Ohne Sensor- und Aktordaten aus der Feldebene gibt es keine Industrie 4.0 und kein Internet der Dinge (IoT); und ohne Cloud-Applikationen gibt es keine entsprechende Wertschöpfung aus diesen Daten. Das bedeutet: Der Daten-Kommunikation von den Sensoren bis hin zur Cloud kommt eine Schlüsselrolle zu!

Der Status quo

Die mittlerweile in der Industrie eingesetzten Mittel und Ressourcen für das 'Projekt Industrie 4.0' sind zu groß, um ohne Auswirkung zu bleiben. Die derzeit schon sichtbaren Auswirkungen spannen einen weiten Bogen: von der reinen Verwendung des Begriffes 'Industrie 4.0' zu Marketingzwecken über die Mitarbeit an prototypischen An­wendungen (Testbeds) bis hin zu  echten IoT-Produkten.

Dabei stellt sich nun allerdings die Frage: Was ist ein echtes IoT-Produkt? Kurz und knapp formuliert, erfüllt oder unterstützt ein IoT-fähiges Produkt die Funktionalitäten in Bezug auf folgende Punkte:

• Selbstorganisation
• Erweiterte Semantik
• Cyber-physisches System (CPS)
• Cloud-basierte Anwendung

Das IoT gilt inzwischen bei den meisten Firmen als strategisch relevant; aus geschäftlicher Sicht sind bereits Vertragsmodelle im Bereich der Investitionsgüter zu entdecken. Für den Betrieb von Flugzeugtriebwerken etwa kommt schon heute ein Vertragsmodell zum Einsatz, das sich an der Nutzung und den Betriebskosten orientiert.

Was ist mit der Semantik?

Bild 1: Das semantische Vier-Schichten-Modell © Hilscher

Die Vision, die IoT und Industrie 4.0 spannend macht, ist die Idee der zukünftigen Selbstorganisation der Fertigung. Diese Idee treibt die Technologie-Entwicklung an. Wichtigster Punkt: Für die Selbstorganisation müssen aus Daten Informationen werden! Dabei gibt es eine wechselseitige Beeinflussung zwischen lokaler Intelligenz und der Funktionalität, die die Kommunikation liefern muss. Intelligente Algorithmen machen nur Sinn, wenn die entsprechenden Informationen zur Verfügung stehen. Die Informationen wiederum dürfen in Zukunft nicht nur Daten beinhalten, sondern müssen auch die semantischen Inhalte abbilden (Bild 1). Die Signale auf der ersten Schicht – zum Beispiel ein 32-Bit-Wert, der dem Werkstück im vorherigen Schritt 'mitgegeben wurde' – werden heute bereits durch entsprechende Kommunikationsprotokolle abgebildet. Die Normierung und Interpretation der Daten finden derzeit oft in der Steuerungsebene statt (Beispiel: 24 °C als Temperaturwert). Im Sinne der Selbstorganisation sind die zusätzlichen semantischen Informationen – zum Beispiel die Herkunft und Lokalität des Signals – in Zukunft schon ab der Ebene 1 zu übertragen (als Oberflächentemperatur des Werkstücks mit eindeutiger Identifikation). Die zukünftige Erweiterung um Prozessinformationen der Ebene 4 wird bei der Umsetzung der Idee der Selbstorganisation in der Fertigung zu einem wesentlichen Punkt (Workflow 'Bei Oberflächentemperatur größer 30 °C keine Beschichtung aufbringen'). Diese semantischen Informationen müssen intelligente Geräte zukünftig verarbeitet. Im Rahmen von Industrie 4.0 wird hier das cyber-physische System in den Mittelpunkt gestellt.

Baustein der Zukunft: das CPS

Ein cyber-physisches System besteht aus einem elektromechanischen Gerät mit dazugehörenden Softwarekomponenten, die wesentliche Funktionalitäten und Verhalten des Gerätes beschreiben sowie steuern und zusätzlich über ein Netzwerk kommunizieren können (Bild 2). Ein CPS stellt also ein Verbund von Kommunikation, Verarbeitung und Steuerung dar. Der Einsatz von CPS in der Fertigungsautomation wirft einige Fragen auf:

• Verändern CPS die Anforderungen an die industrielle Kommunikation hinsichtlich Formfaktoren oder Echtzeitfähigkeit?

        Hin zu dem einen allgemeinen Kommunikationsstandard für
        CPS-basierte Automatisierung?
        Hin zur Semantik als Basis für die Selbstorganisation?

• Wie verändern CPS insbesondere durch den Anteil der 'Verarbeitung'die klassische Automationspyramide?

        Hin zu vernetzten und dezentralen Strukturen?
        Wie kritisch werden die Sicherheitsanforderungen bei der    
        Einführung von CPS?
        Wird so Sicherheit zum kritischsten Aspekt bei der Einführung?

Bild 2: Die Kommunikation als Teil des cyber-physischen Systems © Hilscher

Man mag eine Profibus-Beschreibungsdatei schon als eine solche Softwarekomponente ansehen, die ein Gerät beschreibt. Allerdings zeichnet sich das CPS darüber hinaus durch die Fähigkeit zur Kommunikation und durch die Bereitstellung von Schnittstellen zu einer Kommunikationsinfrastruktur aus. CPS sind ein wichtiger Bestandteil eines IoT, weil sie durch die Verbindung von eingebetteten Systemen mit den Möglichkeiten weltweiter Netze neue Möglichkeiten eröffnen. Der erweiterte Zugriff auf Informationen aus der Cloud ist hierfür ein Beispiel. Das cyber-physische System stellt also als wesentliche Neuerung eine durch Industrie 4.0 geforderte höhere Intelligenz sowie eine erweiterte Kommunikation in den Mittelpunkt.

Anforderungen an die Kommunikation

Diese neuen Anforderungen werden im Rahmen von IoT durch die Semantik beschrieben und im Rahmen von Industrie 4.0 und IoT zusätzlich durch den Begriff der Verwaltungsschalen. Die Verwaltungsschalen stellen eine abstrahierte Repräsentation eines IoT und eines Industrie 4.0 konformen Objektes dar. In der Referenzarchitektur des IIC wird eine Verwaltungsschale als Objektabstraktion beschrieben, die durch virtuelle Repräsentationen des Objekts eine Abstraktion der Objekteigenschaften gemeinsam mit Beziehungsinformationen zu anderen Objekten auf der nächsthöheren Ebene bereitstellt.

Bild 3: Die Kommunikation im Schichtenmodell der IIS-Referenzarchitektur © Hilscher

Die vielleicht wichtigste Bedeutung für die Kommunikationstechnologie hat das absehbare Zusammenwachsen der klassischen Informationstechnologie mit der Produktionswelt – oder auch hier als Akronym beschrieben als das Zusammenwachsen von IT und OT (Operational Technology) wie in der Referenz Architektur der IIC beschrieben (siehe Bild 3). Das Feld-Netzwerk wird hier als Repräsentation der Objekte verstanden, die zu der Feldebene gehören. Hierzu zählen Sensoren, Aktuatoren, Maschinen, Steuerungssysteme und auch eben die Komponenten, die den Zugriff ermöglichen als 'Edge Devices'.

Die Zugriffsschicht erlaubt den Zugriff auf die Informationen auf der mittleren Steuerungsebene. Hier geht es um klassische Aufgaben der Datenhaltung, des Betriebs der Feldebene als Produktionssteuerung sowie der Analyse von Informationen zur Optimierung der Feldebene. Die Zugriffsschicht ermöglicht die Bereitstellung der Informationen für die Unternehmensebene. Hier sind die klassischen Dömanen der Unternehmenssteuerung angesiedelt. Der Kommunikation kommt in diesem Modell eine wichtige Bedeutung zu. Die Netzwerkstruktur ist ebenso dreifach konzipiert für die jeweilige Zugriffsschicht.

Welche Kommunikationstechnologien sind aber geeignet, um Daten sowie semantische Informationen und auch Objektbeschreibungen durchgängig auf allen Ebenen der Architektur und unter Einhaltung eines geforderten Zeitverhaltens bereitzustellen?

Neue Technologien der Kommunikation

Derzeit positionieren sich die verschiedensten Standards mit den jeweiligen Interessenvertretungen, um den Kampf im industriellen IoT-Umfeld zu gewinnen. Es gibt drei Gruppen von Standards, die sich hierum bewerben:

1. Die Platzhirsche – vertreten durch etablierte Feldbus- und Realtime-Ethernet-Systeme. Ihre Argumente sind: eine große Verbreitung, am Kundenbedarf entstandene Applikationserweiterungen sowie die Zukunftssicherheit durch die jeweiligen Steuerungsanbieter. Die Protagonisten von CC-Link IE, Ethercat, Ethernet/IP, Modbus TCP, Profinet, Powerlink und Sercos mit den jeweiligen Feldbussen haben eine gute Basis, um ihre Technologien nach oben auf der Applikationsebene sowie auch nach unten hin in Richtung der Übertragungsschicht neuen Anforderungen anzupassen.
2. Die Newcomer – vertreten durch Standards die bereits erfolgreich in anderen Branchen im Einsatz sind. Ihre Argumente sind: ein vergleichbar Reifegrad wie die 'Platzhirsche' sowie technologische Eigenschaften, die sie für IoT-Anwendungen empfehlen. Hier sind insbesondere TSN Ethernet zu nennen, sowie Standards wie MQTT, DDS oder auch AMQP.
3. Die Generalisten – vertreten durch Standards die bereits höhere semantische Ebenen bei der Ausbildung der Spezifikationen berücksichtigt haben. Ihre Argumente sind: die Möglichkeiten, selbst komplexere Anforderungen von IoT und Industrie 4.0 abzubilden sowie darüber hinaus mit den Newcomern und Platzhirschen zu kooperieren oder zu koexistieren. Hier spielt sicherlich OPC UA eine besondere, aber sicher nicht die alleinige Rolle, da auch DDS im Gespräch ist.

OPC wird aufgefrischt

Das bereits 2010 als Norm IEC 62541 veröffentlichte OPC UA wird derzeit erweitert um den Publish/Subscribe Mechanismus, der den neuen Anforderungen an eine dezentrale, durch die Feldebene unterstützte und initiierte Kommunikation ermöglicht. Im gleichen Kontext wird die Echtzeit-Fähigkeit unterstützt durch die Einführung von 'Time Sensitive Networking' TSN. TSN stellt eine Gruppe von Standards dar, die von der IEEE-802-Gruppe auf der Basis von existierenden Normungen aus dem Audio und Video-Bereich entwickelt wurden.

TSN wird seinen Einsatz in der industriellen Kommunikation erleben, unter anderem weil die OPC Foundation bei OPC UA mit TSN die Echtzeit-Fähigkeit unterstützen will. Darüber ­hinaus prüft die Auto­mobilindustrie derzeit die Möglichkeiten von TSN im Rahmen der Verwendung von Ethernet in der On-board-Kommu­nikation.

Im Rahmen der Bestrebungen des IIC werden auch Standards aus den Bereichen der Server-zu-Server-Kommunikation oder der Finanztransaktionen geprüft hinsichtlich ihrer Verwendung in industriellen Applikationen. Und welcher Standard setzt sich durch? Den einen Standard, der sich global durchsetzt, wird es nicht geben. Eine Momentaufnahme zeigt derzeit folgendes Bild:

• Die Generalisten wollen den Eindruck erwecken, dass die Schlacht geschlagen sei.
• Die Newcomer erarbeiten sich Akzeptanz.
• Und solange die Platzhirsche noch nicht gesprochen haben, ist nichts entschieden.

Der Blick in die Zukunft wird auch weiterhin die Koexistenz von verschiedenen Lösungen und Standards zeigen. Neben der Marktmacht der entsprechenden Protagonisten werden allerdings zwei Marktanforderungen die Verbreitung im IoT-Umfeld bestimmen:

1. Die Lebenszykluskosten je Knotenpunkt werden eine Vereinfachung von Standards erfordern.
2. IoT wird eine Interoperabilität von Standards erfordern, die weit über den jetzigen Status hinausgeht.

Eines allerdings steht unumstößlich im Raum: Es muss Standards für die Kommunikation geben!

Autor:
Armin Pühringer ist Business Development Manager bei Hilscher.