Die Zukunftsthemen Industrie 4.0, Smart Factory und Industrial IoT (Internet of Things) stehen für die Konvergenz physischer Produktionskomponenten mit Informations-­ und Kommunikationstechnologien. Als sogenannte Cyber Physical Systems (CPS) – genauer als Cyber-Physical Production Systems (CPPS) – sollen Anlagen, Maschinen und Produktionsprozesse künftig autonom in selbstko-ordinierenden Netzwerken arbeiten.

Zwei Trends flankieren diese Entwicklung: die Fortschritte auf Seiten der Hardware-Technik und der weitreichende Einsatz der Ethernet-basierten Technologien in allen Fertigungsstufen. Moderne Embedded-Systeme sind mit ihrer offenen universellen Architektur und verbauten Mehrkern-Intel-Prozessoren prädestiniert, die Aufgabe der Daten-Integration und -Aufbereitung zu übernehmen. Ergänzend helfen spezialisierte IoT-Gateways (siehe Kasten), Daten der vorhandenen Sensorik der Maschinenwelt an die Cloud-Umgebungen heranzuführen.

Hierzu sammelt das Gateway die ­Daten in unterschiedlichen Feldbus-Formaten ein, macht diese Standard-Ethernet-fähig und kommuniziert über Mobilfunknetze oder den gewöhnlichen Internet-Zugang eines Unternehmens mit den Cloud-Services. Warum gerade der IPC gegebenenfalls in Kooperation mit den spezialisierten IoT-Gateways von großem Nutzen für den Durchbruch der Industrie-4.0-/CPPS-Idee ist, soll im Folgenden aufgezeigt werden.

Wertvolle Datenkombinationen

Die Spectra-PowerBox-Serie 3000 verfügt über ausreichend Leistungsvermögen, die Aufgaben einer Steuerungs- und Kontroll-Einheit der Bewegungsregelung, eines Feldbus-Controllers und eines IoT-Gateways zu übernehmen.

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Der feinteilige, zeitnahe Datenaustausch zwischen Fertigungs- und Managementsystemen kann zu einer höheren Flexibilisierung und besseren Auslastung der Produktion durch kleinere Los-Größen führen. Die Kostenstrukturen in der Fertigung lassen sich durch eine automatisierte Abstimmung von Verbrauch und Kapazitäten optimieren. Ebenso ist vorstellbar, dass ­Anlagen ihr ‚Wissen‘ über die aktuellen Werte der Produktionsparameter nut-zen und selbstständig eine Wartung veranlassen.

Doch der Einstieg in das Indus­trie-4.0-/CPPS-Zeitalter stellt eine thematisch und technologisch anspruchsvolle Aufgabe dar: Unternehmen müssen sorgfältig abwägen, welche ­Daten überhaupt für die Auswertung im Rahmen von Cloud-Services sinnvoll sind? Das wirft zusätzlich die Frage auf, auf welchem Weg die Informationen der Sensoren, Aktoren, Prozesse und Maschinen in die Standard- Ethernet-Kommunikation eingeschleust werden können.

Vielfalt vorhandener ­Infrastrukturen

Für die Messaufgaben werden in der Regel kompakte, unkomplizierte und nicht zuletzt preiswerte E/A-Module eingesetzt. Sensoren wie Thermoelemente, Widerstandsthermometer oder Dehnmessstreifen lassen sich direkt an die Module anschließen, die über präzise leistungsfähige Messverstärker die physikalische Größe berechnen und die ­Daten über ein Feldbus-Protokoll an die übergeordneten Steuerungssysteme kommunizieren. Die Daten der E/A-Module oder Sensoren werden von SPS-Systemen empfangen und verarbeitet und lösen abhängig vom Wert regel­basiert Aktionen aus. Häufig tauschen sich mehrere dieser speicherprogrammierbaren Steuerungen über das Geschehen mit einem übergeordneten SCADA-System oder einem Industrie-PC aus. Ansonsten verlässt kaum eine Informa-tion ihre ­direkte Feld- und Steuerungsebene – ­horizontal in Richtung benachbarter ­Fertigungsinseln oder vertikal in Richtung MES/ERP-Leitebene.

Die Kommunikationsanforderungen der Industrie-4.0-/CPPS-Idee stoßen in etablierten Infrastrukturen folglich im Wortsinne an Grenzen. Das liegt nicht zuletzt daran, dass sich auf der Steuerungsebene eine Vielzahl unterschiedlicher Feldbus-Protokolle (Profibus, Ethercat & Co.) etablieren konnte. Eine 1:1-Verbindung der proprietären Systeme und Protokolle untereinander wäre auf direktem Weg wirtschaftlich und aufwandtechnisch kaum darstellbar.

Die Cloud als Datendrehscheibe

Aus diesem Grund spielt aus Datensicht für Anwendungen ohne harte Echtzeit-Anforderungen die Cloud als Informations- und Analyse-Drehscheibe eine immer wichtigere Rolle. Ne-ben der physikalischen Infrastruktur setzt jede Kombination von Daten softwareseitig eine intelligente Modellierung voraus, damit die Informationen im Wortsinne überhaupt verständlich sind. Dazu zählt neben der präzisen Festlegung, welche Daten in welchem Intervall in der Cloud bereitgestellt werden, der Aspekt der vergleichbaren Uhrzeit (UTC – koordinierte Weltzeit). Warum in diesem Kontext eine gewisse (Verarbeitungs-)Intelligenz im Vorfeld gefragt ist, legt das Beispiel einer vorausschauenden Wartung offen. Die für die Instandhaltung einer Maschine oder Anlage wichtigen Daten sind in der Regel nicht ausschließlich über einen einzigen Kanal zugänglich. Vielmehr wird die Betriebs­temperatur über ein Thermometer mit seriellem Anschluss geliefert. Die Vi­brationsmessungen erfolgen über ein Schwingungsmesser mit Ethernet-Interface und die Informationen zur Rotationsgeschwindigkeit stammen aus der SPS. Diese Daten gilt es zunächst ­einmal zu konsolidieren und mit einem verbindlichen Zeitstempel zu versehen, bevor sie die Fabrikhalle Richtung ­interne oder externe Cloud verlassen. Andernfalls droht die Gefahr eines ­fehlerbehafteten Analyse-Resultats, da beispielsweise die hohen Vibrationswerte nicht mit der zur selben Zeit ­vorherrschenden Rotationsgeschwindigkeit, sondern mit den niedrigeren Werten aus der Nacht zuvor in Korrelation gebracht werden.

IPCs zur Konsolidierung

Die Industrie-Unternehmen stehen folglich vor der Herausforderung, die ‚verborgenen‘ Informationen ihrer zum Teil proprietären Anlagen-Welt im passenden Zuschnitt und allgemein verständlich bereitzustellen – und das zu bezahlbaren Konditionen. Die oben erwähnten IPCs bieten sich als erste Anlaufstelle an. Die Möglichkeit, Arbeits- und Kommunikationslasten in einem System zu konsolidieren, verhilft den Automatisierungslösungen zu einer höheren Effizienz für die anfälligen Steu­erungsaufgaben auf der Feldebene. Gleichzeitig stehen die Daten aus der lokalen Feld- und Steuerungsebene ‚aus einer Hand‘ im passenden Standard-Format einschließlich Zeitstempel für den Ethernet-basierten ­Datenverkehr zur Verfügung.

Die IoT-Gateway-NIO-100-Lösungsarchitektur bietet onboard eine Softwareplattform zur Anbindung sowohl von Feldgeräten als auch von Cloud-Services.

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Für die globale Sicht- und Verwertbarkeit der Informationen aus dem IPC sowie von lokalen E/A-Daten, die nicht den Luxus einer IPC-Aufbereitung in Anspruch nehmen können, stellt er­gänzend ein spezialisiertes IoT-Gateway wie die NIO 100 von Nexcom ­einen wirtschaftlichen Lösungsansatz dar.

Das IoT-Gateway dient als ‚Link‘ zwischen lokalen E/A-Daten von Maschinen, Anlagen oder Sensoren auf der ­einen Seite und den im Internet befind­lichen Cloud-Services zur Analyse der Daten auf der anderen Seite. In welchem Rhythmus und welcher Zusammensetzung die Daten zur Auswertung heran­gezogen werden, obliegt der Verantwortung des Programmierers. Eine Tool-Umgebung wie das Nexcom IoT Studio unterstützt ihn dabei, Analyse-Funktionsblöcke mit Datenflusslinien der Produktionskomponenten und Sensoren per Drag&Drop in Beziehung zu setzen.

Um das Konzept einer vorausschauenden Wartung einzuführen, muss ein Unternehmen jetzt ‚nur‘ noch über die Zeit eine Mustersammlung zur Zusammensetzung von Parameterwerten für instandhaltungsrelevante Situationen anlegen. Sobald die kontinuierliche Auswertung der aktuellen Werte eine vergleichbare Konstellation entdeckt, würde diese automatisiert den zugehörigen Wartungsprozess einleiten. Auf diese Weise wird die Gefahr eines ­Maschinenausfalls gemindert und die Effizienz eines Maschineneinsatzes gesteigert. Kurz: Mit Hilfe moderner IPCs und IoT-Gateways kann ein Unternehmen bereits heute den Einstieg in das Industrie-4.0/CPPS-Zeitalter ohne Risiko wagen und von dem ‚verborgenen‘ Mehrwert seiner Daten profitieren.

Autoren:
Eric Biank ist Produktmanager IPC-­Komponenten/ Embedded PC bei Spectra;
Uwe Hollarek ist Produktmanager Automation/Kommuni­kation bei Spectra

Cloud-Anschluss via Gateway

Das IoT-Gateway Nexcom Nio 100 stellt einen Lösungsansatz für die globale Sichtbarkeit und Verwertbarkeit der Informationen aus der Feldbus-Ebene dar. Das Gateway, das auf Intels IoT-Plattform mit dem verbrauchsarmen Prozessor Intel Quark SoC X1021 basiert, dient als ‚missing link‘ zwischen lokalen E/A-Daten von Maschinen, Anlagen oder Sensoren und den im Internet befindlichen Cloud Services. Es beinhaltet die notwendigen Software-Komponenten für den sicheren Cloud-Betrieb einschließlich Secure Boot-Funktion. Die Erfas- sung der Sensor-Rohdaten, aber auch der vom IPC aufbereiteten Informationen erfolgt über die Multi-Protokoll-Schnittstellen des NIO 100, die Kommunikation der Daten in die Cloud wird entweder über die normale Internet-Verbindung des Anlagen-Netzwerks oder optional direkt über 3G Mobilfunk realisiert.

Der Datentransport in eine Public Cloud-Umgebung, wie beispielsweise IBM Bluemix, erfolgt über den Industrie-Standard MQTT (Message Queue Telemetry Transport). Das IoT-Protokoll arbeitet im Vergleich zu anderen eher schwergewichtigen Kommunikationsarchite­k­turen ressourcenschonend nach dem ­Publish-Subscribe-Prinzip. Systemkomponenten oder Programme veröffentlichen oder abonnieren Informationen über eine zentrale Broker-Instanz.

Zu der Lösung gehört das Nexcom IoT Studio (Basis: IBMs Node-Red), eine Plattform zur Entwicklung eigener IoT-Anwendungen.

Die Grenzen der Cloud!

Die Cloud rückt immer mehr in den Fokus von Automatisierern. Doch wo liegen die Grenzen bezüglich der Echtzeit-Anforderungen von Steuerungen? Antworten gibt Uwe Hollarek, Produktmanager Automation/Kommunikation bei Spectra.

Uwe Hollarek, Produktmanager Auto­mation/Kommunikation bei Spectra: Alle Anwendungen ohne harte Echtzeit-Anforderung sind prinzipiell für den Betrieb in einer Cloud-Umgebung geeignet.

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Ist die Cloud-Technologie für die Maschinensteuerung ungeeignet?

Ja, denn ich kann nicht erkennen, dass der Betrieb des Steuerprogramms oder der Bezug von Steuerinformationen als Internet-Service in absehbarer Zeit harte Echtzeit-Bedingung erfüllen könnten. Denn auch für das Internet und das ‚Cloud Computing‘ gelten die Gesetze der Physik. Die Lichtgeschwindigkeit ist mit 300.000 km/s eine prinzipielle Obergrenze zur Übertragung von Information. Cloud-Server dürfen folglich maximal 300 km entfernt sein, wenn eine Reaktion innerhalb von 1 bis 2 Millisekunden erforderlich ist.

Besitzt das taktile Internet, das im Zuge des neuen Mobilfunkt-Standards 5G diskutiert wird, ein höheres Potenzial für die Maschinensteuerung?

Zunächst einmal handelt es sich bei dem Konzept eines taktilen Internets noch um ein reines, zugegebenermaßen spannendes Forschungsvorhaben. Es mangelt heute noch an geeigneten Prozessortypen; es fehlen Erfahrungen mit dem Aufbau und Betrieb der mobilen Edge Clouds, um Steueranwendungen immer nahe an der Maschine zu halten.

Erst wenn die Ergebnisse dieser Forschung zu industriell einsetzbaren Technologien und Massenprodukten führen, wird sich die Automatisierung mit dieser Innovation praktisch auseinandersetzen. Wann, wie und wo ein Internet mit einer Millisekunde Latenzzeit in der Fertigung, Robotik oder bei mobilen Anwendungen – wie autonomes Fahren – von Nutzen sein kann und ob es dann überhaupt für ‚normale‘ Automatisierungs­anwendungen finanzierbar ist, lässt sich frühestens in einigen Jahren verlässlich bewerten.

Also eine klare Absage an die Maschinensteuerung in der Cloud?

Wenn Sie die Aussage auf den Punkt ‚harte Echtzeit‘ begrenzen – ja. Anwendungen für harte Echtzeit-Anforderungen müssen nahe an der Maschine arbeiten.

Spielt der Zeit-Aspekt nicht eine solche dominante Rolle, kann die Einbindung von Cloud-Services in Produktions­ und Fertigungsumgebungen zu realen Vorteilen führen, wie im Beitrag dargelegt. So können etwa die Programmierung und Verwaltung der Steuer-Software oder die Berechnung neuer Prozessparameter vollständig in eine Cloud verlagert werden.