07.05.2014

Durchgängig kommunizieren

Der klassische Ansatz der Automatisierungs-Pyramide hat bisher nicht zu einer standardisierten und durchgängigen Vernetzung vom ERP-System bis zum Sensor geführt. Nach wie vor ist sehr viel projektspezifisches Engineering notwendig, um Daten aus der Feldebene in die Unternehmensleitebene (ERP) zu bringen und umgekehrt die Feldebene direkt mit Informationen aus der Unternehmensleitung zu steuern. Auch die Einführung von Ethernet-basierten Feldbussystemen hat nicht zu einer Standardisierung geführt, sondern eher im Gegenteil sind eine Reihe neuer herstellerspezifische Protokolle entstanden.

Autor: Ing. Mag. (FH) Gerhard Fischbacher, M2M-Soft GmbH.


Quellen

http://www.vdi.de/uploads/media/Stellungnahme_Cyber-Physical_Systems.pdf

BMWi - Machine-to-Machine-Kommunikation - eine Chance für die deutsche Industrie

http://www.it-gipfel.de/IT-Gipfel/Redaktion/PDF/machine-to-machine-ag-2,property=pdf,bereich=itgipfel,sprache=de,rwb=true.pdf

http://de.wikipedia.org/wiki/Machine_to_Machine

Bild 1: Klassische Automatisierungspyramide mit Feldbus-Anbindung der Feldebene
Bild: VDI/VDE Thesen und Handlungsfelder: Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation, ergänzt

Konnte man früher mit den klassischen Feldbussen Profibus, CAN-Bus, Devicenet, Modbus den größten Teil der Anwendungen abdecken, so findet man heute in der Echtzeit-Ethernet Welt aktuell 29 Protokolle wieder (s.a. www.realtime-ethernet.de). Die hierarchische Sicht der Automatisierungspyramide mit den Ebenen: Feld-, Steuerungs-, Prozessleit-, Betriebsleit- und Unternehmensleitebene ist funktional orientiert und trennt den echtzeitkritischen Teil auf der Steuerungsebene von den organisatorischen Daten der Unternehmensleitebene. Der Übergang zwischen der IT-Welt der Betriebs- bzw. Unternehmensleitebene wird meist auf der Prozessleitebene realisiert. Bis dahin werden die aus der Steuerungswelt bekannten Protokolle zur Kommunikation verwendet. Diese Protokolle sind aber für statische Verbindungen innerhalb einer festen Struktur an einem einzigen Standort ausgelegt. Möchte man nun z.B. im Rahmen einer Condition Monitoring Anwendung von außen auf einen Diagnosewert eines Sensors zugreifen, so muss dies von Anfang an berücksichtigt werden und dieser Diagnosewert muss durch alle Ebenen 'durchgeschleust' werden. Diese Anforderung gilt zumindest bis zur Prozessleitebene, wo klassisch frühestens ein Zugriff von außen möglich ist. Aus der Sicht eines Sensor-Herstellers, der unabhängig davon, wo und wie seine Sensoren in einer Maschine eingebaut sind, einen Condition Monitoring Dienst für seine Sensoren (als Beispiel einer möglichen Industrie 4.0 Anwendung) anbieten will, ist die bestehende Struktur wegen der Unzahl von Kombinationen von Steuerungen, PLS, Feldbussen und Protokollen nicht geeignet. Wie auch der VDI/VDE Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik in seinen Thesen-und Handlungsfeldern zu CyberPhysical Systems feststellt, wird die klassische Automatisierungspyramide durch ein Netzwerk aus verteilten, dezentralen Systemen abgelöst werden (müssen), um den Weg für neue Möglichkeiten innerhalb der Industrie 4.0 zu ermöglichen.

Ziel

Mit dem Zukunftsprojekt Industrie 4.0 sollen Maschinen, Anlagen oder allgemein sog. Cyber Physical Systems hersteller- und standort-übergreifend über das Internet vernetzt werden. Durch die Vernetzung der Systeme, sowie die zentrale Datenerfassung und Auswertung in der Cloud werden neue intelligente Dienste möglich, wie z.B. ein übergreifendes Condition Monitoring oder die Realisierung neuer Geschäftsmodelle, wie z.B. die Optimierung von Prozessen durch unabhängige Prozess-Spezialisten, usw. In sog. 'Value Added Services' liegt nach Auffassung der BMWi (Projektgruppe 'Kompetenznetzwerk Machine-to-Machine-Kommunikation') auch das größte Potential im Bereich der M2M - Technologie (vgl. Machine-to-Machine-Kommunikation - eine Chance für die deutsche Industrie Nov. 2011) Zur Erreichung dieses Ziels müssen z.B. intelligente Sensoren einen direkten Zugang nach außen ermöglichen, der unabhängig von der darüberliegenden Echtzeitanwendung (z.B. Maschinensteuerung) vorhanden ist. Dieser Zugang soll über Internet möglich sein und die Daten dort standortunabhängig bereitstellen. Dies setzt aber neue Kommunikationsmechanismen voraus: das Kommunikationsprotokoll muss z.B. mit den Verbindungsunterbrüchen zurecht kommen, wie sie bei mobilen Internetverbindungen häufig auftreten können. Daten müssen zwischengespeichert und zeitversetzt nachgesendet werden. Die Kommunikation muss verschlüsselt und sicher funktionieren. Die Datenmengen sind zu optimieren und verschiedene Verbindungswege ins Internet müssen unterstützt werden. Auch welche Daten, wann gesendet werden, muss von außen, auch nachträglich, konfigurierbar sein, usw.

Ergebnis

Die Firma m2m-soft GmbH hat 2008 damit begonnen im Bereich Wasser/Abwasser Projekte zur Überwachung von Pumpstationen zu realisieren. Aufgrund der Anforderungen der verteilten Systeme wurde ein neuer Ansatz definiert, mit dem es möglich war die Systeme hersteller- und standortübergreifend zu vernetzen und zu überwachen. Es wurde konsequent auf Internet-Technologien zur Übertragung, Speicherung und Auswertung der Daten gesetzt. Mit der 'Cloud-connectivity' im m2m-Cockpit-Client verfügt m2m-soft über einen neuen Ansatz zur Realisierung von Industrie 4.0 Projekten. Dieser ermöglicht standort- und herstellerübergreifende Verbindung von Systemen via Internet. Aktuell wird diese Software bereits sehr erfolgreich in verschiedenen Industrie-Routern genutzt. Sie verbindet dort direkt die Feld- bzw. Steuerungsebene via Internet-Technologie mit dem m2m-Cockpit in der Cloud. Im m2m-Cockpit werden die Daten in einer Datenbank gespeichert und können von hier aus einfach weiterverarbeitet werden. Z.B. Weitergabe an ERP, an andere Steuerungen, usw. Der m2m-Cockpit-Client verbindet die Steuerungsebene direkt mit dem Internet (z.B. dem m2m-Cockpit Server). Die Kommunikation ist verschlüsselt, komprimiert und überträgt Daten optimiert nur bei Änderung. Die Kommunikation ist so ausgelegt, dass sie mit Verbindungsunterbrüchen, wie sie bei Mobilfunkverbindungen vorkommen können, zurecht kommt. Die Software ist portabel und kann auch auf embedded Systems implementiert werden. Somit können intelligente Sensoren direkt mit dem Internet verbunden werden, ohne die normale Echtzeit-Anwendung (z.B. Maschinen-Steuerung) zu beeinflussen und können die Diagnose-Daten direkt in ein Portal liefern. Auf dieser Basis lassen sich intelligente Dienste wie Condition Monitoring auf Komponenten-Ebene realisieren. Das m2m-Cockpit als Software-Plattform für m2m-Anwendungen bietet hier bereits viele vorgefertigte Funktionen wie Alarmierung, Datenlogging, Reports, usw. mit denen z.B. ein Service-Portal einfach realisiert werden kann.

Kurzfassung

Industrie 4.0 erfordert eine hersteller- und standortübergreifende Vernetzung von Maschinen, Anlagen und embedded systems oder allgemein sog. Cyber Physical Systems via Internet. Hier stoßen Architekturen gemäß der klassische Automatisierungs-Pyramide an ihre Grenzen. Die Firma m2m-soft GmbH stellt ein neues Konzept der sog. 'Cloud connectivity' in Verbindung mit dem Cloud-basierten m2m-Cockpit als alternativen Lösungsansatz vor. Dieses Konzept wurde in den letzten Jahren erfolgreich in zahlreichen Projekten umgesetzt und hat sich bewährt.

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