17.12.2015

Von SPS zu CPS

Das KuK-Prinzip des IoT und der Industrie 4.0

Der Begriff 'Industrie 4.0' steht für den weitreichenden Einsatz IP-basierter Technologien in allen Fertigungsstufen. Cloud-Systeme übernehmen hierbei eine wichtige Rolle in der Daten- und Informationsversorgung. IoT-Gateways und Ethernet-E/A-Module helfen, dass traditionelle SPS-Systeme und Sensoren in einer Welt der 'smarten' Cyber Physical Systems kosteneffizient Anschluss halten.

Autor: Dipl.-Ing. Uwe Hollarek, Spectra GmbH & Co. KG.


Bild 1: Eine IoT-Gateway-Lösungsarchitektur benötigt neben Hardware auch die notwendigen Software-Komponenten zur Realisierung von IoT-Szenarien.
Bild: Spectra GmbH & Co. KG

Die Zukunftsthemen Industrie 4.0 und Smart Factory sind Synonyme für die umfassende Digitalisierung industrieller Wertschöpfungsnetze. Ihr eilt die Vorstellung voraus, dass die Integration von Fertigungs- und Produktionsverfahren mit den neuen Möglichkeiten der Informations- und Kommunikationstechnik zu einer fundamentalen Prozessverbesserung führt. Das technische Rüstzeug hierzu liefern Cyber Physical Systems (CPS) und das Internet der Dinge (IoT -Internet of Things) - zwei Konzepte, die bereits in ihrem Namen das Verschmelzen der realen und virtuellen Welt zu einem sich selbständig untereinander koordinierenden Systemgeflecht anklingen lassen. Industrie 4.0 und Smart Factory stehen damit aber eher für Evolution und weniger für Revolution. Denn bereits heute nutzen viele Produktionsunternehmen Informations- und Kommunikationstechnik in ihren Anlagen, um die Automatisierung voranzutreiben. Neu ist allerdings die Konsequenz, mit der Industrie 4.0 und Smart Factory dem KuK-Prinzip - Kommunikation und Konnektivität - in allen Fertigungsstufen nachgehen. Dazu zählt explizit die intelligente Verknüpfung und Auswertung von Daten aus unterschiedlichen Systemen und Systemstufen einschließlich der Anbindung zu den als Cloud-Service bereitgestellten IT-Leistungen. Traditionelle Automatisierungsanlagen unterstützen dagegen primär lokal begrenzte Fertigungsaufgaben oder Prozessschritte und bearbeiten vornehmlich direkt anfallende Daten. Ein Datenaustausch zwischen Systemen ist in der Regel als Punkt-zu-Punkt-Kommunikation ausgelegt, um beispielsweise im Zuge eines vorbeugenden Wartungsmonitoring einen kritischen Zustand per SMS zu melden.

Griff nach den Wolken

Mit dem Industrie 4.0 und Smart Factory-Konzept wird eine Entwicklung eingeleitet, die im privaten Umfeld der Smartphone/Tablet-Nutzung mittlerweile zur alltäglichen Routine zählt: die Kommunikation mit Cloud-Servern bei industriellen Anlagen. Statt Daten direkt auszutauschen, werden Anlagen-, Geräte- und Sensorinformationen in IP-basierten Netzen über einen Cloud-Service für alle autorisierten Benutzer sichtbar publiziert und können per Abo (Subscription) bezogen werden. Dahinter steht die Überzeugung, dass die intelligente Kombination und Auswertung von Daten aus unterschiedlichen Ebenen und Systemen zu einem realen Mehrwert und Kundennutzen führt. Bereits das folgende kleine Beispielszenario eines Presscontainers skizziert das Potenzial, das in der Integration und intelligenten Auswertung der Daten steckt. In Industrieunternehmen kommen die Verdichtungsmaschinen zum Einsatz, um große Abfallmengen oder wiederverwertbare Rohstoffe einer sachgerechten Entsorgung zuzuführen. Die Container sind zum Teil mit einem SPS-System ausgestattet, das neben der Steuerung des Pressvorgangs automatisch den Füllstand anzeigt. Eine mit dem Abhol-Service betraute Firma kann nun wertvolle Rückschlüsse für ihre Logistik gewinnen, wenn Informationen der Sensoren zur Volumenanzeige aller von ihr betreuten Container direkt in eine Cloud-Anwendung 'geschrieben' werden. Es lässt sich beispielsweise eine automatisierte Analyse der 'Verhaltensdaten' aller Container anstoßen, um eine präzise Planung für anstehende Abhol- und Wartungsservices inklusive optimaler Fahrzeug- und Wegeführung zu berechnen. Auf den Cloud-Servern lassen sich ebenso Produktionsparameter und Statusinformation (Auslastung, Materialverbrauch, Stillzeiten etc.) aus den SPS-Systemen mit den Messwerten der Temperatursensoren und Daten zum Energieverbrauch zusammenführen. Die Analyse der Verbräuche bei unterschiedlichen Konstellationen oder der Vergleich mit Produktionsanlagen im Konzern ermöglicht es, Einsparpotenziale beim Energieeinsatz oder den Betriebskosten zu identifizieren. Im Falle eines defekten Werkteils kann das SPS-System einer Produktionsstraße von der betriebswirtschaftlichen Anwendung, dem übergeordneten ERP-Programm, autonom die zugehörige Bestellnummer anfordern. Wird auf den Bestell-Button geklickt, kann das Steuerungssystem im Gegenzug Informationen zu möglichen Ausfallzeiten an das Beschaffungsprogramm kommunizieren, wo unter Abwägung von Dringlichkeit, Verfügbarkeit und Preis automatisch der beste Lieferant beauftragt wird.

Fitness-Programm für den Cloud-Einsatz

Die beeindruckenden Nutzenpotenziale dürfen indes nicht den Blick dafür versperren, dass der Aufbau CPS-basierter Infrastrukturen eine thematisch komplexe und technologisch anspruchsvolle Aufgabe darstellt. Für jeden konkreten Einzelfall gilt es, sorgfältig abzuwägen: Welche Sensoren, Aktoren, Prozesse und Maschinen sollen überhaupt Industrie-4.0/IoT-fähig werden? Welche Daten und Informationen müssen und können überhaupt in ein Ethernet- bzw. IP-Format überführt werden und eignen sich für den Einsatz in der Cloud? Für die Messaufgaben werden in der Regel kompakte, unkomplizierte und nicht zuletzt preiswerte E/A-Module eingesetzt. Spectra bietet hier weit über 100 Modelle für Ethernet, RS485 oder industrielle Feldbusse mit Eingangskanälen für praktisch alle gängigen Sensorsignale an. Zum Teil verfügen die Module wie beispielsweise die ICP WISE-Serie 7000 über eine einfache Logik, um abhängig von Konditionen und Ereignissen regelbasiert Aktionen zu starten. Die E/A-Signale der Sensoren werden via Feldbus bzw. Automatisierungsnetz, eventuell mit einem vorgeschalteten zentralen E/A-System, im SPS-System oder Industrie-PC (inklusive Soft-SPS) erfasst und dort für Steuerungs- bzw. Managementaufgaben analysiert. Falls ein Anschluss an das kommerzielle LAN der betrieblichen Anwendungen besteht, kann der PC zusätzlich ausgewählte Daten und Datenaggregate für den Weitertransport an eine Cloud-Plattform aufbereiten. Neben der reinen Hardware-Infrastruktur setzt die Einbindung der Cloud-Systeme softwareseitig eine intelligente Datenmodellierung voraus, damit die Daten im Wortsinne überhaupt verstanden werden. Hierzu zählt die präzise Festlegung, welche Informationen in welchem Intervall überhaupt in der Cloud bereitgestellt werden sollen. Gleichzeitig muss die komplette Datentransportstrecke gegenüber unberechtigten Zugriffen und Missbrauch abgeschirmt werden.

Gateway to Cloud

Mit dem IoT-Gateway NIO 100 hat Spectra-Partner Nexcom einen Lösungsansatz vorgestellt und bislang 'unsichtbare' Sensoren und Komponenten in der Fertigung äußerst elegant mit Cloud-Services einer industriellen Welt verknüpft. Die NIO-100-Serie basiert auf Intels IoT-Gateway-Plattform mit dem verbrauchsarmen Prozessor Intel Quark SoC X1021, der beeindruckende Kommunikations- und Konnektivitäts-Features bietet. Mit Spannungseingang von 9 bis 36VDC und einem Betriebstemperaturbereich von -20 bis +70°C bietet die Plattform die im industriellen Umfeld geforderte Robustheit. Gleichzeitig verfügt es über ein durchgängiges Schutzkonzept einschließlich Secure-Boot-Funktion und verschlüsselter Kommunikation, wie es gerade in CPS-Infrastrukturen mit Cloud-Ansatz unerlässlich ist. Sensoren, Aktoren, Maschinen und SPS-Systeme werden über die gängigen Feldbus-Formate wie Modbus RTU/TCP, Profibus, EtherNet/IP oder Ethercat in das NIO-100-Gateway eingebunden. Zusätzlich besteht die Option, über 3.5G/LTE oder gewöhnliches WLAN drahtlos Daten auszutauschen. Die Kommunikation mit den Cloud-Anwendungen erfolgt per MQTT (Message Queue Telemetry Transport). Das Nachrichtenprotokoll, das als IoT-Standard gilt, setzt das Publish-Subscribe-Prinzip um. Systemkomponenten oder Programme abonnieren hier bei einer zentralen Broker-Instanz, zum einen Informationen, zum anderen sorgt der Broker für den Versand von Nachrichten an die gewünschten Stellen. Zu der Gateway-Lösung NIO 100 gehören das Nexcom-IoT Cloud Studio mit grafischer Benutzeroberfläche sowie der Connect-to-Cloud-Cloud-Server, mit denen sich die gewünschten Einstellungen für die Daten- und Netzwerkkommunikation bequem provisionieren lassen. Zudem werden von der Tool-Umgebung Anwendungsprogramm-Schnittstellen bereitgehalten, mit deren Hilfe der Anwender eigene proprietäre Verbindungsschnittstellen, Intervalle zur Datensammlung, Syntaxanalyse und Device-Management realisieren können. Damit wird das Fundament gelegt - analog zur Smartphone/Tablet-Ökonomie - spezialisierte Industrie-Anwendungen als App zu realisieren, die sich einfach als Cloud-Service in Produktionsprozesse integrieren.

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Fazit

Viele Unternehmen nähern sich heute nur sehr zögerlich der Industrie 4.0-, Smart Factory- und IoT-Thematik. Das hat auch damit zu tun, dass die Transformation der Komponenten und Daten der verfügbaren Produktionsnetze hin zu Cyber Physical Systemen als thematisch komplex und technologisch anspruchsvoll beurteilt wird. Lösungsansätze wie der IoT-Gateway NIO 100 weisen den Anwendern hier einen einfachen und - vielleicht noch wichtiger - bezahlbaren Weg, vorhandene Sensorik und Daten den neuen CPS-geprägten Nutzenmöglichkeiten zuzuführen, ohne Anlagen ersetzen zu müssen oder sich im Protokollwirrwarr zu verlieren.

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