Was ist eigentlich ein Unified Namespace – und warum brauchen wir ihn?

Neue Wortschöpfungen in der Industrie-4.0 kommen selten ohne einen Beigeschmack. Beschreiben kann ich den am besten als eine Mischung unerfüllter Versprechen und inhaltsleerem Marketingsprech. Zunächst habe ich den Unified Namespace (UNS) für genau das gehalten: eine leere Hülle, ein „Buzzword“, eine neue Verpackung für ein altes Konzept.
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Und tatsächlich wirst du in diesem Artikel womöglich das eine oder andere bewährte Konzept wiedererkennen. In meinen Augen liegt hierin die Stärke des UNS. Der UNS erfindet die Industrie-4.0-Datenarchitektur nicht neu, denn viele Konzepte des UNS beziehen sich auf etablierte Vorgehensweisen in den Operational Technologies (OT) und den Information Technologies (IT). Ich halte den UNS heute für den überzeugendsten Ansatz, um die allgegenwärtige Kluft zwischen IT und OT zu überwinden und damit eines der gewaltigsten Probleme zu lösen, was den Aufbau digitaler Infrastruktur in der Produktion heute zurückhält.
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In diesem Artikel versuche ich dir in einfachen Worten die UNS Architektur zu erklären und was sie für dein Unternehmen bedeutet. Damit das anschaulich bleibt begleitet uns ein einfaches Anwendungsbeispiel in einer Metallblechfertigung, welches uns genau an den Rand dieser Kluft zwischen IT und OT bringt.
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In einer Linie der Blechfertigung (Linie A) werden Bleche geschnitten, gebogen und geschweisst. Anschliessend werden sie lackiert (Lackierstrasse). Um heute zu ermitteln, wie viele Bleche sich gerade in welcher Produktionsstufe befinden, ob Verzögerungen auftreten und ob inwieweit die Auftragsabwicklung dem Plan entspricht, müsstest du nicht nur mehrere Datenbanken manuell abfragen, gewisse Informationen erhältst du nur durch Nachfragen bei den Operatoren. In unserem Anwendungsbeispiel stellen wir uns die Frage, wie wir ein Dashboard bauen, dass alle erforderlichen Einblicke in die Produktion zu jedem Zeitpunkt automatisch verfügbar macht.
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Die klassische Pyramiden-Struktur und ihre Probleme

Traditionell teilt man die Fertigungs-IT gerne in eine Automatisierungspyramide ein. Ganz unten befinden sich Sensoren und Maschinensteuerungen (SPS). Eine Ebene höher gibt es die Prozessleitsysteme, die diese Daten erfassen, überwachen, anzeigen und den Prozess steuern (SCADA & HMI). Darüber folgen weitere Schichten für Produktionsplanung und -Steuerung (MES) und schließlich die Geschäfts- und Verwaltungsprogramme (ERP).  

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Jede dieser Schichten ist oft durch Firewalls oder Netzwerkgrenzen voneinander getrennt. Um diese Grenzen zu überwinden, müssen verschiedene Stakeholder in deinem Unternehmen oft unzählige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen aufbauen, um diese Grenzen zu überwinden. Während du dich womöglich fragst, warum bei der Bereitstellung eines derart simplen Dashboards monatelang kein Fortschritt zu sehen ist, arbeiten gleich mehrere Stakeholder daran, die erforderlichen Live-Daten verfügbar zu machen:

• Den Automatisierungstechniker, der weiss wie man die benötigten Sensorwerte und Prozessparameter der einzelnen Maschinen (jede mit ihrem eigenen Kommunikationsprotokoll) ausliest.

• Einen externen Systemintegrator, der mit dem Aufbau des MES auf der Betriebsleitebene betraut worden war und heute noch dessen Wartung und Weiterentwicklung verantwortet.

• Die für die Betreuung des ERP-Systems zuständige Kollegin aus der IT, zwecks Informationen, welche Kundenaufträge aktuell vorliegen.

All das erzeugt viele Abhängigkeiten, Koordinationsaufwand und Absprachebedarf zwischen allen Beteiligten. Oft wird dabei vieles doppelt und dreifach angefasst. Das Resultat sind lange Umsetzungsdauern, hohe Kosten und oft veraltete Daten, wenn etwas schiefläuft.  

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Die Idee hinter dem Unified Namespace

Der Unified Namespace (UNS) löst dieses Problem, indem er ein zentrales „Datenverzeichnis“ schafft – quasi einer geordneten Momentanaufnahme jedes Datenpunkts in deinem Unternehmen. Statt dass Maschine A direkt mit System B redet, „veröffentlichen“ alle Beteiligten (Maschinen, Programme, Planungssoftware etc.) ihre Informationen in eine gemeinsame „Drehscheibe“. Andere Systeme „abonnieren“ diese Informationen dort, sobald sie sie brauchen.
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‍Was kann ich mir darunter technisch vorstellen?

Wer sich technisch besser auskennt, spricht manchmal von einem „Publisher-Subscriber“-Verfahren. Am häufigsten wird dieses Verfahren über das Übertragungsprotokoll MQTT realisiert, einem Protokoll zur Datenübertragung, das ursprünglich vor 25 Jahren angesichts der instabilen Datenverbindungen und geringen Bandbreite für die Überwachung von Erdölpipelines entwickelt worden war. Wichtig ist, dass alle Daten an einem Ort zusammenfliessen und jeder nur dort andocken muss.

Bezogen auf den Datenverkehr gelten UNS Architekturen als ausgesprochen schlank. Das ist mitunter auf die Verwendung dateneffizienter Protokolle wie MQTT zurückzuführen, jedoch auch auf den Grundsatz, dass Daten stets nur dann übertragen werden müssen, wenn sie sich ändern (“report on exception”).

Eine weitere Schlüsseleigenschaft des UNS liegt in der Organisation der Daten: Jeder Datenpunkt wird kontextualisisert. Außerdem werden die Daten in einer semantischen Hierarchie organisiert. Jede Information taucht im UNS an genau der Stelle auf, die seiner Herkunft oder Funktion entspricht – z. B. nach dem ISA-95-Standard:

enterprise/site/area/line/cell

Der Standard erleichtert es, Daten zu finden und konsistent zu benennen. Wichtiger bei der Definition der Struktur deines UNS ist jedoch, dass sie sich in ihr die Prozesse deines Unternehmens widerspiegeln.

In unserem Beispiel könnte das folgendermaßen aussehen:

myEnterprise/myFactory/Blechfertigung/Blechfertigung/Schneidemaschine/ProduzierteMenge 
myEnterprise/myFactory/Blechfertigung/LinieA/Biegemaschine/AktuelleTemperatur 
myEnterprise/myFactory/Blechfertigung/Lackierstrasse/AuftragsID 

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Ein einfaches Beispiel

1. Schneidemaschine publiziert Produktionsdaten
   Die Maschine in der Blechfertigung schickt kontinuierlich Infos, wie viele Bleche pro Stunde zugeschnitten werden und ob ein Rüstvorgang ansteht.

2. Biegemaschine und Schweissstation liefern Fortschritt
   Sobald ein Blech das Biegen durchläuft, aktualisiert die Biegemaschine den Status, z. B. „aktuelles Teil fertig um 10:45 Uhr“. Ähnlich macht es die Schweißstation. Alle Prozessdaten (z. B. Temperatur, Schweißnahtqualität) stehen im UNS bereit.

3. Übergabe an Linie B
   Sobald ein Blech die Schweißstation verlässt, wird eine Meldung „Blech Nr. 1234 → Auftrag 5678 fertig für Lackierung“ in den UNS gestellt. Die Lackierstation in Linie B sieht, dass ein neues Blech zugewiesen wurde, und aktualisiert selbstständig ihren Bearbeitungsstatus.

4. ERP-Anbindung
   Das ERP-System „weiss“, dass 100 Bleche aus Auftrag 5678 zu produzieren sind. Es publiziert Bestell-ID und Liefertermin in den UNS. Das MES „abonniert“ diese Info, um zum Beispiel bei Bedarf Schichten anzupassen oder Stillstände zu minimieren.

5. Dashboard
   Eine einfache Dashboard-Lösung ruft alle Informationen aus dem UNS ab und zeigt dir in Echtzeit an:
   
   - Wie viele Bleche sich gerade in Zuschneiden, Biegen, Schweißen befinden.
   - Wie viele zur Lackierung in Linie B liegen und wie der Bearbeitungsstand dort ist.
   - Ob es Verzögerungen gibt (z. B. weil eine Maschine gewartet wird).
   - Wie viel Zeit pro Arbeitsschritt im Durchschnitt benötigt wird.
   - Inwieweit die Bearbeitung des Auftrags im Produktionsplan liegt.
   - Eine Prognose, wann der Auftrag erfüllt sein wird.

Statt für jeden Wert eine eigene Direktverbindung zwischen einzelnen Maschinen und Programmen zu basteln, hat jede Maschine und jede Software lediglich eine einzige Verbindung: zum UNS.

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Warum ist das sinnvoll?

Wer die eigenen Produktionsdaten strukturiert im Griff hat, kann darauf aufbauen: z. B. KI-Anwendungen (künstliche Intelligenz) oder automatisierte Optimierungs-Algorithmen, die Probleme früh erkennen und Vorschläge liefern, wie die Produktion schneller oder günstiger laufen kann. Konkret bringt der UNS als Blaupause für die eigene digitale Infrastruktur gleich mehrerlei Vorteile:

1. Weniger Verbindungen, weniger Chaos - 
Früher musste man für jede kleine Datenabfrage von Maschine X zu System Y eine eigene Schnittstelle bauen. Mit dem UNS verbinden sich alle Systeme nur einmalig – mit der gemeinsamen Plattform.

2. Aktuelle Daten für alle - 
Da immer alle Informationen in Echtzeit eingespielt werden, sind sie auf dem aktuellen Stand. Wer Zugriff hat, kann sich direkt das abonnieren, was er braucht.

3. Agil bleiben - 
Möchten Sie neu einführen, dass pro Auftrag der genaue Produktionsfortschritt live sichtbar ist? Früher hätte das oft Wochen gedauert, um alle Schichten der Pyramide anzupassen. Mit einem Unified Namespace geht das häufig in wenigen Tagen, weil alle relevanten Daten bereits an einem Ort bereitliegen.

4. Weniger Doppelarbeit
 - Ist ein Wert einmal im UNS verfügbar, können ihn beliebig viele Abteilungen oder Systeme nutzen. Man muss also keine Mehrfach-Abfragen einrichten oder ständig Datenbankstrukturen kopieren.

5. Sicherheit per Design - Da alle Zugriffe klar über den zentralen Broker geregelt werden, lassen sich Sicherheits- und Zugriffsrechte an einer Stelle definieren und überwachen. Das reduziert die Angriffspunkte im Netzwerk. Das „Publisher-Subscriber“-Verfahren ermöglicht es deiner IT die kritische Produktionsinfrastruktur besonders gut zu schützen, denn der Datenfluss ist selbst dann möglich, wenn alle eingehenden Ports gesperrt sind.

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Was passiert mit alten Systemen?

Der Unified Namespace bedeutet nicht, dass Sie Ihre bestehenden Lösungen (SCADA, MES, ERP) wegwerfen müssen oder dass die Automatisierungspyramide auf einmal überholt ist. Im Gegenteil: Du behältst diese Lösungen. Nur die Art, wie diese Systeme Informationen austauschen, ändert sich. Statt vieler direkter Verbindungen innerhalb und über die Schichten der Automatisierungspyramide hinweg wird künftig eben nur noch eine benötigt – nämlich hin zum UNS.

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Braucht man dann noch eine Datenbank für historische Werte?

Ja, in der Regel schon. Der UNS kümmert sich vor allem um Echtzeit-Daten. Sobald Sie Analysen über längere Zeiträume anstellen möchten (z. B. Trendanalysen über Monate oder das Trainieren eigener Machine Learning Modelle), brauchen Sie eine Datenbank oder einen Historian, der die erforderlichen Informationen dauerhaft speichert. Das Historian-System holt sich dazu regelmäßig die Live-Daten aus dem UNS und schreibt sie fortlaufend weg.

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Wie fange ich an?

1. Der erste Datenpunkt im UNS ‍
   1. Setze den zentralen Datenbroker auf, zunächst nur in einem einzelnen Werk oder sogar nur für einen einzelnen Bereich der Produktion. Für Testzwecke eignet sich hierfür eine kostenlose Version der vielen MQTT-Broker auf dem Markt (z.B. RabbitMQ, HiveMQ oder EMQX).  
   2. Schliesse eine oder zwei Maschinen an. In diesem Video erkläre ich dir, wie du beispielsweise mit PREKIT jede Maschine für den UNS nachrüsten kannst.
   3. Lass die ersten Datenpunkte (z. B. Produktionszahlen oder Temperaturwerte) in Echtzeit in einer frei zugänglichen Dashboarding-Lösung wie Grafana anzeigen.

2. Zeigen statt erklären ‍
   1. Zeige Kollegen und Vorgesetzten, wie schnell neue Daten (z.B. ein weiterer Sensor) eingebunden und visualisiert werden können.
   2. Beziehe andere Stakeholder ein, um zu definieren, wie Daten geordnet sein sollen, damit jeder die Daten findet, die er braucht, z. B. nach Standort → Linie → Maschine. Achte auf klare, einheitliche Bezeichnungen.

3. Bestehende Systeme Schritt für Schritt integrieren ‍
   1. Binde ein Historian- oder Data-Lake-System ein, um grosse Datenmengen zu archivieren.
   2. Lasse dein MES sowohl Daten publizieren (z. B. Auftragsstatus) als auch abonnieren (z. B. Maschinendurchsatz).
   3. Weite das Projekt auf dein ERP aus, sodass beispielsweise auch Bestellnummern und Liefertermine automatisch in den UNS fließen.  

4. Erweiterung auf die gesamte Produktion ‍
   1. Wenn das Grundprinzip läuft, kannst du nach und nach alle relevanten Maschinen, Sensoren und Programme dazuholen.
   2. Etabliere Regeln für Datenqualität, Topic-Namenskonventionen und Sicherheitskonzepte und mache dieses Wissen zugänglich. Denn der Mehrwert wird dann am offensichtlichsten, wenn der UNS Kollegen in ihren Funktionsbereichen befähigt, ihre eigenen Probleme mit neuen Informationen zu lösen.

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Ein kleiner Ausblick: Geschlossener Regelkreis (Closed Loop)

Die Vision, die viele Unternehmen haben, geht noch weiter: Wenn Daten in Echtzeit vorliegen, können Analyse-Programme oder künstliche Intelligenzen nicht nur Probleme erkennen, sondern auch aktiv reagieren. Zum Beispiel könnte eine Software feststellen, dass ein bestimmtes Bauteil bald verschleißt, und automatisch einen Wartungsauftrag ans MES schicken oder die Maschine temporär drosseln, um Schäden zu vermeiden.

Damit solche automatischen Abläufe funktionieren, braucht es eine verlässliche Echtzeitdaten-Drehscheibe. Und genau das ist der Unified Namespace: ein Dreh- und Angelpunkt, über den alle Informationen in Echtzeit zusammenlaufen und wieder hinausgehen.

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Gibt es Nachteile oder Konflikte zwischen verschiedenen Ansätzen?

Manche Firmen verfolgen den Ansatz, wirklich jedes Signal ständig zu versenden. Andere senden nur „wichtige“ Ereignisse. Auch bei der Organisation der Datenstruktur gibt es teils unterschiedliche Philosophien. Diese Abweichungen sind nicht unbedingt Widersprüche, sondern eher verschiedene Umsetzungsarten:

• Möglichst viel publizieren: Der Ansatz trifft keinerlei Annahmen darüber, welche Daten wie konsumiert werden. Er sorgt für maximale Flexibilität, im Gegenzug steigt jedoch der Datenverkehr.

• Nur Ereignisse: Gut für Bandbreite, kann aber detaillierte Informationen kosten.

Zudem kann der Unified Namespace zentral bei einem einzelnen Standort liegen oder verteilt auf mehrere „Teilverzeichnisse“, die miteinander verbunden sind. All diese Varianten erfüllen aber den gleichen Zweck: Die Daten sollen gebündelt, klar strukturiert und schnell verfügbar sein.

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Keine Wunderlösung, aber ein wichtiger Baustein

Der Unified Namespace ist keine Wunderlösung, die „mal eben“ alle Probleme der Automatisierungspyramide wegzaubert. Er ist aber ein enorm wichtiger Baustein, um die klassischen Engpässe in OT- und IT-Architekturen zu lösen. Indem wir Daten in Echtzeit und in einem einheitlichen Format bereitstellen, wird Integration einfacher, die Flexibilität steigt und Innovationen (zum Beispiel KI-Modelle oder Live-Dashboards) lassen sich viel schneller realisieren.

Für alle, die nach Industrie-4.0-Lösungen suchen, lohnt es sich definitiv, die UNS-Architektur genauer unter die Lupe zu nehmen. Es vereinfacht nicht nur bestehende Prozesse, sondern bereitet Sie auch auf zukünftige Anforderungen vor – und genau das ist in einer immer schnelllebigeren Produktionswelt Gold wert.  

Kurzum: Wer die gewaltigen Datenmengen seiner Produktion und Unternehmensabläufe beherrschen möchte, kommt um ein zentrales, klar strukturiertes Datendrehkreuz – also einen Unified Namespace – kaum mehr herum.