In der Industrie verspricht das Konzept ‚Internet der Dinge‘ flexible und umfassende Maschinenkommunikation. Um die nötige ganzheitliche Vernetzung von der Feldebene bis in die Cloud zu erzielen, müssen verschiedene Akteure effizient zusammenarbeiten. Daher hat Wago ein internationales IoT-Partnernetzwerk aufgebaut, eine strategisch-technologische Initiative mit Partnern aus den Bereichen Low-Code/No-Code, Security, OT/IT-Integration und IT-Software-Unternehmen. Darüber hinaus befinden sich auch Technologiepartner innerhalb des Netzwerkes, um beispielsweise das Mass Deployment der Wago Hardware zu ermöglichen. Damit bündelt Wago die Kompetenzen unterschiedlicher Unternehmen und erweitert die unternehmenseigenen offenen Linux-basierten Steuerungen um das Domänenwissen der jeweiligen Partner. Denn je nach Anwendungsfall sind bedarfsgerechte Systeme notwendig, um ein optimales Ergebnis zu erhalten. Dies gilt in der industriellen Fertigung ebenso wie in Anlagen des alltäglichen Lebens wie etwa in einer Autowaschstraße.

Ein Chemikalienhersteller hatte das Problem, für seine Kunden, in diesem Fall Autowaschanlagenbetreiber, smarte Daten-lösungen im Mass Deployment (Massenbereitstellung) umzusetzen. Das Ziel des Herstellers war es, den Verbrauch von Chemikalien zu überwachen, Serviceeinsätze und Lagerbestände zu reduzieren und die Lieferkette zu optimieren. Die Datenerfassung und -verarbeitung ist in einer Waschanlage ein ähnlich komplexes Unterfangen wie in der Industrie. Denn es braucht beides: auf der einen Seite hochspezialisiertes Domänenwissen aus dem Bereich Waschanlagenfertigung und -prozesstechnik, auf der anderen Seite Automatisierungs- und Programmierkenntnisse. Bei einer Waschstraße interagieren verknüpfte Maschinen oder Anlagenteile miteinander: Die Reinigungsanlagen müssen auf die Fahrspur abgestimmt sein und sich so drehen, dass keine Schäden entstehen. Außerdem dürfen Reinigungsmittel nur sparsam eingesetzt werden, da die verwendeten Chemikalien nicht nur teuer sind, sondern auch die Umwelt belasten können. Bisher wurden Chemikalienverbräuche in Waschanlagen oftmals nur sporadisch erfasst. Der Wunsch des Chemikalienherstellers und Waschanlagenbetreibers war es daher, eine genaue Aufschlüsselung der Verbräuche zu erhalten.

Die Software-Architektur

Die Lösung für die Waschanlage lag in der offenen Steuerungsarchitektur von Wago in Kombination mit dem Prescient Designer.

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Im Rahmen der Zusammenarbeit mit Wago erfolgte ein Wechsel von der bisher verwendeten Hardware zu einer PFC200-Steuerung in Kombination mit einem Edge-Computer als Weg in die Cloud. Um ein applikationsspezifisches Mass Deployment, beispielsweise einfach zu verwaltende Software-Updates und Fehlerbehebung aus der Ferne, bieten zu können, bezog Wago den IoT-Partner Prescient aus Concord, Massachusetts, mit ein. Umgesetzt wurde die Applikation mit der Prescient Designer Software, die auf Node-Red basiert. Node-Red ist ein flussbasiertes Open-Source-Programmierwerkzeug, mit dem Software-Schnittstellen verknüpft werden können – zum Beispiel von Maschinen, Sensoren, APIs oder ERP-Systemen. Die grafische Programmierumgebung ermöglicht eine einfache Umsetzung komplexer Edge-Projekte. Damit konnte eine schnelle und effiziente Smart-Data-Lösung implementiert werden, die auf der Feldebene beginnt, wo Betriebs-, Maschinen- und Logbuch-Daten unter anderem über digitale oder analoge Signale, diverse Feldbusse oder auch Energiezähler erfasst werden. Bevor sie in der Industrial Cloud analysiert werden, verarbeiten Edge Devices und die Steuerung die Daten zu einem Modell vor. Als Frontend- Lösung kommt eine webbasierte Applikation zum Einsatz, die durch die vom Backend gewonnenen Daten gespeist wird. Dieser Software-Architektur-Ansatz, die Trennung zwischen Front- und Backend, ermöglicht es, in Zukunft sowohl die Automation als auch die Web-Anwendung un- abhängig voneinander zu bearbeiten und auf dem neuesten Stand zu halten.

Um eine optimale Integration des Prescient Designers zu gewährleisten, muss die Hardware nativ mit Node-Red arbeiten. Aus diesem Grund war die Wago-Steuerung PFC200 mit den Open-Source-Fähigkeiten ihres Linux-Betriebssystems die bestmögliche Wahl. Der PFC200 nutzt einen Docker-Container, der den Zugriff auf die physikalischen E/A über Modbus ermöglicht. Dieser ist auf dem GitHub-Account von Wago frei verfügbar und ein Beispiel dafür, wie Open Source Kunden mehr Flexibilität bei der Erstellung von Lösungen bietet. Da der Prescient Designer auf Node-Red basiert, können die E/As über die Standard-Modbus-TCP-Palette gelesen und geschrieben werden. Node-Red (rescient) unterstützt auch die notwendigen Cloud-Protokolle mit zusätzlichen Paletten, die im Palettenmanager verfügbar sind.

Der digitale Zwilling in der Waschstraße

Aufgrund der anwachsenden Datenmenge in industriellen Applikationen und dem Industrial IoT wird immer mehr Rechenleistung mit entsprechenden Anforderungen an Datenbanken und Analyse-/Optimierungs- algorithmen benötigt.

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Durch diesen beschriebenen Ansatz ist es möglich, einen digitalen Zwilling vom physikalischen Prozess einer Chemikalienlieferung für Autowaschanlagen zu generieren. Dieser digitale Zwilling zeigt die erfassten Daten in Echtzeit an und erlaubt es, Anpassungen vorzunehmen. Perspektivisch können so in Kombination mit den bereits erhobenen Daten Trends identifiziert werden, die weiteren Aufschluss über den Ressourcenbedarf geben. Mitarbeiter vor Ort können Reparaturen und Lieferungen planen, sodass ein Stillstand nicht notwendig ist. Die Waschstraße wird dadurch zu einem Beispiel für eine Großanlage, die durch die vernetzten Maschinen von Grund auf bereits viele Daten bereitstellt.

Was für Waschanlagen gilt, ist ebenso auf den industriellen Produktionsprozess übertragbar. Auch dort fallen in der Fertigung Unmengen an Daten an, aus denen wertvolle Rückschlüsse für die Effizienz der Produktion gezogen werden können. Dabei wird mehr und mehr Rechenleistung benötigt, um die Aufgaben zu bewältigen. Moderne Edge Devices verarbeiten die Daten in Echtzeit und bieten so die entsprechende Leistung für Analysen und Optimierungsalgorithmen. Der Hauptvorteil der Edge-Geräte: Zum einen wird damit eine latenzfreie Datenverarbeitung sichergestellt, zum anderen können die Daten entsprechend aggregiert und vorverarbeitet werden, um den Datentransfer in mögliche Cloud-Infrastrukturen zu optimieren. Dadurch werden die Steuerungen entlastet, sodass sie sich auf ihre originäre Steuerungsaufgabe mit geringer Latenz und hoher Deterministik fokussieren können.

Offene Automatisierung als Voraussetzung

Der Autor: Kilian Fröhlich ist Global Business Developer Digitalization & IoT bei Wago.

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Über den genannten Lösungsansatz hinaus liegt die Zukunft der industriellen Fertigung in der Verknüpfung von OT und IT. Eine besondere Rolle spielt dabei die Offenheit auf allen Ebenen der Automatisierung. In der Programmierung setzt Wago daher auf Codesys V3. So lässt sich eine durchgängige Verbindung von der Feldebene bis in die Cloud realisieren, die auf einer umfassend vernetzten Infrastruktur aufbaut. Über 500 E/A-Module und Schnittstellen ermöglichen eine individuelle Anpassung an unterschiedliche Bedarfe. Natürlich kommt auch die IT-Security nicht zu kurz: Alle Entwicklungsprozesse in der Automatisierung erfüllen die Anforderungen nach IEC 62443-4-1. Gleichzeitig erhöhen Standards wie OpenVPN, SSL, SSH, IPsec und Firewall die Sicherheit beim Einsatz der Wago-Controller.