Darstellung von Big-Data-Auswertungen zu Optimierung der Produktionsprozesse in der Fabrikautomatisierung mit dem Leitsystem Aprol (Dashboard).

Darstellung von Big-Data-Auswertungen zu Optimierung der Produktionsprozesse in der Fabrikautomatisierung mit dem Leitsystem Aprol (Dashboard). B&R Bernecker & Rainer

In modernen Produktionen fallen täglich Datenmengen im Giga- oder sogar Terrabyte-Bereich an. Ein einzelner Computer reicht daher schon lange nicht mehr aus, um all diese Daten zu speichern und auszuwerten. Deshalb setzen immer mehr Maschinen- und Anlagenbetreiber auf Datenbanklösungen oder selbst gehostete Clouds, sogenannte Private Clouds. Eine Private Cloud benötigt allerdings ein eigenes Rechenzentrum und IT-Spezialisten, die sich rund um die Uhr um die Verfügbarkeit der Cloud kümmern. Besonders für kleinere und mittelständische Unternehmen ist dieser Aufwand unwirtschaftlich. Deshalb wollen sie die öffentlich zugänglichen Clouds (Public Clouds) großer Anbieter nutzen. Aufgrund des hohen Datenaufkommens und aus sicherheitstechnischen Gründen ist es jedoch nicht ratsam, alle Produktionsdaten ungefiltert in eine öffentliche Cloud zu schicken.

Auf die Schnelle

Das Wesentliche in 20 Sekunden

Das skalierbare Leitsystem Aprol ermöglicht mehrere Systemarchitekturen und deckt damit die zeitlichen Anforderungen an unterschiedliche Aufgabenstellungen ab.

Für die Datenübertragung vom lokalen Leitsystem in das Cloud-Aprol wird das Kommunikationsprotokoll OPC UA verwendet.

Das Aprol-Leitsystem unterstützt das Concurrent Engineering.

In der Cloud kann die komplette Anlage simuliert und virtuell in Betrieb genommen werden.

Produktionsdaten vorverarbeiten und selektiv übermitteln

Unter diesen Umständen bietet es sich an, die Daten vorzuverarbeiten und nur ausgewählte Daten in die Public Cloud zu übermitteln. Bei diesem Vorgehen handelt es sich um das sogenannte Edge-Computing. Mit dem Prozessleitsystem Aprol von B&R lässt sich eine solche Lösung verhältnismäßig einfach einrichten. Dazu wird das Leitsystem in der Produktionsstätte auf einem Industrie-PC eingerichtet; dort werden Daten vorverarbeitet und komprimiert. Eine zweite Installation läuft auf einem virtuellen Computer in der Cloud. Dort können Daten von beliebig vielen Aprol-Leitsystemen gesammelt werden. Ein Unternehmen mit 50 Produktionsstätten weltweit kann problemlos alle wichtigen Daten in einem System aggregieren. Durch die Vorkomprimierung wird das Datenaufkommen reduziert. Zudem lässt sich das System so einstellen, dass sensible Daten nur lokal gespeichert werden, also nicht in die Cloud wandern.

Die Datenübertragung von der lokalen Aprol-Installation in das Cloud-Aprol erfolgt mit dem Kommunikationsprotokoll OPC UA. Die OPC-UA-Datenpakete lassen sich zudem auch über die Queing-Protokolle AMQP und MQTT übertragen.

Die Datenübertragung von der lokalen Aprol-Installation in das Cloud-Aprol erfolgt mit dem Kommunikationsprotokoll OPC UA. Die OPC-UA-Datenpakete lassen sich zudem auch über die Queing-Protokolle AMQP und MQTT übertragen. B&R Bernecker & Rainer

Big Data analysieren – lokal und in der Cloud

In der Cloud lassen sich die eingebauten Analyse- und Reportingtools des Aprol-Leitsystems nutzen, beispielsweise die integrierte Business-Intelligence-Lösung. Damit werden Analysen großer Datenmengen übersichtlich und aggregiert dargestellt und liefern wertvolle Informationen für die Optimierung der Produktion. Die Big-Data-Analysetools der Public-Cloud-Anbieter können die Datenbank natürlich auch auswerten.

Für die Datenübertragung von der lokalen Aprol-Installation in das Cloud-Aprol setzt B&R auf das herstellerunabhängige Kommunikationsprotokoll OPC UA. Um eine problemlose Übertragung auch bei hoher Latenzzeit und schlechter Netzwerkqualität zu garantieren, lassen sich die OPC-UA-Datenpakete auch über die Queing-Protokolle AMQP und MQTT übertragen.

Um auf die Auswertungen des Cloud-Aprols zuzugreifen, stehen die integrierten Interfaces dieses Leitsystems zur Verfügung. Zudem gibt es eine REST-Schnittstelle für den Zugriff auf die Auswertungen der integrierten Business-Intelligence-Lösung. Durch die zentrale Datenhaltung lassen sich alle Informationen weltweit dezentral abrufen.

Datenmengen versus Zeitverhalten (Zeitauflösung): Durch die Dreiteilung in Steuerungssystem, lokale Aprol-Installation und Aprol-Installation in der Cloud stehen für jede Aufgabe Ressourcen zur Verfügung, die die zeitlichen Anforderungen (Reaktionszeiten) erfüllt.

Datenmengen versus Zeitverhalten (Zeitauflösung): Durch die Dreiteilung in Steuerungssystem, lokale Aprol-Installation und Aprol-Installation in der Cloud stehen für jede Aufgabe Ressourcen zur Verfügung, die die zeitlichen Anforderungen (Reaktionszeiten) erfüllt. B&R Bernecker & Rainer

Systemarchitektur für die vernetzte Produktion

Die beschriebene Systemarchitektur deckt alle anfallenden Aufgaben von den zeitlichen Anforderungen einer vernetzten Produktion auf verschiedenen Ebenen bestmöglich ab:

• Steuerungsebene: Auf Steuerungsebene sind Reaktionszeiten und Auflösungen bei der Signalabtastung im Sub-Millisekundenbereich realisierbar, um zum Beispiel mechanische Schwingungen hochpräzise zu erfassen. Daten werden dort nur vorübergehend gespeichert, die Datenmengen bewegen sich im Kilo- oder Megabytebereich.

• Lokales Aprol-PLS: Zur mittelfristigen Archivierung werden die Daten in der lokalen PLS-Installation aufbereitet und gespeichert. Dort sind die Daten für Stunden, Tage oder Monate verfügbar. Je nach Leistungsfähigkeit und Speicherkapazität der verwendeten Hardware reicht die Zeitauflösung bis in den Mikrosekundenbereich. Somit sind Big-Data-Auswertungen von Echtzeitdaten auch direkt im lokalen Aprol-PLS machbar.

• Cloud-Aprol-PLS: Zur Langzeit-Archivierung und für langfristige Big-Data-Analysen werden Daten vorzugsweise aggregiert in die Cloud übertragen. Dort können sie zeitlich unbegrenzt gespeichert werden, auch der Speicherplatz ist nahezu unendlich. Die Zeitachse für diese Vorgänge liegt in der Cloud meist im Minuten- oder sogar im Stundenbereich. Das erklärt auch, wieso es derzeit noch nicht ratsam ist, Steuerungsaufgaben in die Cloud zu verlagern: Die nötigen Reaktionszeiten und auch die Verfügbarkeit werden mit Standardlösungen heute noch nicht zuverlässig erreicht.

Engineering und virtuelle Inbetriebnahme in der Cloud

Die Cloud lässt sich mit dem Aprol-PLS noch für einen weiteren Zweck einsetzen: Das Engineering der PLS-Anwendung lässt sich vollständig in der Cloud umsetzen. Das bietet besonders bei weltweit verteilten Entwicklerteams viele Vorteile. Weil dieses PLS von Haus aus das gleichzeitige, sogenannte Concurrent Engineering, unterstützt, lässt sich die Entwicklungsarbeit auch bei vielen Beteiligten sehr effizient online in einem gemeinsamen Projekt umsetzen.

In der Cloud kann sogar eine komplette virtuelle Anlage in Betrieb genommen werden. Dazu werden neben einem Aprol-Runtime-Server die benötigte Anzahl von Simulations-Controllern und eventuell sogar der gesamte Prozess simuliert. Sämtliche Funktionen und die Lauffähigkeit der Anlage können bei einer virtuellen Inbetriebnahme getestet werden. Das spart sehr viel Zeit und Geld. Negative Überraschungen bei der tatsächlichen Inbetriebnahme nehmen deutlich ab.

Auch wenn ein Umstieg auf eine neue Aprol-Systemsoftware geplant ist, kann das Update in der Cloud getestet werden. Dazu stellt B&R Images bereit, mit denen sämtliche aktuell unterstützten Aprol-Releases in der Cloud innerhalb kurzer Zeit installiert und verwendet werden können. Die Installation des Aprol-PLS in der Cloud ermöglichen somit ein mehrfaches Sparpotenzial: Während des Engineerings, zur Laufzeit und bei der Wartung.

Wichtige Begriffe kurz erklärt

Edge-Computing sieht vor, dass (Prozess-) Daten dezentralisiert vorverarbeitet und zwischengespeichert werden, bevor sie zu einer zentralen Stelle übertragen werden. Dadurch wird das Datenaufkommen reduziert und die Funktionsfähigkeit des Systems auch bei Netzwerkausfällen garantiert. Edge-Computing gilt als eine wichtige Voraussetzung für das Internet der Dinge (IoT).

Aprol ist das Prozessleitsystem von B&R. Im Gegensatz zu herkömmlichen Prozessleitsystemen lässt es sich beliebig skalieren und auch für die Fabrikautomatisierung einsetzen. Mit vorkonfigurierten Paketen lassen sich zum Beispiel ein vollständiges Energie-Monitoring oder ein Condition-Monitoring-System mit wenig Aufwand einrichten.

OPC UA ist ein herstellerunabhängiges Kommunikationsprotokoll für Automatisierungsanwendungen in der Industrie. Es ermöglicht die durchgängige Kommunikation von einzelnen Sensoren und Aktoren bis zum ERP-System oder in die Cloud. Das Protokoll ist plattformunabhängig und verfügt über eingebaute Sicherheitsmechanismen. Weil OPC UA flexibel und vollständig unabhängig ist, wird es als ideales Kommunikationsprotokoll für die Umsetzung von Industrie 4.0 angesehen.

MQTT und AMQP sind sogenannte Queuing-Protokolle. Sie ermöglichen es, Datenpakete zuverlässig zu übertragen, auch wenn die Netzwerkverbindung schlecht oder zeitweise unterbrochen ist. Dazu werden die Datenpakete gegebenenfalls gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt versendet. Andere Protokolle, zum Beispiel OPC UA, können über MQTT und AMQP übertragen werden.