Von der Automatisierung zu Industrie 4.0
Seit mehr als 40 Jahren ist die SPS das Rückgrat der Automation. Sie löste die Relaissteuerung ab und steht für Langlebigkeit und Zuverlässigkeit - ein wichtiger Faktor in der Industrie, denn Anlagen und Maschinen müssen zuverlässig laufen. Durch die Digitalisierung und den Trend zur Industrie 4.0 kommen aber ganz neue Anforderungen auf Automatisierer, Maschinenbauer, und Fertiger zu. Daten müssen nun zusätzlich zum Regelkreis mit den IT Systemen oder der Cloud ausgetauscht werden. Wie kann man dieses mit geringstmöglichen Aufwand erreichen ohne die Zuverlässigkeit zu gefährden?
Bild: Harting Deutschland GmbH & Co. KGAuf die Automatisierer kommen viele Herausforderungen zu, beispielsweise:
- • Eine moderne SPS kann Daten in ein überlagertes System senden, doch die Programmierung erfolgt nicht mit Webtechnologie-Sprachen oder Open-Source-Anwendungen. Basis ist die EN61131, die für die IT-Abteilung oft nur schwer nachvollziehbar ist und vor allem dem Automatisieren vorbehalten bleibt. Auch gibt es hunderte von proprietären oder anwendungsspezifischen Protokollen die von IT- oder MES-Systemen nicht verstanden werden. Hier ist eine Übersetzung der Daten an der Maschine ein hervorragendes Werkzeug, um diese Kluft schnell und mit vertretbarem Aufwand zu überbrücken.
- • Da viele Maschinen eine Lebensdauer von 30 Jahren und mehr haben, hat ein großer Teil des existierenden Maschinenparks produzierender Unternehmen von vorneherein keine zeitgemäße Ausstattung zum Erfassen, Speichern und Kommunizieren relevanter Daten. In diesen Fällen kann mit Einbau zusätzlicher Sensorik aber auch eine erstaunliche Transparenz geschaffen werden.
- • Moderne Anlagen produzieren eine Unmenge an Daten, die leicht Netzwerke und Datenbanken überfordern können. Beispielsweise kann schon eine Laserschweissmaschine mehrere Megabyte pro Sekunde an Daten erzeugen. Deshalb ist es wichtig, schon an der Maschine eine Auswahl zu treffen - und relevante Daten kombinieren und vorverarbeiten zu können.
- • Ganz wichtig ist auch der Sicherheitsaspekt. Jede Öffnung des Produktionsnetzwerkes ist unweigerlich auch ein Angriffsvektor für Hacker oder eine Quelle für versehentliche Fehlbedienungen. So wurde auf der Fachtagung 'Industrie 4.0' am 25.01.2017 in einer Live-Vorführung ein Industrieroboter in einem Forschungslabor innerhalb von 20 Minuten mittels einer ungesicherten Webcam und unter Ausnutzung einiger Bugs in einem Router gehackt.
Zur Lösung dieser Probleme bietet sich eine modulare Architektur an, die Daten sammelt, verdichtet und zusammenführt, ohne die Änderungen oder Entwicklung auf der Steuerung zu verlangen. Im April letzten Jahres stellte Harting zu diesem Zweck die Modulare Industrie Computer Architektur (MICA) vor, die sicher verpackt nach IP67 EN50155 und damit staub-, wasser-, temperatur-, und vibrationsgeschützt, vier wichtige Funktionen vereint: Sie ist Übersetzer von IT-Befehlen zu Maschinenbefehlen, Datensammler und Analyst sowie Kommunikator mit übergeordnete Softwaresystemen im Unternehmen, beispielsweise SAP bis zur Maschine.
Offenes Linux-System mit
anpassbarer Hardware
Der modulare Aufbau der MICA umfasst sowohl die Hardware als auch die Software. Der Anwender bestellt die MICA beispielsweise mit einer RFID-Platine, mit einem Ethercat-, Profinet-, Ethernet IP-Modul oder setzt eine USB-Schnittstelle - der Hardware-Schutz-Standard bleibt davon unberührt. Darüber kann er dann beispielsweise Sensoriksysteme anschließen und im Feld Daten sammeln. Dabei ist die MICA flexibel genug, um Datenvolumen von simplen KPIs - in manchen Fällen nur ein einziges Bit, bis zur Datenfusion für ganze Anlagenparks zu verarbeiten.
Ein Bit kann einen Unterschied machen
Am unteren Ende wurde in einem Kundenprojekt die Temperatur innerhalb eines Windkraftgetriebes drahtlos mittels sogenannten ETB RFID Tags erfasst, die ihre Energie durch Energy Harvesting aus dem RFID Lesefeld der MICA beziehen, und an das Betreibernetzwerk weitergegeben. Im ersten Schritt dienen Bimetallsensoren als Datenquelle, also wird nur eine Überschreitung der Grenztemperatur festgestellt, aber schon in der nächsten Generation konnte durch Analogsensoren der Temperaturverlauf über die ganze Lebensdauer des Getriebes erfasst, und lokal gespeichert werden. Da die MICA auch in diesem Fall nur Warnungen an das übergeleitete System weiterleitet, ist diese Erweiterung der Fähigkeiten vollständig transparent. D.h. das übergeordnete System muss nicht verändert werden. Der Betreiber bekommt weiterhin seine Warnungen, und der Hersteller bekommt einen kompletten Einblick in die Geschichte des Getriebes für Wartungszwecke und zur zukünftigen Produktoptimierung.
Aus alt mach neu
Das bedarfsabhängige Steuern von Fertigungsstrecken und das rechtzeitige Erkennen von Wartungsbedarf sind zwei der effektivsten Wege, Produktivität zu verbessern, und Wartungskosten zu reduzieren. Da aber viele Maschinen eine Lebensdauer von 30 Jahren und mehr haben, hat ein großer Teil des existierenden Maschinenparks produzierender Unternehmen von vorneherein keine zeitgemäße Ausstattung zum Erfassen, Speichern und Kommunizieren relevanter Daten. Als einer der weltweit führenden Herstellern von Industriesteckverbindern hat Harting einen großen Park von Spritzgussmaschinen unterschiedlichsten Alters, die alle noch einwandfreie Qualität produzieren, sich aber nicht ohne weiteres an ERP- und MES-Systeme anbinden lassen. Mit Hilfe der MICA wurde hier ein Baukasten geschaffen, um eine virtuelle Abbildung dieser Anlagen in der digitalen Welt zu erstellen, sodass die 'alte' Maschine in der virtuellen Welt wie ein neues, modernes Gerät nutzbar wird. Dazu wird beispielsweise das Euromap15-Protokoll, das einige dieser Maschinen sprechen, in moderne JSON-Nachrichten (Javascript Object Notation) übersetzt, und über MQTT (Message Queue Telemetry Transport) publiziert. Damit können Betriebsparameter kontinuierlich erfasst und gespeichert werden. Sie stehen dann für verschiedenste Nutzungen zur Verfügung, zum Beispiel als Basis für eine zukünftige vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance), zum Optimieren des Produktionsprozesses bezüglich des Energieverbrauchs, oder dem Optimieren der Produkte via Korrelation Produktgüte - Produktionsparameter der Maschinen. Auch können nun Produktionspläne online auf die Maschine geladen werden, anstatt jedes Mal per USB Stick verschickt und manuell aufgespielt werden zu müssen, was nicht nur Kosten spart, sondern auch die Betriebssicherheit und Nachvollziehbarkeit erhöht.
Vom Sensor zur Cloud
Im folgenden Beispiel, das auf der SPS IPC Drives im November 2016 erstmal vorgestellt wurden, sind Spritzgussmaschinen verschiedenster Fabrikate und Alter im einem Harting Werk mit Hilfe der MICA an IBM Bluemix und Watson IoT angeschlossen. Zu diesem Zweck wurden die MICAs mit einer modularen Funktionsplatine ausgestattet, die einen Modbus RTU und 8 S0 Anschlüsse für Stromwandler und Strommessgeräte zur Verfügung stellt. Gleichzeitig erfasst die MICA über Ethernet die RFID Tags der installierten Spritzgusswerkzeuge. Alle Daten werden über den frei erhältlichen MICA MQTT Container dann wahlweises lokal auf der MICA in Influx DB - einer für Zeitreihen optimierten Open Source Datenbank - gespeichert und mit dem Open Source Tool Grafana ausgewertet; oder über einen auf der MICA installierten Watson IoT Konnektor an ein IBM Datencenter in London zur Speicherung und Auswertung weitergegeben. Durch diesen nahtlosen Übergang zwischen lokaler und globaler Datenverarbeitung kann ein Benutzer mit einem lokalen PoC, oder einer Anwendung für einige Maschinen, starten und dann ohne neue Hardware und mit minimalen Softwareänderungen zu einer firmenweiten Lösung migrieren. Während der drei Messetage wurden so mehrere Gigabyte an Daten zur Analyse erfasst und visualisiert. Diese Anwendung ist auch seit dem 16. Februar als Showcase im IBM Watson IoT Center in München zu besichtigen.
Seit mehr als 40 Jahren ist die SPS das Rückgrat der Automation. Sie löste die Relaissteuerung ab und steht für Langlebigkeit und Zuverlässigkeit - ein wichtiger Faktor in der Industrie, denn Anlagen und Maschinen müssen zuverlässig laufen. Durch die Digitalisierung und den Trend zur Industrie 4.0 kommen aber ganz neue Anforderungen auf Automatisierer, Maschinenbauer, und Fertiger zu. Daten müssen nun zusätzlich zum Regelkreis mit den IT Systemen oder der Cloud ausgetauscht werden. Wie kann man dieses mit geringstmöglichen Aufwand erreichen ohne die Zuverlässigkeit zu gefährden?
Bild: Harting Deutschland GmbH & Co. KGAuf die Automatisierer kommen viele Herausforderungen zu, beispielsweise:
- • Eine moderne SPS kann Daten in ein überlagertes System senden, doch die Programmierung erfolgt nicht mit Webtechnologie-Sprachen oder Open-Source-Anwendungen. Basis ist die EN61131, die für die IT-Abteilung oft nur schwer nachvollziehbar ist und vor allem dem Automatisieren vorbehalten bleibt. Auch gibt es hunderte von proprietären oder anwendungsspezifischen Protokollen die von IT- oder MES-Systemen nicht verstanden werden. Hier ist eine Übersetzung der Daten an der Maschine ein hervorragendes Werkzeug, um diese Kluft schnell und mit vertretbarem Aufwand zu überbrücken.
- • Da viele Maschinen eine Lebensdauer von 30 Jahren und mehr haben, hat ein großer Teil des existierenden Maschinenparks produzierender Unternehmen von vorneherein keine zeitgemäße Ausstattung zum Erfassen, Speichern und Kommunizieren relevanter Daten. In diesen Fällen kann mit Einbau zusätzlicher Sensorik aber auch eine erstaunliche Transparenz geschaffen werden.
- • Moderne Anlagen produzieren eine Unmenge an Daten, die leicht Netzwerke und Datenbanken überfordern können. Beispielsweise kann schon eine Laserschweissmaschine mehrere Megabyte pro Sekunde an Daten erzeugen. Deshalb ist es wichtig, schon an der Maschine eine Auswahl zu treffen - und relevante Daten kombinieren und vorverarbeiten zu können.
- • Ganz wichtig ist auch der Sicherheitsaspekt. Jede Öffnung des Produktionsnetzwerkes ist unweigerlich auch ein Angriffsvektor für Hacker oder eine Quelle für versehentliche Fehlbedienungen. So wurde auf der Fachtagung 'Industrie 4.0' am 25.01.2017 in einer Live-Vorführung ein Industrieroboter in einem Forschungslabor innerhalb von 20 Minuten mittels einer ungesicherten Webcam und unter Ausnutzung einiger Bugs in einem Router gehackt.
Zur Lösung dieser Probleme bietet sich eine modulare Architektur an, die Daten sammelt, verdichtet und zusammenführt, ohne die Änderungen oder Entwicklung auf der Steuerung zu verlangen. Im April letzten Jahres stellte Harting zu diesem Zweck die Modulare Industrie Computer Architektur (MICA) vor, die sicher verpackt nach IP67 EN50155 und damit staub-, wasser-, temperatur-, und vibrationsgeschützt, vier wichtige Funktionen vereint: Sie ist Übersetzer von IT-Befehlen zu Maschinenbefehlen, Datensammler und Analyst sowie Kommunikator mit übergeordnete Softwaresystemen im Unternehmen, beispielsweise SAP bis zur Maschine.
Harting Deutschland GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in Embedded Design 2 2017 - 07.03.17.Für weitere Artikel besuchen Sie www.embedded-design.net
