Bild 2 veranschaulicht auf der vertikalen Achse die Bedeutung der Schichten (Layer) und die Definition der Industrie-4.0-Komponente. Die Basis bildet das physikalische Asset - im Beispiel der Sensor. Der Integration Layer umfasst alles, was nötig ist, um die Sensordaten für die höheren Schichten zur Verfügung zu stellen. Darüber liegt der Communication Layer, der die sichere Verbindung zwischen dem Feldgerät und der Cloud-basierten Software herstellt. Im Information Layer wird das digitale Datenabbild des Assets - des Sensors - geführt. Dabei lässt RAMI?4.0 bewusst Freiheiten für die Implementierung. Dieser Layer sowie der Functional und der Business Layer bilden die Verwaltungsschale und können sowohl im Asset selbst, in einer IT innerhalb der geschützten Produktionsumgebung oder auch an beliebiger Stelle in der Cloud realisiert sein. Im zweiten Fall kommt dem Communication Layer eine große Bedeutung im Hinblick auf die Security zu. Verfügt ein Feldgerät nach dieser Definition mindestens über die fünf unteren Layer, erfüllt es den Status einer Industrie-4.0-Komponente.

Bild 3: Die Vorteile einer RAMI-Sensor-Integration: Gelbe Pfeile kennzeichnen eine Integration nach dem Modell der Automatisierungspyramide, grüne Pfeile zeigen eine RAMI-4.0-Architektur.

© Pepperl+Fuchs

Die Vorteile einer RAMI-Sensor-In-tegration veranschaulicht Bild 3. Um Sensordaten in der Cloud entsprechend dem Modell der Automatisie-rungs­pyramide zur Verfügung zu stellen, muss die komplette Kommunikation des Sensors über alle Ebenen der ­Pyramide geführt werden (gelbe Pfeile). Hierbei müssen für jede Stufe ­entlang der horizontalen Achse des Diagramms respektive zwischen den Ebenen der Automatisierungspyramide jeweils individuell angepasste Schnittstellen entwickelt werden. Durch die Vielzahl an Schnittstellen entsteht ein erheblicher und projektspezifischer Aufwand, der in der Vergangenheit nur in wenigen Fällen geleistet wurde. Durch die Integration der Sensorkommunikation in das RAMI 4.0 (grüne Pfeile) muss das Feldgerät lediglich einmal über den Integration und Communication Layer an die Cloud an­geschlossen werden und kann dann mit standardisierten Industrie-4.0-Zugriffen (grüne Pfeile) von jeder beliebigen ­anderen Industrie-4.0-Komponente von innerhalb oder, wenn gewünscht, auch von außerhalb der Enterprise angesprochen werden.

Der Sensor-Cloud-Service

Soviel zur Theorie. Doch wie sind die theoretischen Ansätze des RAMI 4.0 in der Praxis einsetzbar? Die nach­folgend vorgestellte Architektur ist in einer Kooperation des Sensorherstellers Pepperl+Fuchs und dem Start-up Connectavo, das eine Cloud-Lösung für ­industrielle Sensordaten anbietet, entstanden.

Asset

Die Basis für das System ist der Sensor selbst. Allerdings führen hierbei einige wirtschaftliche Randbedingungen zu Kompromissen: Zum einen bedingt die Vielfalt der Applikationen eine entsprechende Diversität an Sensoren; Pepperl+Fuchs hat allein im Bereich der Positionssensoren circa 10.000 verschiedene Geräte im Angebot. Alle diese Geräte mit einem IP-Interface auszustatten und sie so Cloud-fähig zu machen, ist mittelfristig nicht darstellbar. Zum zweiten reicht das Portfolio von Sensoren für wenige Euro bis zu komplexen Sensoren mit Listenpreisen weit über 1000?Euro. Eine IP-fähige Schnittstelle ist derzeit allein aus kommerziellen Gründen noch auf einen kleinen Teil des Portfolios beschränkt.

Intelligente Sensorkommunikation setzt dank der in den letzten Jahren zunehmenden Verbreitung von IO-Link in der Sensortechnik heute vor allem auf eben diesen Standard. Diese Digitalschnittstelle eignet sich zur Übertragung von Prozessdaten sowie für die Übertragung von Parametern und Diagnosedaten. Durch die Abwärtskompatibilität zu einfachen analogen und digitalen Schnittstellen ist eine Migration auf IO-Link problemlos möglich.

Integration

Für hochwertige Sensoren, die bereits serienmäßig mit einer IP-Schnittstelle ausgestattet sind, ist die Integration in das RAMI?4.0 sehr einfach; für die Integration von IO-Link-Sensoren ist eine Umsetzung des IO-Link Standards auf TCP/IP nötig. Zu diesem Zweck ist die 'SmartBridge'-Technologie entstanden: Sie basiert auf einem IO-Link-Master, der wahlweise direkt mit dem Sensor kommuniziert oder im transparenten Betrieb eine bestehende IO-Link-Verbindung zwischen einem Master-Gerät und dem Sensor mitprotokollieren kann. Die aufgenommenen Daten werden den höheren Ebenen über unterschiedliche Interfaces verfügbar gemacht. Eine erste Realisierung ist ein SmartBridge Bluetooth-Interface.

Im sogenannten transparenten Betrieb von SmartBridge lässt sich das Gerät in einem Modus betreiben, in dem die Echtzeit-Signale vom Sensor unverändert weiter in die Steuerung gelangen. Gleichzeitig stehen die IO-Link-Daten ähnlich wie bei einem Y-Abzweig auch über das Bluetooth-Interface zur Verfügung. Die Nutzung von SmartBridge ermöglicht die Er­fassung von Daten auch in klassisch aufgebauten Anlagen ohne Funktionsbeeinträchtigung für die Grundfunktion. Dank des parallelen Kommunikationskanals lassen sich die Daten via SmartBridge nahtlos in die Cloud übertragen.

Communication Layer

Dem Communication Layer kommt im hier beschriebenen Fall neben der reinen Informationsübertragung eine Security-Funktion zu. Innerhalb Industrie 4.0 wird als Kommunikationsschicht OPC-UA präferiert. Aufgrund der Komplexität von OPC-UA ist dessen Integration in relativ preiswerte Sensorik allerdings zu aufwendig. Alternativen zu OPC-UA sind Protokolle wie MQTT oder etablierte Web-Schnittstellen. Grundsätzlich sind hier diverse Realisierungen möglich, die alle im Communication Layer des RAMI?4.0 angesiedelt sind.

Im konkreten Beispiel eines IO-Link-fähigen Sensors werden die Daten mit Hilfe der SmartBridge-Technologie an die zentrale Cloud-Schnittstelle gesendet. Diese überprüft die Daten und stellt sicher, dass nur authentifizierte Geräte Daten übertragen. Ab diesem Moment sind die Daten in der Connectavo-Cloud und werden dann intern an den Information Layer weitergeleitet.

Information Layer

Der Information Layer fungiert als zentrale Datenbank-Einheit, die einerseits die spezifischen Daten des Feldgerätes verwaltet und speichert und zusätzlich weitere Daten aus anderen Quellen aggregiert - zum Beispiel Kontextdaten oder Daten, die im RAMI?4.0 auf der horizontalen Achse entstehen (Life Cycle & Value Stream). Der Information Layer ist ­damit der zentrale Ablagepunkt für alle relevanten Daten und bildet das 'Rückgrat' der Verwaltungsschale. Der Functional Layer als nächsthöhere Schicht greift innerhalb der Connec­tavo-Cloud direkt auf die innerhalb des Information Layer gespeicherten Daten zu.

Functional Layer

Teil des Functional Layer ist das ­Frontend-Webportal. In diesem findet zum einen die Nutzer- und Geräteverwaltung statt, zum anderen lassen sich hier auch Regeln zur Datenana­lyse definieren. Durch die Verknüpfung von angepassten Prozessregeln sowie Algorithmen auf der einen Seite und im Information Layer gespeicherten Echtzeit-Daten auf der ­anderen Seite können Entscheidungen des Systems vorbereitet werden. Diese Entscheidungen lassen sich ­wiederum auf zwei Wegen weiterkommunizieren: einerseits auf die nächsthöhere RAMI-4.0-Ebene (Business Layer), andererseits direkt zu verantwortlichen Mitarbeitern in der Fertigung (Human Machine Interface). So lassen sich via Cloud-Portal zum Beispiel Grenzwerte für Sensoren einstellen, bei deren Überschreitung der Operator per SMS oder E-Mail informiert wird und somit unabhängig von der eingesetzten SPS schnell reagieren kann.

Business Layer

Im Business Layer laufen die Fäden der verschiedenen Einzelprozesse zusammen und werden mit spezifischen Metadaten vereint - beispielsweise Geschäftsmodellen oder Gesamtprozessen aus einem ERP-System. Hierfür werden spezifische Events des Functional Layers an den Business Layer weiter­gegeben.
 

Die Cloud-Lösung

Die gesamte Verwaltungsschale - Information, Functional und Business Layer - befindet sich in einer Cloud-Umgebung, was diverse Vorteile, aber auch Herausforderungen mit sich bringt:

Cloud-basierte Datenbanken und Zugriffspunkte ermöglichen den verantwortlichen Mitarbeitern einen einfachen und geographisch unabhängigen Zugriff auf die Daten aller an­geschlossenen Feldgeräte. Des Wei­teren lassen sich Daten aus unterschiedlichen (teilweise externen) Quellen leichter aggregieren und ­hochkomplexe Prozessvorgänge sind durch zuschaltbare Rechenleistung effi­zienter auswertbar. Aber: Cloud-­basierte Lösungen sind auch leichter für unbefugte Dritte zugänglich. Daher kommt dem Thema Sicherheit und Datenschutz auf dem Gebiet I­ndustrie 4.0 besondere Bedeutung zu.

Um dem Schutz der gespeicherten Daten Rechnung zu tragen, verwendet Connectavo ausschließlich Server, die in deutschen Datencentern beherbergt sind. Besonders kritisch in Sachen Security sind die ­Kommunikationswege der Daten. Diese bestehen keinesfalls nur innerhalb des Communication Layer, sondern auch zwischen den verschiedenen Schichten innerhalb der Cloud-Lösung. So kommuniziert zum Beispiel der Functional Layer mit dem Information Layer, um Daten ­abzufragen und dem Nutzer zu übermitteln. Zur Verschlüsselung der ­Datenübertragung nutzt die Connectavo-Cloud dabei die TLS/SSL-Verschlüsselung, so dass kein Unbefugter die übertragenen Daten einsehen kann.

Autoren:
Dr. Peter Adolphs ist CTO von Pepperl+Fuchs in Mannheim;
Dr. Jörg Nagel ist Senior Expert Industrie 4.0 bei Pepperl+Fuchs in Mannheim;
Eric Adolphs ist Gründer und CEO bei Connectavo in München.