechnologien und Software-Betriebssysteme unterstützen heute das Ethernet und sein allgegenwärtiges Twisted-Pair-"LAN-Kabel" als nativen Netzwerktyp. Twisted-Pair-Kupferkabel sind nach wie vor ein gängiges Medium für die Ethernet-Kommunikation, allerdings wurde der Ethernet-Standard auch auf drahtlose Übertragungstechnologien übertragen.

Ein weiteres verkabeltes Medium, das sowohl in industriellen Betrieben als auch in der Informationstechnologie üblich ist, sind Glasfaserkabel. Ein Glasfaserkabel ist ein dünnes, flexibles, transparentes Medium, das aus sehr feinen Glas- oder Kunststofffasern besteht. Es nutzt das physikalische Prinzip der internen Totalreflexion (TIR) für die Signalausbreitung und verlustfreie Datenübertragung.

Im Gegensatz zu verdrillten Doppelleitungen oder Koaxialkabeln, die die Eigenschaften niederfrequenter elektromagnetischer Strahlung nutzen, verwenden Glasfasernetze zur Datenübertragung elektromagnetische Strahlung höherer Frequenz - sichtbares Licht - in Form von Lichtimpulsen, die von einem Laser oder einer Injektionsdiode erzeugt werden. Jeder Lichtimpuls stellt ein einzelnes Datenbit dar. Die Impulse treten extrem schnell auf und bieten theoretisch eine Bandbreite von 44 Terabit (44.000 Gigabit) über ein einziges optisches Kabel. Im Gegensatz zum allgegenwärtigen Ethernet Twisted Pair werden Glasfaserkabel vor der Integration in gängige Systeme wie Server, PCs und andere übergeordnete Systeme in der Regel in eine Art Ethernet Twisted Pair umgewandelt, während Glasfaserkabel in verschiedenen Teilen von Ethernet- und Nicht-Ethernet-Netzwerken vorhanden sein können.

Abgesehen davon gibt es auch drahtlose Kommunikationsmedien, die in bestimmten Szenarien eingesetzt werden können. Für die Systemintegration werden in der Regel verschiedene drahtlose Signalisierungstechnologien wie Radiofrequenz (RF), Bluetooth, NFC und Wi-Fi genutzt. Mit Ausnahme von Wi-Fi werden diese drahtlosen Medien vor der Integration in übergeordnete Systeme insbesondere in industriellen Umgebungen in der Regel in etwas Allgegenwärtigeres mit mehr Möglichkeiten für das Netzwerkdesign umgewandelt: zum Beispiel die Umwandlung von Bluetooth in Ethernet.

Bluetooth ist eine hervorragende Technologie für die drahtlose Datenübertragung über kurze Entfernungen und mit hoher Bandbreite, aber seine Implementierung ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung und bietet nicht die mehrschichtigen, segmentierten und miteinander verbundenen Netzwerkdesigns, die mit anderen drahtlosen und drahtgebundenen Medien möglich sind. Es ist zwar möglich, übergeordnete Systeme in Datenquellen auf niedriger Ebene zu integrieren, die Punkt-zu-Punkt-Medien wie Bluetooth verwenden, aber die Integration ist schwierig, kostspielig und verwaltungstechnisch aufwändig, während eine einfache Konvertierung von drahtlosen Nicht-Ethernet-Systemen in Ethernet (drahtlos oder paarweise verdrillt) diese Hindernisse beseitigt.

• Digitale Integration

Über diese Arten von physischen Medien können Daten auf verschiedene Arten dargestellt werden, die als Kommunikations- oder Netzwerkprotokolle bekannt sind. Heutzutage gibt es eine große Anzahl von Kommunikationsprotokollen, die in verschiedenen industriellen Automatisierungssystemen verwendet werden. Einige der am häufigsten verwendeten seriellen Kommunikationsprotokolle sind Modbus ASCII oder RTU, Allen-Bradley DF1 und DH+ sowie Siemens MPI, AS511 und 3964R. Für Ethernet-basierte Kommunikationsmedien ist die Liste sogar noch umfangreicher. Einige der am häufigsten verwendeten Protokolle in industriellen Umgebungen sind Modbus TCP, EtherNet/IP (Common Industrial Protocol), OPC DA und OPC UA, Siemens S7 Industrial Ethernet und weborientierte Protokolle wie MQTT und HTTP.

Mit der zunehmenden Verbreitung von softwarebasierten SCADA- und HMI-Systemen wurde es immer wichtiger, unterschiedliche industrielle Datenquellen in gemeinsame Systeme zu integrieren. Diese softwarebasierten Steuerungs- und Erfassungssysteme nutzen häufig gängige Server- oder PC-Hardware, wobei serielle RS232- und Ethernet-Schnittstellen oft die einzig möglichen physikalischen Schnittstellen sind. Selbst wenn eine physische Konvertierung in RS232- oder Ethernet-Medien möglich ist, sind die Daten selbst - die Sprache, die über das physische Medium verwendet wird - immer noch ein komplexer Bereich, in dem in der Regel ebenfalls eine Konvertierung stattfinden muss.

Zur Erleichterung der digitalen Integration von Industriesystemen wurde 1996 eine Organisation namens OPC Foundation gegründet, wobei der Begriff OPC für OLE for Process Control steht, was zu einer Neudefinition von OPC als "Open Platform Communication" führte. Ziel dieser Organisation war es, eine globale Struktur zu schaffen, in der Anwender, Anbieter und Konsortien zusammenarbeiten, um Datenübertragungsstandards für eine sichere und zuverlässige Interoperabilität in der Industrieautomation mit mehreren Anbietern und Plattformen zu entwickeln. Microsoft Windows und sein Component-Object Model (COM) für das Softwaredesign wurden als Rahmen ausgewählt, und innerhalb von COM werden Ethernet-Protokolle und physikalische Ethernet-Medien zur Systemintegration verwendet.

Unter Ausnutzung der Bemühungen der OPC Foundation entstanden Softwareanwendungen, die als Middleware fungieren und die digitale Konnektivitätslücke überbrücken sollten. Aus konzeptioneller Sicht kann eine Middleware-Anwendung Daten aus mehreren unterschiedlichen Datenquellen über eine Reihe von digitalen und physischen Schnittstellen zusammenführen und sie über verschiedene digitale und physische Schnittstellen an übergeordnete Systeme weitergeben. Im Bereich der industriellen Automatisierung wurden diese Art von Anwendungen schnell als OPC-Server bekannt. Die Middleware-Anwendung kommuniziert mit Industriegeräten und -systemen der unteren Ebene über eine Mischung aus physischen und digitalen Medien (meist seriell und Ethernet) und stellt die Daten den Systemen der oberen Ebene über OPC Data Access zur Verfügung, ein Windows-basiertes COM-kompatibles Protokoll, das sich bei Bedarf für die Durchquerung von Ethernet-Netzwerken eignet.

In jüngster Zeit haben die meisten großen Gerätehersteller ihr Portfolio so angepasst, dass es mit Ethernet- und sogar OPC-Standards kompatibel ist, um eine einfachere Integration zwischen verschiedenen Systemen und Geräten zu ermöglichen. Die meisten Geräte verfügen über native Ethernet-Schnittstellen oder optionale Ethernet-Module, und einige bieten integrierte OPC-Server. Darüber hinaus wurden die Konnektivitätsfähigkeiten von Middleware-"OPC-Server"-Anwendungen oft auf ein Gebiet erweitert, das API-Integrationsplattformen wie MuleSoft oder Boomi ähnelt, indem HTTP-Publishing- und Server-Schnittstellen, Datenmodellierung und ereignisbasierte Datenerfassung und -übertragung einbezogen wurden.

Das Konnektivitätsdilemma besteht jedoch nach wie vor für neue und alte Systeme. Selbst wenn Automatisierungsgeräte Ethernet und ein modernes, offenes Integrationsprotokoll wie OPC implementieren, haben der Druck zur Reduzierung der Verbindungen zu empfindlichen Automatisierungsgeräten und die Notwendigkeit der digitalen Konvertierung von Daten in hochgradig disparate Datenströme wie MQTT und HTTP den Bedarf - und die Funktionalität - von OPC-Servern" oder industrieller Middleware von Drittanbietern weiter erhöht. Diese Tools bieten Konnektivität für neue und alte Systeme und bieten gleichzeitig mehrere Möglichkeiten, die Daten an übergeordnete Systeme weiterzuleiten, sei es über OPC, HTTP, MQTT oder andere.

Alte und neue Herausforderungen

Die Vereinheitlichung unterschiedlicher Datenquellen in industriellen Automatisierungsumgebungen kann ein komplexer und anspruchsvoller Prozess sein, da es darum geht, verschiedene physische und digitale Verbindungen zu Prozesssteuerungsanlagen und Maschinen herzustellen und mehrere Datensätze zu integrieren, die in unterschiedlichen Formaten, an verschiedenen Orten oder in unterschiedlichen Systemen gespeichert sind. Einige der Herausforderungen, die mit der Vereinheitlichung unterschiedlicher Datenquellen verbunden sind, sind:

• Probleme mit der Datenqualität

Verschiedene Datenquellen können unterschiedliche Genauigkeits-, Konsistenz-, Vollständigkeits- und Aktualitätsgrade aufweisen, was es schwierig machen kann, einen einheitlichen Überblick über die Daten zu erhalten. Eine Datenbereinigung und -umwandlung kann erforderlich sein, um sicherzustellen, dass die Daten konsistent und zuverlässig sind.

• Integration von Daten

Daten aus verschiedenen Quellen können in unterschiedlichen Formaten, Strukturen oder Schemata gespeichert sein, was die Integration der Daten in ein einheitliches System erschweren kann. Dies erfordert eine sorgfältige Planung und Koordinierung, um sicherzustellen, dass die Daten korrekt zugeordnet sind und keine Inkonsistenzen oder Redundanzen bestehen. Bei der seriellen Kommunikation stellt beispielsweise die tatsächliche physische Entfernung der Übertragungsstrecke eine große Einschränkung dar. Dies kann in einigen Fällen durch das Fehlen von Legacy-Schnittstellen auf modernen Servern, die mit älteren Geräten verbunden werden müssen, noch verschärft werden. Ethernet-Verbindungen bringen ebenfalls eine Reihe von Herausforderungen mit sich, da einige Geräte, die nicht über diese Funktionalität verfügen, teure Zusatzmodule benötigen, während andere, die darüber verfügen, möglicherweise mit einer doppelten privaten IP konfiguriert werden müssen, was eine zusätzliche Neukonfiguration der aktuellen Netzinfrastruktur zur Folge hat.

• Technische Kompatibilität

Verschiedene Datenquellen können unterschiedliche Technologien oder Plattformen verwenden, was zu technischen Kompatibilitätsproblemen führen kann, wenn man versucht, die Daten zu integrieren. Dies erfordert Fachwissen über verschiedene Technologien und ein gründliches Verständnis der Datenintegrationstechniken. Jedes Kommunikationsprotokoll hat, unabhängig vom verwendeten Kommunikationsmedium, seine eigenen Besonderheiten und eine individuelle Funktionsweise. Wenn dann noch unterschiedliche Komplexitätsgrade und eine möglicherweise begrenzte Dokumentation hinzukommen, ergibt sich eine sehr steile Lernkurve, wenn es darum geht zu verstehen, wie man eine Verbindung zu unterschiedlichen Datenquellen herstellt.

• Datenmanagement

Bei der Zusammenführung unterschiedlicher Datenquellen müssen auch Fragen der Data Governance, wie Datensicherheit, Datenschutz und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, berücksichtigt werden. Diese Fragen können komplex sein und erfordern eine sorgfältige Planung und Umsetzung, um sicherzustellen, dass die Daten geschützt und auf ethische und rechtliche Weise verwendet werden.

Wie ThingWorx Kepware Server zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen kann

Die im vorangegangenen Abschnitt erwähnten Herausforderungen machen deutlich, wie schwierig es ist, eine qualitativ hochwertige Softwarelösung zu entwickeln, die mit so vielen unterschiedlichen Datenquellen interagieren kann. Kepware beschloss, diese Hürden seit seiner Gründung im Jahr 1994 in Angriff zu nehmen.

Heute, nach fast 30 Jahren des Bestehens, ist unsere Lösung namens Kepware Server (weithin auch als KEPServerEX bekannt) die branchenweit führende Konnektivitätsplattform für die Integration unterschiedlicher industrieller Datenquellen. Kepware Server unterstützt Hunderte von Protokollen und Tausende von unterschiedlichen Geräten und Systemen, so dass Benutzer fast alle Geräte im Bereich der industriellen Automatisierung mit einer einzigen Plattform integrieren können, von älteren bis hin zu modernsten. Die gesammelten Daten können über zahlreiche Schnittstellen und Protokolle wie OPC DA, OPC UA, MQTT und REST (HTTP) an übergeordnete Systeme wie SCADA, MES, ERP, Clouds oder IoT-Plattformen weitergegeben werden.

Der gesamte Konfigurationsworkflow wurde durch ständige Produktiterationen vereinfacht, um die Lernkurve zu minimieren und die Integrationszeit und -komplexität zu verkürzen. Darüber hinaus werden ständig neue Verbesserungen hinzugefügt, um mit den neuesten Protokollen und Best Practices der Branche Schritt zu halten, insbesondere in Bezug auf Sicherheit und allgemeine Systemstabilität.

Als Teil von PTC verfügt Kepware auch über ein umfassendes Support- und Wartungsprogramm, das entwickelt wurde, um die Lebensdauer der Kepware-Softwareanwendungen zu verlängern und zu verbessern. Dieses Programm kombiniert Software-Updates und -Upgrades mit fachkundigem technischen Support, um die optimale Leistung kritischer Automatisierungsprojekte zu gewährleisten. Es steigert auch die persönliche betriebliche Effizienz, indem es Zugang zum branchenführenden Fachwissen von Kepware in Form von Live-Gesprächen und Zugang zu selbstgesteuertem Lernmaterial bietet. All diese Faktoren in 30 Jahren erfolgreicher Softwareentwicklung haben dazu geführt, dass Kepware Server an über 75.000 Standorten auf der ganzen Welt eingesetzt wird und Teil von PTC ist, einem bedeutenden amerikanischen Technologieunternehmen und Mitglied der S&P 500.

Fazit

Die Integration unterschiedlicher industrieller Automatisierungssysteme kann aufgrund einer Vielzahl von Faktoren, einschließlich physischer und digitaler Konvertierung, komplex und schwierig sein. ThingWorx Kepware Server ist eine Softwarelösung, die eine Brücke zwischen neuen und älteren industriellen Hardware- und Softwarekomponenten und modernen Anwendungen schlägt und eine nahtlose Integration von Daten zwischen unterschiedlichen Systemen und Datenquellen ermöglicht.

Mit ThingWorx Kepware Server können Benutzer eine sichere und zuverlässige Verbindung zu einer enormen Vielfalt von Geräten und Systemen herstellen und den Zugriff auf und die Daten von allen Systemen auf eine einzige, sichere und einheitliche Weise darstellen. Kepware Server ist ein wichtiger Bestandteil von Maschinensteuerungs- und Datenerfassungslösungen und ermöglicht den Echtzeit-Datenaustausch in den unterschiedlichsten und anspruchsvollsten Umgebungen. Die konsistenten, wiederholbaren Arbeitsabläufe ermöglichen eine schnelle Time-to-Value für jedes Automatisierungs- oder digitale Transformationsprojekt für die Industrie 4.0, und die breite Palette an Protokollunterstützung ermöglicht es den Benutzern, die Vorteile moderner Technologien zu nutzen, ohne dass sie Altsysteme ersetzen oder bestehende Abläufe unterbrechen müssen.

Durch die Bereitstellung einer flexiblen und skalierbaren Integrationsplattform kann Thingworx Kepware Server Unternehmen dabei helfen, Abläufe zu rationalisieren, Kosten zu senken und die Gesamteffizienz zu verbessern, während gleichzeitig ein reibungsloser Übergang zu neuen Technologien und Anwendungen ermöglicht wird.