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Vom Sensor zur Cloud

12. März 2021, 08:45 Uhr   |  Inka Krischke

Vom Sensor zur Cloud
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Eine der ‚Zauberformeln‘ im Industrial Internet lautet ‚durchgängiger Informationsfluss‘. Aber: Die installierte Basis der Produktion lässt sich nicht so einfach ‚umstellen‘ wie eine Business-Software. Vielmehr muss die Migration hier unterschiedliche Komponenten integrieren.

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

IO-Link Master mit OPC-UA-Schnittstelle
© Pepperl+Fuchs

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.

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.
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1. Vom Sensor zur Cloud
2. Kaffeemaschine mit IIoT-Anbindung

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