Kleine und mittlere Unternehmen in der Ära von IoT und Industrie 4.0

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Der Beitrag zeigt Ansätze für Embedded-Systemlösungen im Hinblick auf die Herausforderungen, die auf kleine und mittlere Unternehmen im Zeitalter des Internets dert Dinge und Industrie 4.0 zukommen.

Der deutsche Mittelstand sowie die kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) haben sich seit Jahrzehnten immer wieder als Mitgestalter bewährt und durch ihre Innovationskraft maßgeblich zum Erfolg deutscher Industrieprodukte beigetragen.

Vor allem in Kooperationen und Verbundprojekten mit der fertigenden Industrie, mit Forschungseinrichtungen und untereinander, sind KMU flexible und schlagkräftige Innovationsträger, um neue Entwicklungen mitzugestalten und voranzutreiben. Vor diesem Hintergrund formierte sich 2007 eine Gruppe von Embedded-Systemanbietern in einem Verein - Embedded4You e.V. -, um im Verbund effektiver, zügiger und produktiver Lösungen und Projekte zu realisieren. In Clustern organisiert, werden folgende Schwerpunkte bearbeitet:

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Modellbasierte Entwicklung

Die Modellierung erfolgt je nach Anwendungsfall, zum Beispiel auf Basis von Industriestandards wie UML (Unified Modeling Language) und ROOM (Realtime Object Oriented Modeling) sowie aufgabenorientieren DSLs (Domain Specific Languages). Erweiterungen der Sprachen erlauben die Einbeziehung zusätzlicher Projektinformationen wie. Metadaten, HMI/GUI oder die Beschreibung der Systemumgebung. Abgedeckt werden damit im Wesentlichen die gesamten Abläufe eines Entwicklungsprozesses, wie in Bild 2 dargestellt.

Qualitätssicherung und Test

Modellbasierte Testmethoden in Verbindung mit kundenspezifischen Anpassungen von Werkzeugen und entsprechender Expertise finden ihren Niederschlag in Testprojekten von sicherheitskritischen Systemen in der Medizintechnik, automotiven Anwendungen, der Avionik oder im industriellen Umfeld. Auf individuelle und gemeinsam entwickelte Tools kann dabei zurückgegriffen werden (siehe Bild 3)

Safety und Security

Ein eigener Bereich im Verein E4You befasst sich mit dem wichtigen und breitgefächerten Thema „Funktionale Sicherheit“, das auch in Industrie 4.0 und IoT an zentraler Stelle steht. Aspekte wie Standards und Methoden, Verifizierung und Validierung, Funktionsentwicklung, Architektur und Design, Verschlüsselung, Sicherheitsmanagement oder Analyse stehen in Kundenprojekten bedarfsgerecht zur Verfügung.

Forschung und Entwicklung

Um technisch immer mit an vorderster Front zu sein, wird vor allem in Verbundprojekten mit Forschungs- und KMU-Partnern auch Cluster-übergreifend, aktiv an Innovationen gearbeitet. Dank der Praxisnähe dieser Aktivitäten fließen die Ergebnisse zügig in Kundenprojekte ein.

Maschinenbau im Angesicht von Industrie 4.0 und IoT

Wie können und sollen neue Maschinengenerationen aussehen? Diese Frage steht am Anfang, wenn Bewährtes modifiziert oder ersetzt werden soll. Neben neuen Funktionen und Kundenwünschen stehen heute auch Industrie 4.0 und IoT mit auf dem Programm.

Was das im Einzelnen heißt und welche Auswirkungen sich für ein neues Produkt damit ergeben, ist jedoch noch nicht so einfach fassbar. Einige Aspekte zeichnen sich bereits deutlich ab. Aufgrund der anhaltenden Miniaturisierung von mechanischen, elektromechanischen und elektronischen Komponenten mit steigender Funktionalität, primär durch Software, kann man Folgendes feststellen (ohne Anspruch auf Vollständigkeit):

• Sensorik und Aktuatoren mit eigener Intelligenz kommunizieren von der Maschine über die Cloud mit IT-basierten Big-Data-Infrastrukturen. Daraus erstehen die Fragen:

- Ist die Kommunikation absolut sicher und zuverlässig?

- Beherrschen wir große Datenaufkommen auf allen Ebenen?

• Die herkömmlichen Methoden der Massenfertigung sind vielfach ausgereizt. Weiter soll es gehen mit neuen Ansätze, um höchste Produktindividualität zu wettbewerbsgerechten Kosten zu erreichen?

Dazu wird an „Machine to Machine-Kommunikation“ gedacht: Maschinen sollen selber entscheiden was sie wann und wie in gewünschter Stückzahl produzieren, sie sollen selbständig Halbzeuge und Material bedarfsgerecht anfordern und sie bestimmen zu welchem Zeitpunkt sie eine Auszeit für Service und Maintenance benötigen. Das bedingt neben völlig neuen Konstruktionsansätzen, bereits jetzt absehbar, eine enorme Datenflut auf allen Ebenen der Produktionsprozesse.

• Die Systemkomplexität steigt gerade im Bereich der Software exponentiell an.

Die Herausforderungen sind hier:

- beherrschbare Software in Funktion und Qualität,

- Erfüllung von Normen, Standards und steigenden Safety und Security Requirements,

- Gehen das Projekt- und Kompetenzmanagement der Entwicklerteams einher? Bleiben die Kosten dabei beherrschbar?

- Globale Produktionsprozesse, Outsourcing und anspruchsvolles multinationales Projektmanagement, kommen hinzu. Dabei muss stets und auf jeder Ebene der Schutz der eigenen IP gewährleistet sein.

- Und last but not least muss über vieles Jahre Gewachsenes und Bewährtes integriert und auch weiterentwickelt werden. Die Schlagwörter hier sind u.a. Wartbarkeit, Wiederverwendbarkeit, Know-how-Transfer im Unternehmen, auch bei Mitarbeiterwechsel.

Einige Herausforderungen, die warten

Selbst wenn nur Teilbereichen dieser Szenarien begegnet wird, steigt die Systemkomplexität (also auch die Softwarekomplexität) überproportional an. Mit traditionellen Methoden und Verfahren kann diesen Herausforderungen nicht mehr begegnet werden.

Maschinenfunktionen mit gewachsenen Codestrukturen können nicht ohne weiteres modernisiert und an diese neuen Herausforderungen herangeführt werden. Entwicklerteams können nicht beliebig wachsen. Gute und fähige Ressourcen wie Manpower und Know-how sind knapp und teuer, stehen oft nicht punktgenau zur Verfügung.

Im Maschinenbau herrschen vielfach typische KMU-Strukturen vor, die bislang und das auch sehr erfolgreich mit relativ kleinen Entwicklerteams und/oder externen Dienstleistern ihre Steuerungstechnik realisierten. Die oben beschriebenen Faktoren können diese Strukturen in Bezug auf Know-how, Ressourcen und Fähigkeiten künftig massiv herausfordern.

Mit den Herausforderungen richtig umgehen

Der System-und Softwarekomplexität kann man im Wesentlichen mit Struktur, Übersichtlichkeit, Konsequenz und Disziplin begegnen. Die Ära des schnellen Ausprobierens, Umsetzens der Ad-hoc Entwicklung und der Produktreife beim Kunden muss zu Ende gehen.

Strukturiertes und bewährtes Projektmanagement, wie V-Modell XT, Prince2 oder PMBoK muss die Grundlage werden für einen durchgängigen Entwicklungsprozess. Dabei wird festgelegt, „Wer“, „Was“, „Wann“ im Projekt macht. Diese Methoden legen Aufgaben, Beziehungen und Vorgehensweisen auch mit internen und externen Partnern fest, die zum Projektziel führen sollen.

Um mit Klarheit und Übersicht komplexe Software auf den Weg zu bringen, ist es notwendig, sich neben der Projektorganisation, weiterhin mit den Themen SW-Architektur und Methoden auseinandersetzen.

Nachdem die Definition und Auslegung von Software domänenabhängig ist, kann in der Regel nicht ein einheitliches Architekturmodel zugrunde gelegt werden. Auf alle Fälle müssen mit der Architektur die grundlegenden Funktionen des Systems definiert und Aspekte wie Modifizierbarkeit, Wartbarkeit, Wiederverwendbarkeit, Qualitätssicherung, Sicherheit oder Systemleistung berücksichtigt werden. Die im Software-Engineering typischen Abläufe werden dabei auf die Projektanforderungen zurechtgeschnitten.

Dabei sollten, um effizient zu bleiben, die relevanten Prozesse und Funktionen herausgearbeitet und festgelegt werden. Im KMU-Umfeld hilft es hier allemal, externe Expertise hinzuzuziehen und die Aufgaben kooperativ zu bewältigen. Damit besteht die Möglichkeit, auf bereits existierende Erfahrungen auch domänenübergreifend aufzubauen.

Mit den Methoden Abstraktion und Organisation durch Prozesse stehen zwei weitere Vorgehensweisen bereit, der Komplexität Paroli zu bieten. Die Einführung von Middleware entkoppelt die Bindung der Softwarefunktionen (Aktion, Reaktion, Kommunikation, Interaktion) und den damit verbundenen Datenstrukturen von spezifischen Hardwareplattformen mit deren Betriebssystemen (Embedded-Computersysteme verschiedenster Couleur) und Kommunikationsinfrastrukturen (low Level: Feldbusse, mid Level: LAN/WLAN, high Level: Internet/Cloud). Zugleich steigt der Grad der Wiederverwendbarkeit von Komponenten deutlich.

Weiteres Abstrahieren wäre die Einführung geeigneter Programmierparadigmen wie grafische Programmierung, Werkzeugketten oder domänenspezifische Programmiersprachen. Auch hier ist es meist hilfreich, im Team mit Partnern, die für das Projekt geeigneten, Kurz-, Mittel-, und Langfriststrategien festzulegen und umzusetzen.

Im Entwicklungsprozess selber ist es unabdingbar, die Qualität der erzeugten Komponenten sicherzustellen. Hierzu müssen oft Normen und Standards berücksichtigt werden, die je nach Einsatzzweck und –Profil des Endprodukts anders aussehen, in ihrer Struktur und Absicht aber ähnlich sind. Entsprechende Designmethoden, Simulationsprozesse und vor allem die Testautomation mit Validierung der Ergebnisse zu jedem Entwicklungsschritt sind hier unabdingbar.

Man könnte eigentlich annehmen, die oben beschriebenen Ansätze, die nur einen Ausschnitt des Umgangs mit komplexen Embedded-Systemen abbilden, wären längst gängige Praxis. Die Realität ist anders. Oft behindern Sachzwänge gute Vorsätze. Mitunter dauert es daher länger als erwartet, mit neuen Methoden ans Ziel zu kommen.

Hilfestellung bei der iterativen Weiterentwicklung

Sinngemäß sei hier Professor Dr.Manfred Broy (TU München) aus seinem Abschlussvortrag zum SPES2020-Projekt zitiert: „Durchgängige Modellierungsverfahren und -methoden für den Umgang mit komplexen Embedded-Systemen, wie sie unter anderem im SPES2020-Projekt erarbeitet wurden, werden sicher noch 30 Jahre benötigen, bis sie umfänglich gängige Praxis geworden sind“, so eine der Kernaussagen. Man wird also nicht ad hoc das Neue einführen und umsetzen, sondern sich eher iterativ und evolutionär weiterentwickeln.

Für KMU kann es zum Wettbewerbsvorteil werden, sich zu diesem Zweck in Netzwerken mit Partnern zu organisieren und Know-how, Ressourcen, Produkte und Dienstleistungen, punktgenau je nach Projektbedarf aus dem Verbund hinzuzufügen. Die Tatsache, dass Partner sich kennen, schafft Vertrauen. Dies führt schneller zu Entscheidungen. E4You ist solch ein KMU-Verbund und praktiziert dieses Vorgehen bereits seit vielen Jahren erfolgreich.

* Peter Schuller ist Pressesprecher des Vereins Embedded4You e.V. und im Marketing von MicroSys Electronics tätig.

* Robert Schachner ist 2. Vorstand des Vereins Embedded4You und Geschäftsführer von RST Industrie Automation.

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