Das erste Testbed des IIC fand seine Inspiration in dem Projekt ‚Factory of the Future‘ von Airbus.

© Airbus

Abhängig von dieser Position kann sodann automatisch das richtige Drehmoment für die jeweilige Aufgabe gewählt werden. Dies wiederum ermöglicht es, sicherheitsrelevante Schrauben stets mit exakt der vorgeschriebenen Kraft anzuziehen. Schöner Begleiteffekt: Ein Werkzeug kann sich automatisch abschalten, sobald es erkennt, dass es falsch eingesetzt wird. Unfälle oder Verletzungen lassen sich so vermeiden. Weiter erlaubt eine automatische Dokumentation der Schraubwerte die Sicherung und Prüfung der Produktqualität. Mögliche Anwendungsgebiete solch vernetzter handgehaltener Schraub-, Niet- oder Messwerkzeuge finden sich beim Bau und der Wartung von Motoren und Flugzeugen. Erste Ergebnisse des Testbed wurden anlässlich der Bosch Connected World im Februar dieses Jahres vorgestellt.

Inspiriert wurde das Testbed durch die Ergebnisse, die im Rahmen des Airbus-Projektes ‚Factory of the Future‘ entstanden. Die ‚Factory bei Airbus ist ein langfristiges Forschungs- und Technologieprojekt in mehreren Schritten, das eine entscheidende Rolle für die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens bei Fertigungsprozessen spielt.

Das System on Module bildet die Hardware-Basis der Bosch-Akkuschrauber des Testbeds. Den Grundstock bilden hierbei ein Zynq-Prozessor von Xilinx und das Betriebssystem Linux in einer Echtzeitvariante.

© National Instruments

Zur Entwicklung eines Flugzeugs gehören unzählige Schritte, die Bediener befolgen müssen, und auch zahlreiche feststehende Prüfungen, um die Qualität sicherzustellen. Durch die Erweiterung des Systems um Intelligenz erkennen die intelligenten Werkzeuge die Aktionen, die der Bediener als nächstes ausführen muss. Die Werkzeuge passen dabei automatisch ihre eigenen Einstellungen an, wodurch sich die Aufgabe für den Bediener vereinfacht. Nach Abschluss der Aktion können die intelligenten Werkzeuge auch die Ergebnisse derselben überwachen und aufzeichnen, wodurch sich die Effizienz des Produktionsprozesses verbessert.

Airbus hat mit der Entwicklung von intelligenten Werkzeugfamilien begonnen, die verschiedene Fertigungsprozesse ausführen: Bohren, Messen sowie hochwertiges Datenloggen und Festspannen. Als Basisplattform für alle diese intelligenten Werkzeuge testete Airbus das NI SOM (System on Mo-dule), weil die Architektur und das Framework, welche das System bereitstellt, um den Entwicklungsprozess vom Entwurf über die Prototypenerstellung bis hin zum Serieneinsatz zu beschleunigen, allgegenwärtig sind. Bevor das Unternehmen auf dem NI SOM entwickelte, konnte es auf Grundlage eines NI-CompactRIO-Controllers einen Prototyp erstellen, der es ermöglichte, IP aus bestehenden Airbus-Bibliotheken sowie quelloffene Algorithmen zu integrieren und so seine Konzepte schnell zu validieren. Die Flexibilität, grafische und textbasierte Programmierung nutzen zu können, sowie die Wiederverwendung von Drittanbieter-Entwicklungen, die auf den Xilinx-Zynq und das Betriebssystem NI Linux Real-Time portiert wurden, sorgten für den perfekten Abstraktionsgrad für die Entwicklung dieser Werkzeuge. Der Programmcode, der auf dem NI SOM entwickelt wurde, konnte nun als verteilte Lösung genutzt werden, so dass nicht etwa der gesamte Entwurfsprozess neu begonnen werden musste.

Testbed der Energietechnik

Beim zweiten Prüfstand, an dem National Instruments beteiligt ist, handelt es sich um ein Testbed im Energiebereich – ein so genanntes ‚Microgrid Communication and Control Testbed‘. Mit diesem soll die Machbarkeit eines sicheren Echtzeit-Datenbusses nachgewiesen werden. Eines Echtzeit-Datenbusses, der die Kommunikation zwischen Maschinen (M2M), zwischen Maschinen und Steuerzentrale/Leitstelle sowie zwischen Maschinen und Cloud-Daten vereinfacht. Dabei sollen verteilte Datenverarbeitungs- und Steuer-/Regelanwendungen, die sich in direkter Nähe des Knotens befinden – auch als ‚edge-located‘ bezeichnet – mit intelligenten Analyseverfahren kombiniert werden.

Das RTI DDS Toolkit: Eine skalierbare Anbindungslösung für den Datenaustausch zwischen Labview-VIs und anderen verteilten, auf Labview, C/C++ oder Java basierenden Anwendungen.

© National Instruments

Die Mitgliedsunternehmen des Industrial Internet Consortium, die dieses Testbed realisieren, sind Real-Time Innovations, National Instruments und Cisco. NI stellt hierbei die intelligenten Knoten für die Steuerung und Analyse der Edges auf Basis von CompactRIO und dem Grid Automation System zur Verfügung. Bei dem Grid Automation System handelt es sich um einen für die 19-Zoll-Rackmontage geeigneten, programmierbaren Controller für die Automatisierung von Umspannwerken. NI liefert das System mit bereits installierter Funktionalität einer PMU (Phasor Measurement Unit) aus. Die Ausführung der PMU-Software erfüllt die ­Anforderungen des IEEE-Standards C37.118.1a-2014.

Das Testbed durchläuft drei Phasen. Im April 2015 begann die erste Phase des Proof of Concept, mit dem die grundlegende Sicherheit und Leistung sichergestellt werden soll. Phase zwei – für 2016 anberaumt – wird die Skalierbarkeit der Microgrid-Kommunikations- und Steuerarchitektur in einer simulierten Umgebung demonstrieren. Die letzte Phase schließlich soll zeigen, wie sich das Testbed in einer realen Situation einsetzen lässt. Die ersten beiden Phasen werden in Westminster im US-Bundesstaat Kalifornien am Southern California Edison’s Control Lab durchgeführt. Der Einsatz im Feld findet im Microgrid-Testbereich ‚Grid-of-the-Future‘ von CPS Energy in San Antonio (Texas) statt.

Das Microgrid Communication and Control Testbed mit den Anteilen von Cisco, RTI und National Instruments. ➀ Cisco Analytics, ➁ National Instruments Intelligent Electronics Devices, ➂ Real Time Innovations Communi­cations and Control Databus.

© National Instruments

Hintergrund des Testbed: Die zentral geregelte Architektur heutiger Stromnetze ist nicht dafür ausgelegt, verteilte und erneuerbare Energiequellen wie etwa Solaranlagen auf dem Hausdach oder Windturbinen miteinander zu vernetzen. So muss das System mehr Strom generieren,als eigentlich benötigt, um schnelle Schwankungen in der Stromerzeugung oder im Strombedarf zu kompensieren. Das Ergebnis ist, dass viele der Vorteile erneuerbarer Energiequellen im privaten Bereich oder in Unternehmen verloren gehen. Variable und verteilte Stromerzeugung effizient in das Netz zu integrieren, erfordert Neuerungen in der Architektur.

Ziel des Testbed ‚Microgrid Communication and Control Testbed‘ ist es, diesem veralteten Prozess die Flexibilität der Echtzeitanalyse und -steuerung zu verleihen und somit zu Effizienzsteigerungen beizutragen. Die Stromerzeugung soll akkurater und zuverlässiger erfolgen und so dem anfallenden Bedarf genauer entsprechen. In diesem Testbed sollen elektrische Stromnetze umstrukturiert werden, so dass diese eine Reihe verteilter Mikronetze beherbergen, die jeweils kleinere stromverbrauchende Bereiche steuern, bei denen die Stromerzeugung und die Speicherkapazität verteilt sind. Diese Mikronetze arbeiten unabhängig vom Hauptstromnetz, interagieren aber mit der bereits existierenden Infrastruktur und werden auch mit ihr koordiniert.

Die in diesem Testbed kooperierenden Unternehmen arbeiten eng mit dem US-Stromanbieter Duke Energy zusammen, der erst kürzlich eine Referenzarchitektur für dezentrale Intelligenz veröffentlichte. Ebenfalls wird eng mit dem Standard Grid Interoperability Panel (SGIP) kooperiert, wodurch eine koordinierte, akzeptierte Architektur auf Basis moderner, branchenübergreifender Technologien des industriellen Internet sichergestellt ist.

Große verteilte Systeme ohne eine Netzanbindung beziehungsweise Konnektivität zu erstellen, ist unmöglich. Eine unternehmens- und anwenderzentrische Kommunikation ist zu langsam beziehungsweise zu spärlich, als dass große Netzwerke mit Geräten erschaffen werden könnten, die eine ultraschnelle Anbindung erfordern. Solche neuen intelligenten Maschinen erfordern neue Technologien. Und diese Technologien müssen die richtigen Daten finden und diese dann rechtzeitig dahin befördern, wo sie benötigt werden. Folgende drei Punkte sind die wichtigsten Elemente einer solchen Kommunikation: Zuverlässigkeit, Flexibilität und Sicherheit. Vielleicht weniger offensichtlich ist, dass die Kommunikation zudem branchenübergreifend funktionieren muss. Nur so kann für die Effizienz einer gemeinsamen Maschinen- und Cloud-basierten Infrastruktur für das IIoT gesorgt werden.

Entscheidung pro DDS

Zur Sicherstellung der Kommunikation bei solch komplex verteilten Systemen wird bei diesem Testbed der offene Standard DDS (Data Distribution Service) und im Besonderen die DDS-Plattformimplementation Connext von Real-Time Innovations zum Kommunikationsprotokoll der Wahl. Für verteilte Echtzeitsysteme entwickelt, legt DDS das Hauptaugenmerk auf Daten. DDS ermöglicht jedem Element eines Systems, fundierte, zeitnahe Entscheidungen zu treffen und ist überdies für Industrial-Internet-Anwendungen geeignet.

Außerdem gestattet es eine umfassende Feinsteuerung von Echtzeit-Dienstgüte-Parametern (Echtzeit-QoS-Parametern) wie ­Zuverlässigkeit, Bandbreitensteuerung, Liefertermine, Ressourcen-Engpässe und Sicherheit. Genau wie eine Datenbank, die eine datenzentrische Speicherung vorsieht, versteht DDS den Inhalt der Information, die es verwaltet – in dem Fall die Daten auf dem Datenbus. In einem DDS-System melden die Anwendungen ihr Interesse an speziellen Datenthemen an und ‚veröffentlichen‘ (publish) oder ‚abonnieren‘ (subscribe to) Daten mit der jeweiligen gewünschten Dienstgüte (Quality of Service, QoS). Bei einem DDS-basierten System existieren keine festprogrammierten Interaktionen zwischen den einzelnen Anwendungen. RTIs DataBus entdeckt und verbindet automatisch die Publish- und Subscribe-Anwendungen. Um eine neue smarte Maschine ins Netzwerk zu integrieren, sind keine Änderungen in der Konfiguration erforderlich. Der Datenbus passt die Dienstgüte an, stellt diese sicher und bewältigt durch Punkt-zu-Punkt-Sys-temintegration auftretende Schwierigkeiten wie etwa fehlende Skalierbarkeit, Interoperabilität und die Möglichkeit, die Architektur weiterzuentwickeln. Vereinfacht gesagt, ermöglicht er Plug&Play, Skalierbarkeit und eine extrem hohe Leistungsfähigkeit.

Bei dem Testbed kommt das RTI DDS Toolkit für Labview zum Einsatz. Es erlaubt, zuverlässig, sicher und skalierbar Daten über extrem verteilte und heterogene Systeme hinweg zu teilen. Basierend auf RTI Connect DDS – der marktführenden Implementierung des offenen Standards ‚Data Distribution Service for Real-Time Systems‘ (DDS) – ermöglicht das Toolkit einen nahtlosen Datenaustausch zwischen Labview-Applikationen und anderen DDS-kompatiblen Anwendungen. Als Standardlösung und kompatible Alternative zu benutzerspezifischen Kommunikationslösungen trägt das Toolkit zu einer Reduktion der Kosten für die Entwicklung, Integration und Wartung des Systems bei.
Das RTI DDS Toolkit für Labview unterstützt den Anwender dabei, gleich mehrere Herausforderungen verteilter Systeme zu bewerkstelligen:

■ Das zuverlässige Senden von Daten an mehrere Empfänger, inklusive Datenstreaming.
■ Eine geringe Latenzzeit sowie einen hohen Durchsatz bei gleichzeitiger Skalierbarkeit auf größere Systeme.
■ Eine einfache Integration von Labview in andere Anwendungen.

Das Toolkit beinhaltet eine Reihe von SubVIs (VI: Virtuelle Instrumente) für Daten-Publishing- und -Subscription-Mechanismen. Diese erlauben den einfachen Datenaustausch zwischen Labview-VIs und anderen Anwendungen, die DDS nutzen. Das RTI DDS Toolkit for Labview und das RTI DDS Toolkit for Labview Real-Time sind im Labview Tools Network erhältlich und können direkt vom VI Package Manager aus installiert werden.

Testbed Big Analog Data

Ein drittes IIC-Testbed, an dem National Instruments ebenfalls mitarbeitet – dieses Mal mit IBM – ist das Testbed ‚Big Analog Data and Analytics‘ und nutzt Big Analog Data und Analyseverfahren, um Betriebsausfallmuster bei Anlagen und Maschinen zu erkennen. Dies soll es Produktions-, Wartungs- und IT-Abteilungen ermöglichen, zu bestimmen, welchem Teil der Anlage möglicherweise ein ungeplanter Ausfall droht. NI und IBM werden das Testbed Mitte September auf dem Kongress IOT Barcelona 2015 zeigen.

Autor: Rahman Jamal ist Global Technology & Marketing Director bei National Instruments.