Keine Utopie: Ein Stammkunde ‚droht‘ mit eiligem Großauftrag. Um ihn termingerecht zu erfüllen, werden die Produktionskapazitäten in Portugal, Indien und Vietnam benötigt. Ausfälle darf es jetzt auf keinen Fall geben, eine Überprüfung der Anlagen ist dringend geboten. Statt nun die Flugtickets für das Serviceteam zu buchen, genügt ein Blick in die Cloud.
Dort sind umfangreiche Datensätze für eine präzise Zustandsanalyse hinterlegt. Ohnehin hat die vorausschauende Wartung auf dieser Grundlage bereits dafür gesorgt, dass sich die Maschinen im optimalen Zustand befinden. In die andere Richtung können spezifische Prozessdaten für die Produktion über die Cloud zentral eingegeben werden; die Fertigung kann also jederzeit beginnen.

Dieses Szenario ist – zumindest optional – heute inzwischen Realität. Der globale Datenzugriff gehört auf der Ebene von Geschäftsprozessen längst zum Alltag. Und auch im Industrial Internet ist der durchgängige Informationsfluss auf dem Vormarsch. Aber: Die installierte Basis der Produktion lässt sich nicht so einfach ‚umstellen‘ wie eine Business-Software. Hier muss die Migration viele unterschiedliche Komponenten und Teilsysteme integrieren.

In der industriellen Praxis stellt sich daher die Frage, welche Schritte möglich sind und welchen Nutzen sie bringen. 

Welche IIoT-Lösungen kann man mit überschaubarem Aufwand in bestehende Anlagen implementieren, ohne Risiken einzugehen? Wie kann man bei Neuinvestitionen auf der Grundlage des vorhandenen Know-how kontrolliert gezielte Neuerungen einführen?

Die Antwort liefern Technologien, die sich inzwischen als Brücke zwischen herkömmlichen Prozessumgebungen und neuen IIoT-Lösungen bewährt haben. Sie stellen die Verbindung von der physischen Feldebene zur digitalen Welt der Cloud-gestützten Prozesse her.

IO-Link plus weitere Standardprotokolle

Der IO-Link Master mit OPC-UA-Schnittstelle von Pepperl+Fuchs ermöglich zusätzlich zur Echtzeit-Kommunikation über Profinet oder Ethernet/IP die Anbindung der Sensorik an übergelagerte Cloud-Systeme.

© Pepperl+Fuchs

Als Brückenfundament kann die Technologie von IO-Link dienen, die die bestehende Punkt-zu-Punkt-Verbindung und die 3-Draht-Standardverkabelung nutzt. Protokolle und Schnittstellen für die bidirektionale Kommunikation mit den Feldgeräten sind standardisiert und vom verwendeten Feldbus unabhängig. Für den bruchlosen Übergang sorgen IO-Link-Master, die für Standardprotokolle ausgelegt sind. Pepperl+Fuchs bietet bereits einen IO-Link-Master mit einer Schnittstelle für OPC UA an. Auf der Industrial-Ethernet-Seite gewährleistet er die Anbindung an Profinet oder Ethernet/IP, jeweils inklusive Modbus TCP. Die weit verbreiteten IIoT-Protokolle MQTT und REST:API lassen sich auf demselben Kommunikationskanal ebenfalls übertragen.

Diese drei Protokolle – OPC UA, MQTT und REST:API – bieten sich für den IIoT-Einstieg an. Allerdings unterscheiden sie sich hinsichtlich Funktionsumfang und IT-Footprint deutlich:

• MQTT ist ein reines Kommunikationsprotokoll auf Grundlage eines binären Datenstroms, ohne Strukturierung, Visualisierung oder integrierte Sicherheitsvorkehrungen. Die im Netzwerk benötigte Datenmenge (IT-Footprint) ist minimal, einzelne Geräte lassen sich damit bei geringem Aufwand einbinden. Allerdings ist eine automatisierte Übernahme von Gerätespezifikationen nicht möglich. Somit eignet sich MQTT für einen  Einstieg in die IIoT-Welt im kleinen Rahmen; bei größeren Projekten und komplexeren Umgebungen wird der Programmieraufwand jedoch schnell zu groß.
• REST:API verwendet XML-Dateien. Neben dem binären Datenstrom stehen Zusatzinformationen zu Umfang und Typ der Daten zur Verfügung. Bei der Einbindung gleichartiger Geräte desselben Herstellers können die Gerätespezifikationen dupliziert werden. Die Client-Server-Architektur erlaubt die Verwendung von Nutzernamen und Passwörtern. Damit ist ein gewisses Maß an Sicherheit integriert; der IT-Footprint ist insgesamt mittelgroß. Die Handhabung ist etwas einfacher als bei MQTT, erfordert aber ebenfalls eine eigene Programmierung.
• OPC UA bietet als ‚Unified Architecture‘ einen erheblich größeren Funktionsumfang und mehr Komfort bei entsprechend größerem Footprint. Die OPC Foundation sorgt für Standardisierung, Zertifizierung und die ständige Weiterentwicklung des Protokolls. Die Daten stehen den Nutzern strukturiert und bereits für die Visualisierung sowie Weiterverarbeitung aufbereitet zur Verfügung. Neue Geräte lassen sich anhand standardisierter Spezifikationsdateien quasi automatisch einbinden. Zwar ist die benötigte IT-Kapazität wesentlich größer als bei den anderen beiden Protokollen – dies gilt aber ebenso für den Funktionsumfang und die Einfachheit der Handhabung. Hochwertige Sicherheitsvorkehrungen sind bereits integriert. Damit eignet sich OPC UA insbesondere für IIoT-Lösungen in komplexeren Umgebungen mit vielen Teilnehmern.

Kaffeemaschine mit IIoT-Anbindung

Durchgängige und transparente Kommunikation vom Sensor in die Cloud.

© Pepperl+Fuchs

Welche Möglichkeiten die durchgängige Verbindung zwischen Feldebene und Cloud eröffnet, veranschaulicht ein Demo-Projekt, das Pepperl+Fuchs zusammen mit den KI-Experten des Start-ups Symate realisiert hat: Dazu wurde ein Kaffeevollautomat mit zahlreichen zusätzlichen Sensoren versehen. Diese erfassen die Füllstände des Wassertanks sowie der verschiedenen Kaffeebohnenbehälter, erkennen die Tasse und ihren Füllgrad. Der potenzielle Kaffeekonsument identifiziert sich über einen RFID-Transponder, auf dem seine besonderen Vorlieben gespeichert sind. Im Cloud-gestützten Steuerungssystem ‚Detact‘ werden die erfassten Sensordaten zusammen-geführt und verarbeitet.
Das Steuerungssystem zeichnet unter anderem den individuellen Kaffeekonsum auf, erkennt auch marginale Abweichungen bei der Tassenfüllhöhe oder Parameterschwankungen beim Brühvorgang. Durch entsprechende Signale kann die anstehende Wiederbefüllung von Wasser- und Kaffeebehältern ausgelöst werden. Aus den Verlaufsdaten berechnet das System Prognosen des künftigen Konsums. Sowohl die ‚Produktion‘ als auch die Wartung lassen sich also vorausschauend planen.

Produktionssteuerung aus der Cloud

Lukas Pogoda ist Produktmanager für Industrielle Kommunikation bei Pepperl+Fuchs in Mannheim.

© Pepperl+Fuchs

Auf die industrielle Praxis übertragen ergeben sich aus diesem Modell neue Möglichkeiten für eine Cloud-gestützte Steuerung. Diese ist zwar noch nicht für echtzeitkritische Prozesse geeignet, in denen es auf verlässliche Millisekunden-Intervalle ankommt. Doch sind bei weitem nicht alle Produktionsabläufe so eng getaktet. Dies gilt beispielsweise beim stoffschlüssigen Ultraschall-Verschweißen von mehreren Spritzgusskomponenten zu einem Bauteil: Die Komponenten werden in Trays angeliefert, die mit RFID-Transpondern versehen sind. Ein RFID-Lesekopf mit IO-Link-Schnittstelle identifiziert sie und liest zugleich spezifische Parameter aus vorangegangenen Prozessschritten aus, die auf den Transpondern hinterlegt sind. Weitere Sensoren, wie etwa Druckmarken-Farbtaster, können für eine physische Qualitätsprüfung zum Einsatz kommen. Sie erkennen eventuell vorhandene Verfärbungen oder Brandstellen aus dem Spritzguss. Abweichungen werden registriert, Ausschuss wird vor der Weiterverarbeitung aussortiert. Zugleich kann der Schweißprozess automatisch an die Parameter der jeweiligen Komponenten angepasst werden. Anschließend werden die fertigen Bauteile in passende, wieder mit RFID-Tags versehene Trays einsortiert.

Ein IO-Link Master mit OPC-UA-Schnittstelle sammelt die Sensorsignale ein, die Cloud-gestützte Steuerung leitet eine vorlaufende Analyse ab. Dabei werden Daten aus verschiedenen Prozessketten zusammengeführt und synchronisiert. Daraus lassen sich Prozesseinstellungen an der Ultraschallschweißanlage wie Anpressdruck, Schweißzeit oder einzubringende Energie ableiten und automatisch anpassen.

Die Schwelle zum Einstieg in eine solche Prozessarchitektur ist ausgesprochen niedrig, da viele Sensoren bereits eine IO-Link-Schnittstelle besitzen und eine Aufrüstung mit geringem Aufwand möglich ist. Die IO-Link-Master mit OPC-UA-Schnittstelle stellen die Verbindung zur Feldebene her, ohne in die Prozesssteuerung einzugreifen. So lassen sich bestehende Anlagen aufrüsten; Neuinvestitionen können auf bewährte Strukturen aufbauen und bei minimalem zusätzlichen Aufwand IIoT-fähig gemacht werden.