Middleware und ihre Bedeutung f√ľr die Industrie

Digitale Transformation in der Praxis umzusetzen bringt zahlreiche Herausforderungen mit sich, die mit einer Middleware bew√§ltigt werden k√∂nnen. Die in Unternehmen eingesetzten Hard- und Softwaresysteme stammen h√§ufig von unterschiedlichen Herstellern und sind oft nicht miteinander kompatibel. So ist es dringender denn je, dass all diese Systeme im Unternehmen nahtlos zusammenarbeiten und l√ľckenlos miteinander kommunizieren. Hierbei kann eine Middleware helfen. In unserem Beitrag erfahren Sie alles, was Sie √ľber Middleware im industriellen Einsatz wissen sollten und welche Bedeutung der Einsatz einer Middleware f√ľr die digitale Transformation in der Industrie hat.

1. Was ist eine Middleware?

Eine Middleware ist eine elementare Software, die zwei getrennte Anwendungen miteinander verbindet. Im industriellen Umfeld wird die Feldebene (OT), bestehend aus Maschinen, Ger√§te und Steuerungen mit √ľbergeordneten Systemen der IT-Ebene verbunden, wie z. B. Datenbanken, ERP- oder Cloud-Systemen. Diese Verbindung ist bidirektional und kann somit ausgehend von der Feldebene zur IT-Ebene hergestellt werden als auch umgekehrt von der IT zur OT.

Was ist Middleware und wie funktioniert sie?

Die Verbindung erm√∂glicht eine Kommunikation verteilter Ger√§te und Anwendungen und schlie√üt die aufgrund der heterogenen Systemlandschaft entstehenden Systembr√ľche. Eine Middleware baut somit einen Datenaustausch zwischen den verschiedenen und in der Praxis oft isolierten Systemen auf.

2. Was macht eine Middleware?

Eine Middleware sorgt als Software daf√ľr, dass alle Systeme eines Unternehmens miteinander kommunizieren und Daten ausgetauscht werden k√∂nnen. Dabei sind Middleware-Plattformen und -Systeme darauf ausgelegt, mehrere Anwendungen und Systeme gleichzeitig zu vernetzen.

Eine Middleware schafft aus verschiedenen heterogenen Anwendungen einer Systemlandschaft, wie IT-Systemen, Geräten und Maschinen eine homogene Struktur.

Oft sind die unterschiedlichen Systeme jedoch nicht miteinander kompatibel und sprechen nicht dieselbe Sprache, so dass ein Vermittler ben√∂tigt wird. Genau diese Aufgabe √ľbernimmt eine Middleware. Sie transformiert Daten und stellt sie in der jeweils ben√∂tigten Sprache (Standard) zur Verf√ľgung, so dass die jeweiligen Systeme die Daten anderer Systeme verstehen k√∂nnen und umgekehrt. Middleware-Plattformen werden daher auch als Vermittler oder Software mit Vermittlungsfunktion bezeichnet.

3. Wie funktioniert eine Middleware?

Anbindung √ľber Schnittstellen

Alle Systeme und Anwendungen einer Systemlandschaft werden an die Middleware angebunden. Diese Anbindung erfolgt √ľber eine Schnittstelle, die das jeweils anzubindende Ger√§t oder System mit sich bringt. √úber diese Schnittstellen sorgt die Middleware daf√ľr, dass jedes System und jede Anwendung die Daten in dem Format bekommt, das es lesen und weiterverarbeiten kann.

Aufbau eines Datentransfers

Die Middleware nimmt Daten aus einer Datenquelle und transformiert sie. Dabei transformiert sie die Daten so, dass ein √ľbergeordnetes System wie z. B. eine Datenbank einen Datenpunkt aus einer Steuerung in dem Format bekommt, das sie lesen und weiterbearbeiten kann. So entsteht eine Verbindung aus der OT bis in die IT. Diese Verbindung wiederum erm√∂glicht einen best√§ndigen und automatischen Datentransfer. Dieser Datentransfer kann sowohl ohne standardisierte Kommunikation als auch auf Basis eines Kommunikationsstandards wie z. B. OPC UA oder JSON erfolgen.

4. Welche Systemkomponenten kann eine Middleware miteinander verbinden?

Middleware-Software kann alle Systeme und Anwendungen miteinander vernetzen, die √ľber eine Schnittstelle verf√ľgen. Diese Schnittstelle ist Voraussetzung daf√ľr, dass die Anbindung funktioniert. In der OT k√∂nnen beispielsweise Sensoren, Maschinensteuerungen, Barcode-Leser, Scanner sowie Etiketten-Drucker mithilfe einer Middleware und der richtigen Schnittstelle an √ľbergeordnete IT-Systeme angebunden werden. In der IT k√∂nnen alle Systemkomponenten wie Server, Datenbanken, Cloud-Systeme, ERP- und MES-Systeme mithilfe einer Middleware mit anderen Systemkomponenten der IT oder OT vernetzt werden, wenn auch sie √ľber die passende Schnittstelle verf√ľgen.

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5. Was bringt der Einsatz im Unternehmen?

Warum eine Middleware wichtig ist

Bildlich gesehen ist eine Middleware wie ein Br√ľckenbauer in einem Unternehmen und Vermittler zwischen allen vorhandenen Systemen und Anwendungen. Wo ohne den Einsatz einer Middleware Kommunikationsl√ľcken bestehen, Prozesse nicht automatisch und Datentransfers nicht transparent ablaufen, leidet die Qualit√§t, Effizienz und langfristig auch der Erfolg eines Unternehmens. Eine nachhaltige Digitalisierungsstrategie r√ľckt so in weite Ferne.

Eine Middleware schafft das Fundament f√ľr den Aufbau einer Industrie 4.0-Struktur im Unternehmen und legt die Basis f√ľr die digitale Transformation.

Durch den Einsatz einer Middleware entsteht eine unternehmensweit homogene Struktur aller eingesetzten Systeme und Anwendungen, wodurch wiederum eine einheitliche und effiziente Kommunikation entsteht.

Möglichkeit der vertikalen und horizontalen Skalierung

Middleware-Software bietet die M√∂glichkeit, sowohl horizontal als auch vertikal zu skalieren und er√∂ffnet Unternehmen damit essenzielle Wachstumsm√∂glichkeiten. Horizontale Skalierung entsteht, wenn es innerhalb einer Systemlandschaft die M√∂glichkeit gibt, stets weitere Systemkomponenten hinzuf√ľgen zu k√∂nnen. M√∂glichkeiten vertikaler Skalierung ergeben sich, wenn der Systemlandschaft weitere Ressourcen wie Server oder Datenbanken hinzugef√ľgt werden, mit denen die Rechnerleistung erh√∂ht werden kann. Verf√ľgen die neuen Komponenten √ľber entsprechende Schnittstellen f√ľr die Anbindung, sind beide Skalierungen mit einer Middleware ohne weiteres m√∂glich.

6. Welchen Nutzen bringt der Einsatz einer Middleware mit sich?

Anwendungen und Softwarekomponenten miteinander zu vernetzen und eine Kommunikation zwischen verteilten Systemen, Geräten und Anwendungen zu schaffen bringt zahlreiche Vorteile mit sich:

  • Vernetzung: Ger√§te, Maschinen sowie Steuerungen der OT-Ebene und Systeme der IT-Ebene arbeiten nicht mehr isoliert voneinander, sondern sind miteinander vernetzt.
  • Digitalisierung: Eine Middleware tr√§gt durch die Vernetzung ma√ügeblich dazu bei, den Digitalisierungsgrad im Unternehmen zu erh√∂hen. Ist dies als Basis gegeben, f√∂rdert dies weiterhin die unternehmensweite digitale Transformation.
  • Automatisierung: Die Verbindung und Vernetzung verteilter Systemkomponenten bietet die M√∂glichkeit eines automatisierten und transparenten Datenaustauschs, der deutlich weniger fehleranf√§llig und somit effizienter ist.
  • Prozessoptimierung: Wenn alle Systemkomponenten miteinander verbunden sind und alle in einem Unternehmen vorhandenen Daten erfasst und analysiert werden, bildet das die Grundlage f√ľr die Optimierung von Abl√§ufen und Prozessen.
  • Steigerung der Effizienz: Mit transparenten Datentransfers und optimierten Prozessen geht eine Steigerung der Effizienz einher, weil Ressourcen besser gesteuert und genutzt werden k√∂nnen. Hieraus ergeben sich zudem weitere Vorteile wie z. B. Produktivit√§tssteigerung, Ausfallsicherheit, Kostensenkung und Qualit√§tssicherung.
  • Prozesssicherheit: Transparente Datentransfers und effiziente Prozesse f√ľhren dazu, dass z. B. St√∂rungen in der Produktion schnell behoben werden k√∂nnen oder gar nicht erst auftreten.
  • Komplexit√§t wird reduziert: Eine homogene Systemlandschaft ist weniger komplex und erfordert einen geringeren administrativen Aufwand

7. Welche Voraussetzungen gibt es f√ľr den Einsatz im Unternehmen?

Die wichtigste Voraussetzung f√ľr die Nutzung eine Middleware ist die Unabh√§ngigkeit. Eine Middleware sollte unabh√§ngig von den Details des Netzwerks sein, in dem sie eingesetzt werden soll, sowie auch von den Protokollen, die beim Datenaustausch genutzt werden. Weiterhin ist die Unabh√§ngigkeit verwendeter Betriebssysteme wichtig, so dass die Middleware plattform√ľbergreifend funktionieren kann. Eine weitere Voraussetzung ist die Unabh√§ngigkeit von bestimmten Sprachen. Die Middleware, die eingesetzt werden soll, muss kompatibel mit allen geforderten Sprachen der vorhandenen Systemlandschaft sein. Zuletzt ist wichtig, dass die Middleware im Hintergrund funktioniert und auf der Anwendungsebene nichts davon zu merken ist, aus wie vielen einzelnen Bestandteilen das System eigentlich besteht.

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8. Was passiert bei Erweiterungen oder Veränderungen in der Systemlandschaft?

In der Praxis kommt es nicht selten vor, dass eine heterogene Systemlandschaft ver√§ndert oder erweitert wird. Wenn der Datentransfer mithilfe einer Middleware gesteuert wird, so bleibt dieser im Kern bestehen. Dies ist ganz unabh√§ngig davon, ob eine neue System-Komponente dem System hinzugef√ľgt oder ausgetauscht wird. Somit kann die bestehende Systemlandschaft sowohl in der OT als auch in der IT beliebig ver√§ndert oder erweitert werden und schafft die M√∂glichkeit zur Skalierung.

Eine Middleware erm√∂glicht es, eine Systemlandschaft beliebig zu erweitern oder zu ver√§ndern ‚Äď der Datentransfer bleibt im Kern bestehen.

So ist beispielsweise der Wechsel von einer Steuerung auf eine andere ohne weiteres möglich. Genauso kann eine Maschine auch problemlos in einen anderen Maschinenpark integriert werden.

9. Welche Alternativen gibt es zu einer Middleware?

Middleware vs. API

Eine API (Application Programming Interface) ist eine Programmierschnittstelle und bietet ähnlich wie eine Middleware die Möglichkeit, Anwendungen miteinander zu vernetzen und miteinander kommunizieren zu lassen. Wie der Name schon sagt, setzt die Nutzung einer API eine Programmierung voraus. Über eine API können Programmierer Systeme mit Hilfe von Befehlen, Funktionen, Protokollen und Objekten miteinander verbinden.

Die API ist somit ebenfalls eine Möglichkeit, Systemkomponenten miteinander zu verbinden. Eine Middleware setzt im Gegensatz zu einer API auf eine Vielzahl von Schnittstellen und bietet somit mehr Flexibilität in der Möglichkeit, Systeme anzubinden.

Middleware vs. Protokolle

Protokolle sind ein zentrales Element der Kommunikation zwischen Systemen und Anwendungen. Sie definieren, auf welche Art und Weise Informationen ausgetauscht werden. Hierzu geh√∂ren beispielsweise Regeln, Formate, Parameter und Eigenschaften von Daten, die f√ľr einen vollst√§ndigen, fehlerfreien und effektiven Datentransfer sorgen. Beispiele f√ľr IT-Protokolle sind das HTTP-, TCP- oder IP-Protokoll.

Wie auch bei der API stellt jedes Protokoll f√ľr sich eine M√∂glichkeit dar, die Kommunikation zwischen zwei Systemkomponenten zu regeln. Eine Middleware hingegen b√ľndelt eine Vielzahl an Protokollen und bietet auch hier den Vorteil der Flexibilit√§t in der Anbindung einzelner Systemkomponenten.

10. Welche Anforderungen gibt es an eine gute Middleware?

Es gibt einige Kriterien, die bei der Wahl der richtigen Middleware gepr√ľft werden sollten. Neben der Voraussetzung der Unabh√§ngigkeit von Protokollen, Betriebssystemen, Sprachen und Plattformen sowie dem Agieren im Hintergrund gibt es eine Reihe weiterer Kriterien, die bei der Auswahl ber√ľcksichtigt werden sollten:

  • Sicherheit: Wo eine Menge Daten gesammelt und transferiert werden, darf die Sicherheit nicht zu kurz kommen. Sensible Informationen wie Kunden- oder Produktionsdaten m√ľssen vor dem Zugriff Unbefugter gesch√ľtzt werden. Eine Middleware muss den h√∂chsten Sicherheitsstandards gerecht werden und die Sicherheit zu jeder Zeit gew√§hrleisten.
  • Skalierbarkeit: Eine Middleware sollte skalierbar implementiert werden k√∂nnen. Sowohl das Hinzuf√ľgen neuer Systemkomponenten auf IT-Ebene als auch auf OT-Ebene sollte mit einer Middleware ohne gro√üen Aufwand m√∂glich sein.
  • Anbindungsvielfalt: Um gr√∂√ütm√∂gliche Flexibilit√§t zu bieten und die heterogene Systemlandschaft bestm√∂glich abzubilden, sollte eine Middleware eine API bereitstellen und auch die M√∂glichkeit bieten, unterschiedliche Protokolle zu integrieren.
  • Best√§ndige Weiterentwicklung: Der Einsatz einer Middleware sollte die langfristige Digitalisierungsstrategie eines Unternehmens unterst√ľtzen. Besonders wichtig hierbei ist, dass die Software stetig optimiert und weiterentwickelt wird und regelm√§√üige Updates sowie ein Support angeboten werden.
  • Programmieraufwand: Verf√ľgt ein Unternehmen nur √ľber sehr geringe oder eventuell sogar keinerlei Ressourcen f√ľr die Programmierung von Schnittstellen, so ist das ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl der richtigen Middleware. Es gibt Middleware-Software, wie z. B. den OPC Router, der die Verbindung einzelner Systemkomponenten auf einer grafischen Benutzeroberfl√§che erm√∂glicht und bei dem Programmierkenntnisse keine Voraussetzung f√ľr die Nutzung sind.

11. Was sind praktische Einsatzgebiete von Middleware in der Industrie?

Ihre universelle Funktionsweise erlaubt es der Middleware, in unterschiedlichsten Branchen und Anwendungsf√§llen zum Einsatz zu kommen und somit die digitale Transformation zu unterst√ľtzen. Nachfolgend erl√§utern wir zwei Praxisbeispiele aus der Industrie, bei der Prozesse und Datentransfers mithilfe einer Middleware gesteuert werden.

Die Steuerung (SPS) mit Daten und Entscheidungen versorgen

Steuerungen koordinieren in der Automatisierung komplexe Maschinenabl√§ufe und Verfahren der Produktion. Im Ablauf einer Produktionskette werden immer wieder Entscheidungen getroffen, die auf Daten aus anderen Systemen basieren. Ein Beispiel daf√ľr sind Kundenauftragsdaten, die von Kunde zu Kunde unterschiedlich sind und die in einer Datenbank oder einen ERP-System gespeichert sind. Mit Hilfe einer Middleware kann die Weitergabe dieser Daten an die SPS automatisiert werden. Die Middleware erfasst die Kundenauftragsdaten und sendet sie an die Steuerung, um die Produktion zu starten. Auf Basis festgelegter Kommunikationsstandards, beispielsweise OPC UA, kann eine Middleware mit der Maschine kommunizieren. Diese Kommunikation schafft das h√§ndische Eintragen der Auftragsdaten direkt in der OT ab und sorgt f√ľr eine schnelle und effiziente Produktion.

Alarmierungen empfangen und so die Produktion im Auge behalten

Maschinendatenerfassung und die Auswertung dieser Daten sind essenzielle Bestandteile f√ľr eine effiziente Produktion. Mithilfe einer Middleware k√∂nnen Daten aus einer Steuerung mit der IT verbunden werden. Einen entscheidenden Vorteil dabei bringt in der Industrie die Alarmierung mit sich. Eine Middleware empf√§ngt Daten von der Maschine, analysiert diese in Echtzeit und kann Benachrichtigungen senden, die auf diesen Daten basieren. Beispielsweise l√§sst sich mit der Middleware das Fertigstellen eines Produktionsauftrages per Alarmierung an den zust√§ndigen Mitarbeiter senden. Dieser kann daraufhin den n√§chsten Auftrag aus dem System an die Maschine √ľbergeben und die Produktion f√ľr das n√§chste Produkt starten. Auch Grenzwerte an der Maschine lassen sich per Alarmierung an die IT √ľbergeben. Sollten zum Beispiel zu hohe Temperaturen in einer Maschine erreicht werden, k√∂nnen Mitarbeiter in Echtzeit informiert werden, die daraufhin reagieren und Gegenma√ünahmen einleiten k√∂nnen. So lassen sich Produktionsstopps verhindern und Ausf√§lle vermeiden.

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