Erschienen am: 08.02.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 1+2 2018

Flexible Lösung anspruchsvoller Automatisierungsaufgaben

Industrie-PCs als Enabler von Industrie 4.0

Mit der vernetzten Fabrik gemäß Industie 4.0 steigen die funktionalen Anforderungen, die eine SPS heute bieten muss. Neben der eigentlichen Steuerung müssen weitere Aufgaben abgebildet werden, z.B. Kommunikation und Datenaustausch mit übergeordneten Systemen oder cloud-basierten Diensten. Eine große Rolle spielen dabei standardisierte Schnittstellen und offene Technologien. Nicht minder wichtig sind hohe Skalierbarkeit und Flexibilität. Industrie-PCs sind hier gegenüber einer klassischen Hardware-SPS im Vorteil, denn sie vereinen die Vorzüge der IT-Welt mit denen der Automatisierung.


Bild: ASEM S.p.A.

Mit einem modernen IPC lässt sich die Vielzahl der heutigen Aufgaben gut bewältigen. Ausgestattet mit einer entsprechenden Soft-SPS kann der IPC nicht nur nach IEC61131-3 programmiert werden, er kann inzwischen auch harte Echtzeitanforderungen erfüllen. Der Einsatz von Multicore-Systemen ermöglicht es, Aufgaben dediziert einzelnen CPU-Kernen zuzuordnen oder mehrere Steuerungen mit einem System abzudecken. Die nötige Flexibilität bietet der IPC über seine standardisierten Schnittstellen.

Design und Performance

Die Anforderungen nach hoher Flexibilität und Performance wurden bei der Konstruktion und dem Entwurf der neuen Generation von Industrie- und Panel-PCs aus dem Hause ASEM berücksichtigt. Zudem stellt das Unternehmen mit den neuen Serien BM2200, BM3300 und BM3400 ein elegantes und robustes Design vor. Das Gehäuse aus extrudiertem Aluminium bietet auf der Vorderseite einen einfachen sowie schnellen Zugriff auf Wechselmedien wie eine CFAST-Karte, PCI-Steckplätze für SSD oder HDDs und einen USB3.0-Steckplatz. Auch die Pufferbatterie ist, verdeckt hinter der Frontklappe, unkompliziert auszutauschen. Die Geräte hat ASEM inklusive der Mainboards komplett in Eigenregie entworfen und fertigt sie in der eigenen Produktion in Italien selbst. Bei der Konstruktion der BM-Serie wurde Wert auf große Zuverlässigkeit bei hoher Qualität, Ergonomie und Verfügbarkeit gelegt. Das spiegelt sich im ASEM-Konzept des All-in-One-Mainboards wider, bei dem alle Module des IPCs (z.B. CPU, RAM oder Massenspeicher) auf einem Board untergebracht werden. Lediglich die Spannungsversorgung ist als separates Board isoliert, damit im Servicefall nur eins der Boards getauscht werden muss. Sie kann optional mit einer Mikro-USV erweitert werden. Die Stör- und Fehleranfälligkeit wird durch Verzicht auf unnötige Steckverbindungen und Kabel verringert. Gleichzeitig reduzieren sich die Abmessungen der Industrie-PCs. Die Umsetzung erlaubt dennoch eine Flexibilität, bei der über Erweiterungen oder den Austausch von Standardkomponenten Kundenwünsche im Produktionsprozess umgesetzt werden. Bewusst setzt der Hersteller dabei auf standardisierte Schnittstellen und offene Technologien. Ethernet-basierte Feldbusse lassen sich über I210-Ethernet-Controller von Intel implementieren oder über die auf NetCore-X-Technik basierenden Erweiterungskarten. Für Speichererweiterungen stehen weitere Schnittstellen wie mSATA oder SATA III zur Verfügung. In der größten Ausbaustufe sind desweiteren PCI, bzw. PCIe-Steckplätze erhältlich. CPU-seitig decken die IPCs ein breites Leistungsspektrum ab: angefangen beim ARM-Prozessor für die Einsteigerserie bis hin zum Core-i-Prozessor der neuesten Generation. Die Einsatzbereiche erstrecken sich über viele Branchen und so können die Geräte u.a. als einfache Steuerung, als Scada-System oder im Bereich der Bilderfassung genutzt werden. Die IPCs kommen ohne Lüfter aus, eine innovative Kühllösung ermöglicht es ASEM, als eines der ersten Unternehmen Core-i7-Prozessoren der 45W-Klasse lüfterlos bei einer Betriebstemperatur bis 50°C einzusetzen.

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Panel-PCs von 6,5 bis 24"

Die gleiche Hardware-Architektur setzt ASEM auch bei seinen Panel-PCs ein: moderne Hardware, die flexibel anpassbar ist, gepaart mit hochwertigen LED-TFT-Displays in Größen von 6,5 Zoll bis 24 Zoll. Neben den heute gängigen Widescreen-Geräten sind die Panel-PCs auch weiterhin im klassischen 4:3-Format erhältlich. Kunden, die Ersatzgeräte für bestehende Maschinenserien benötigen finden somit eine passende Kombination aus performanter PC-Technik und klassischen Abmessungen. Auch das äußere Erscheinungsbild passt der Anbieter auf Wunsch individuell an, z.B. mit Spezialanfertigungen der Gerätegehäuse oder -fronten. Alternativ werden bei der sogenannten Light-Custom-Variante Farbe und Logo dem Kunden-CI gemäß adaptiert. Die Panel-PCs zur Tragarmmontage sind mit Schutzklassen bis IP69K auch für die Lebensmittelindustrie geeignet. In einem sehr kompakten Gehäuse wird der Bedarf nach flachen und platzsparenden Gehäusen berücksichtigt. Optional kann der Kunde auch hier eigene Gestaltungswünsche einfließen lassen. Zusätzlich kann bei den Panel-PCs in Tragarmmontage ein Bereich frei konfiguriert und verschiedene Schalter und Taster untergebracht werden, sogar Schlüsselschalter oder Taster zur Zweihandbedienung.

Flexible und standardisierte Software

IPCs müssen heute nicht nur hardwareseitig anpassungsfähig ausgelegt sein, sondern auch bezüglich der eingesetzten Software. Spezifische Kundenwünsche bezüglich des Software-Images, z.B. ein anpassbares Bios gehören genauso zu den heutigen Trends, wie die Möglichkeit, gängige Betriebssysteme und SoftSPSen zu kombinieren. ASEM bildet hier das komplette Angebot neben seinem eigenen Standard ab, der üblicherweise aus einer Soft-SPS, der Visualisierung und Fernwartung besteht. Auch können nur bestimmte Bestandteile der Software bei Auslieferung installiert oder angepasst werden. Die vernetzte Fabrik erfordert auch hier ein Umdenken: Proprietäre Schnittstellen werden sich in Zukunft nur schwer am Markt durchsetzen können. Denn die Nutzung standardisierter Lösungen über Systeme und Anlagen hinweg bildet die Grundlage zur Erfassung von Produktions- und Maschinendaten, die für Analysezwecke sowie Effizienz- und Produktivitätssteigerungen benötigt werden. Mit PremiumHMI bietet ASEM eine Softwareplattform, die diesen Ansprüchen gerecht wird. Skalierbar aufgesetzt, kann sie auf kleinen ARM-basierten HMIs, oder aber auch auf Core-i basierten Industrie-PCs eingesetzt werden. Die Projektierung erfolgt unabhängig von der Hardware, wodurch das gleiche Projekt auf mehreren Plattformen verwendet werden kann. Der Ressourcenaufwand wird dadurch erheblich reduziert. Standardisierte und offene Ansätze finden sich bei PremiumHMI vielfach, beispielsweise bei den Projektdateien im XML-Format, SQL zum Abfragen integrierter Datenbanken oder die Integration eines OPC UA Client. XML findet auch Verwendung bei den Vektorgraphiken von PremiumHMI, basierend auf dem XAML-Standard, der für die Visualisierung entwickelt wurde.

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Lösung für Scada und Cloud

PremiumHMI erlaubt dem Anwender, die Funktionalität eines Scada-Systems im Bereich der HMI- bzw. PC-Visualisierung zu realisieren. Zentrales Element sind dabei relationale Datenbanken. Daten-Logger, Rezepturverwaltung und Trends werden über eine ODBC-Datenbank mit SQL-Schnittstellen abgebildet. Veränderungen der Variablen kann über die Audit-Trail-Funktion abgebildet und nachvollzogen werden. Sie werden zeitlich erfasst, inklusive des auslösenden Ereignis, z.B. durch Benutzereingabe oder über den Kommunikationstreiber (SPS). Über die historischen Daten kann der Bediener auch automatisch Reports in Textform erstellen. In Kombination mit Uniqloud, der ASEM-eigenen Cloud zur Speicherung von Felddaten, kann PremiumHMI alle relevanten Daten zur Überwachung von Maschinen und Prozessen erfassen und speichern. Uniqloud ist als Runtime für HMI- und IPC-Systeme sowie als Standalone-Lösung für das IIoT-Gateway verfügbar. Die Runtime selbst ist kompatibel mit gängigen Cloud-Services, die über MQTT oder AMQP angebunden werden können. Zu den Herausforderungen von Industrie 4.0 zählen auch die Verfügbarkeit der Maschine sowie der Schutz der Daten. Moderne Mittel der Fernwartung erlauben es dem Anwender die Verfügbarkeit und Produktivität seiner Maschinen zu steigern. Mit kurzen Reaktionszeiten kann ein Serviceeinsatz schnell, kostengünstig und ressourcenschonend durchgeführt werden. Spezialisierte Fachkräfte werden nicht unnötig gebunden, lange An- und Abreisezeiten entfallen und die Kosten eventueller Produktionsausfälle lassen sich reduzieren.

Sichere Fernwartung

Befriedigt die Fernwartung auf der einen Seite den Kundenwunsch nach steigender Verfügbarkeit und Produktivität, kann die damit einhergehende, zunehmende Vernetzung aber auch neue Bedrohungen mit sich bringen. Immer mehr Maschinen und Anlagen werden ins Internet gebracht und nicht erst seit Cyberattacken und Ransomware wie WannaCry oder Petya stehen Industrieanlagen im Fadenkreuz von Hackern und Kriminellen. Mit Ubiquity bietet ASEM deshalb eine sichere Lösung zur Fernwartung an, bei der alle Komponenten einzeln überprüft, getestet und nach IEC62443-3 zertifiziert wurden. Aus Gesprächen mit Kunden und deren Wunsch nach einer komfortablen aber auch sicheren Lösung, entstand eine Software, die den Anwender nicht nur während der Installation und Inbetriebnahme unterstützt, sondern auch im After-Sales. Die eigens von ASEM entwickelte Ferwartungslösung hilft Kunden bei der Wartung und Änderungen am Maschinen- oder Anlagenpark genauso wie bei der Fehlersuche, einem Training oder einer Installation. Da sich mit Ubiquity darüber hinaus neue Möglichkeiten für Dienstleistungen und Services eröffnen, können Kunden zusätzliche Wertschöpfung im After-Sales-Bereich generieren. Den Stellenwert der Cyber-Sicherheit hat ASEM frühzeitig erkannt und stattet alle Produkte, die mit einem Windows-Betriebssystem ausgestattet sind, bereits ab Werk mit der Runtime seiner Fernwartungslösung Ubiquity aus. Der Kunde benötigt nur noch eine Domain, quasi seinen Kundenaccount. Sie wird ohne weitere Folgekosten einmalig erworben. Das heißt, dem Kunden obliegt es, wie viele Geräte und Nutzer angelegt werden. Es gibt keine Pakete oder Grenzen, die die Anzahl der Geräte, der Nutzer oder des Traffics einschränken bzw. die zusätzlich bezahlt werden müssen. Ubiquity besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: dem Control Center, der Laufzeitumgebung, auch Runtime genannt, und der Server-Infrastruktur. Mithilfe des Control Centers wird die Kunden-Domain verwaltet. Dazu gehören Zugriff, Aktualisierung und Überwachung der assoziierten Geräte und Nutzer. Die Laufzeitumgebung ist als Softwarekomponente auf den Geräten von ASEM bereits vorinstalliert, aber für die Betriebssysteme WIN CE, WIN32 und WIN64 auch separat für Fremdsysteme verfügbar. Die Server-Infrastruktur gewährleistet den sicheren Verbindungsaufbau zwischen der Laufzeitumgebung und dem Control Center. Dazu müssen sich beide Seiten am Server authentifizieren. Über ein sicheres Verschlüsselungsprotokoll (TLSv1.2) wird zunächst die Verbindung, jeweils vom Control Center und der Laufzeitumgebung zum Server hergestellt. Im Anschluss wird mittels VPN-Tunnel eine sichere und verschlüsselte Ende-zu-Ende-Verbindung hergestellt. Der Kunde kann nun auf Geräte und Subnetze zugreifen, z.B. um eine SPS oder einen Umrichter auszulesen bzw. neue Programme und Parameter aufzuspielen. Inbetriebnahmen, Wartung und Fehlersuche werden so deutlich einfacher. Mit der App 'Mobile Ubiquity VPN' kann auch der ANwender auch bequem vom Tablet oder Smartphone eine VPN-Verbindung zur jeweiligen Maschine herstellen. Durch den Einsatz moderner Kryptografieverfahren ist sichergestellt, dass die Daten nicht mitgelesen oder entschlüsselt werden können. Gemeinsam mit einem externen Anbieter hat ASEM unterschiedliche Angriffsmethoden getestet, denen Ubiquity erfolgreich standhalten konnte. Um auf dem neuesten Stand der Technik zu bleiben und auch in Zukunft weiterhin eine sichere Lösung anzubieten, wird Ubiquity permanent weiterentwickelt. Dabei werden auch die Updates entsprechenden Tests nach IEC62443-3 unterworfen. Mit der kommenden Zwei-Faktor-Authentifizierung soll der Zugang zum Control Center und damit die Verwaltung der Domain und Nutzer noch sicherer gemacht werden.

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