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Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2017 - Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Kommunikation/Steuer-

Kommunikation/Steuer- und Datentechnik tet werden. Mit IBM hat sogar ein erster führender IoT-Cloud-Anbieter einen Strategiewechsel vollzogen: Seit einigen Wochen werden die Watson-Analytics-Funktionen nicht mehr nur in der Wolke, sondern auch im Cisco-Edge-Router angeboten. OpenFog Consortium In den USA wurde mit dem Open- Fog Consortium inzwischen schon ein Verband gegründet, der sich diesem speziellen Thema widmet. Die Gründungsmitglieder ARM, Cisco, Dell, Intel, Microsoft und die Princeton University wollen „Fog-Technologie“ zusammen weiterentwickeln und im Markt verbreiten. Dabei werden sie inzwischen auch von GE und Schneider Electric und zahlreichen weiteren Unternehmen und Organisationen unterstützt. Vielfalt statt hierarchischer Kommunikation Die gegenwärtigen Kommunikationsstrukturen im industriellen Umfeld lassen sich im Allgemeinen durch eine hierarchische Pyramidenstruktur beschreiben. Ganz unten die Feldebene, darüber eine Steuerungsebene und als Krönung des Ganzen in der Regel mehrere Leitebenen mit unterschiedlichen Aufgaben. In dieser Pyramide existieren jeweils ein Bottom-Up-Datenfluss und ein Top-Down-Informationsfluss. Die Datenerfassung beginnt in der untersten Ebene, die Informationsgewinnung erfolgt zentralistisch in den höheren Schichten. Anweisungen werden somit von oben nach unten kommuniziert. Da hätte es funktional sehr gut ins Bild gepasst, oben auf die Pyramide einfach noch eine Cloud-Anbindung draufzusetzen und in der „Wolke“ z. B. Predictive Analytics-Entscheidungen zu fällen, Intralogistikprozesse zu steuern usw. Das gesamte Datensilo „Automatisierungspyramide“ wäre dann sogar noch fernsteuerbar. Automatisierungslösungen Bild 4: Ein mögliches „Connected Product“ in einer zukünftigen I4.0-Smart Factory, z. B. ein pneumatisches Subsystem zum Materialtransport in einer Fertigungszelle mit Führungszylinder und Druckluft-bewegten Schlitten, hätte gleichzeitig sowohl eine CT- als auch eine IT-Verbindung. Diese mechatronische Baugruppe würde für das Cloud-basierte Condition Monitoring des Herstellers und dem darauf aufbauenden Serviceund Wartungskonzept permanent Daten an eine Cloud liefern. Diese OT/CT-Verbindung erfolgt per MQTT- Pub/Sub über das LTE-Mobilfunknetz. Zusätzlich erfolgt eine Echtzeit-Zustandsdatenanalyse direkt vor Ort. Der Zugriff auf die Ergebnisse ist per Ethernet-LAN und OPC UA direkt aus der IT-Domain heraus möglich IIoT- bzw. Industrie-4.0-basierte Automatisierungslösungen werden mittelfristig aber dafür sorgen, dass die hierarchische Kommunikationspyramide komplett verschwinden wird. Das dreidimensionale Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) lässt sich definitiv nicht mit der vorhandenen Pyramidenstruktur umsetzen. Einfach alle Pyramiden per Cloud miteinander zu verbinden, hilft allerdings auch nicht weiter. Es werden vielmehr Anwendungsarchitekturen mit einzelnen Kommunikations-Domains entstehen, in denen auch weitreichende autonome Entscheidungen getroffen werden. Kommunikations-Domains ersetzen Pyramiden Bild 1 illustriert ein Beispiel mit den zukünftigen Kommunikationsbeziehungen einer IIoT- bzw. Industrie- 4.0-basierten Smart Factory. Die gesamte Automatisierungstechnik (Sensoren, Aktoren, Steuerungen usw.) ist in einer OT-Domain (OT = Operational Technology) zusammengefasst. In dieser Ebene gibt es verschiedene kommunikative Querverbindungen (D2D = Deviceto-Device), z. B. OPC UA Pub/Sub per MQTT oder IEEE TSN bzw. RFC 1006 bei älteren Steuerungen. Die zu einer Smart Factory gehörende MES- und ERP-Software ist in der IT-Domain (IT = Information Technology) zu finden. Wertschöpfungskette Alle aus der Smart Factory-Sicht externen Komponenten und Systeme sind Bestandteile einer CT-Domain (CT = Cloud Technology). Hier findet man die Partner-ERP-Systeme einer bestimmten Wertschöpfungskette, Smartphone-Apps usw., aber auch in der Smart Factory hergestellte Produkte (siehe „Connected Product“ in der CT-Domain von Bild 1), die von Anwendern irgendwo auf der Welt genutzt werden. Sie liefern nun per Internet laufend Betriebs- und Zustandsdaten an das ERP-System des Smart Factory-Betreibers. Mit Hilfe dieser Daten lassen sich den Produktnutzern zusätzliche Services (sogenannte Smart Services, wie z. B. Opex-basierte Angebote und Wartungsverträge für eine vorausschauende Instandhaltung) anbieten sowie das betreffende Produkt auf Basis echter Nutzer daten weiterentwickeln. Dazu müssen die Daten an Produktmarketing und Entwicklung weitergeleitet werden. Zwischen den einzelnen Domains existieren zahlreiche Verbindungen. So sind einzelne Devices per D2B (Device-to-Business) bzw. D2C (Device-to-Cloud) direkt mit MES-, ERP- und Cloud-Anwendungen verbunden. Die ERP-Systeme zweier Unternehmen, die als Wertschöpfungskettenpartner zusammenarbeiten, sind in Zukunft per B2B-Datenverbindung (B2B = Business-to-Business) miteinander gekoppelt usw. Edge-Gateways: Bindeglied mit Sonderaufgaben Aus Sicht des bereits angesprochenen OpenFog Consortiums bildet praktisch die gesamte OT- Domain einer Smart Factory den „Fog“, also den Low-Level-Datennebel. Eine wichtige Rolle in diesem neuen Leitbild spielt die Baugruppe an der Grenze zwischen OT- und IT- bzw. CT-Domain (siehe Bild 1). Diesem als Edge-Gateway oder auch Edge-Router bezeichneten 30 Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2017

Kommunikation/Steuer- und Datentechnik Bild 5: Für die Anpassung der Kommunikationsbeziehungen an die jeweiligen Anforderungen einer Umgebung (z.B. an die Protokolle und Datenformate) benötigt sowohl ein Edge-Gateway als auch jedes OT-System mit Schnittstellen zu einer anderen Domain eine benutzerfreundliche und flexible Konfigurationsschnittstelle System kommen bisher nicht vorhandene Sonderaufgaben zu. Dazu einige Beispiele: Sensordatenintegration In einer OT-Domain wird es sehr viele Sensoren geben. Einige davon sind direkt an Steuerungen angebunden, um Ist-Werte an eine SPS- Software zu liefern. Andere dienen ausschließlich zur Maschinen- und Prozessüberwachung, bzw. um ein möglichst vollständiges Prozessdatenabbild zu schaffen. Ein Edge- Gateway bildet das Bindeglied zwischen den Sensordaten und den Datennutzern. Zum Speichern der Sensordaten benötigt ein Edge-Gateway eine geeignete Datenbank für unstrukturierte Daten (in der Regel eine sogenannte NoSQL-Datenbank, z. B. MongoDB) mit geeigneten Schnittstellen, um anderen Systemen den Zugriff auf diese Daten zu ermöglichen. Vor-Ort-Analytics Die in der Feldebene – also im „Fog“ – gewonnen Daten können mit Hilfe mathematischer Vorhersagemodelle direkt einer Datenanalyse unterzogen werden, um zum Beispiel automatisch Wartungstermine für einzelne mechatronische Baugruppen, Maschinen und Anlagen zu bestimmen. Der Zugriff auf diese Daten durch ERP und MES ist z. B. per OPC UA möglich. Auch das Eintragen der Instandhaltungstermine und Ersatzteilbestellungen können vom Edge-Gateway aus Bild 6: Die Node-RED-Implementierung eines Edge Gateways für die OT-Domain bietet in der Regel die wichtigsten Protokollfunktionen als vorinstallierte Input Nodes und Output Nodes. So stehen beispielsweise OPC UA Server- und Client-Funktionen, Kommunikationsverbindungen zu S7-Steuerungen und Modbusbasierten Feldgeräten sowie verschiedene Cloud-Funktionen zur Verfügung Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2017 31

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel