Ausschleusen von Sensor- und Aktordaten aus der Feldebene und 'Überbrückung' der Signalhierarchie der klassischen Automatisierungspyramide.

Ausschleusen von Sensor- und Aktordaten aus der Feldebene und ‚Überbrückung‘ der Signalhierarchie der klassischen Automatisierungspyramide. Pepperl+Fuchs

Die Transformation von den linear-getakteten Produktionsprozessen der Industrie 3.0 hin zur bedarfsgerechten Verarbeitung im Sinne von Industrie 4.0 benötigt nicht nur technische Komponenten, sondern vielmehr auch ein Umdenken in der Systemarchitektur. Denn mit der Individualisierung von Produkten steigen die Anforderungen an die Wandlungsfähigkeit der Produktion. Dementsprechend müssen sich Maschinenfunktionen einfach an wechselnde Losgrößen anpassen lassen; die ursprünglich eher statischen zu agilen Applikationen wandeln. Diese Transformation kann durch eine geschickte Verschränkung von realen Maschinenkomponenten mit digitalen Analyse- und Steuerungsprozessen gelingen. Die besondere Herausforderung besteht darin, solche agilen Prozesse mit wenig Aufwand auch in bestehende Produk­tionsanlagen zu integrieren.

Eine wichtige Maßnahme hierzu ist, die hierarchische Informationsverarbeitung der klassischen Automatisierung zu Gunsten einer vernetzten Struktur der Prozessteilnehmer aufzubrechen. Nur so sind Zugänge auf den unterschiedlichen Ebenen der Automatisierungspyramide realisierbar, um Daten auszuschleusen und direkt an höhere oder externe Informationssysteme übermitteln zu können. Auf der Softwareseite gilt es, die bisher strikt getrennten Welten der Produktions-, Produkt- und Unternehmens-IT zusammenzuführen. Dies ist der Kern von Industrie 4.0: Das Zusammenwachsen unterschiedlicher Domänen und deren Vernetzung über alle Ebenen, die ausdrücklich nicht an den Unternehmensgrenzen Halt macht, sondern Kunden, Lieferanten und Partner mit einbezieht.

Industrie 4.0 braucht agile Software

Diese Anforderungen an Applikationen lassen sich mit klassischen, monolithischen Software-Applikationen nicht mehr umsetzen. Vielmehr braucht es agile Entwicklungsmethoden sowie eine modulare, servicebasierte IT-Architektur. Solche IT-Architekturen schaffen keine neuen IT-Silos, sondern nutzen bestehende Standardservices wie eine Kunden- und Asset-Verwaltung und kombinieren diese mit neuen Services wie der Vorhersage von Ausfallwahrscheinlichkeiten. Diese zusätzlichen Services können auch als Cloud-Service implementiert oder von Partnern bezogen werden und sind schnell in eigene Applikationen integrierbar.

Eine der Ansichten in der IoT-Business-Plattform ...

Eine der Ansichten in der IoT-Business-Plattform … Pepperl+Fuchs

Mit Software-Plattformen wie der ‚Digital Business Platform‘ der Software AG lassen sich solche Szenarien realisieren. Kern dieser Lösung ist ein eventbasierter Enterprise Service Bus beziehungsweise Manufacturing Service Bus. Dieser ermöglicht eine kontrollierte, sichere und skalierbare Verbindung der verschiedensten IT-, Produktions- und Produkt-Systeme, auch über Unternehmensgrenzen hinweg. Solche Plattformen bieten die Möglichkeit, auf Daten in dem Augenblick zu reagieren, in dem sie entstehen. Dies umfasst das Anreichern durch Stammdaten (Data in Rest) und Verknüpfen mit weiteren aktuellen Daten (Data in Motion), um so aus Daten Informationen zu machen. Diese Informationen können dann visualisiert werden beziehungsweise Geschäftsprozesse auslösen.

Der Vorteil solcher Software-Plattformen besteht darin, dass sie Grundfunktionen wie die Anbindung von Sensoren, Maschinen, Anlagen oder IT-Systemen oder das Automatisieren von Geschäftsprozessen bereits implementiert haben. Daher kann sich der Anwender auf die mehrwertstiftende Geschäftslogik konzentrieren. Es entsteht eine neue Infrastruktur von Wartungs-, Sicherheits- sowie Ver- und Entsorgungsdiensten, welche auf der einen Seite den Betreiber von Maschinen und Anlagen entlasten und auf der anderen Seite Potenziale für eine Dienstleistungsökonomie im industriellen Sektor schaffen.

Zugang zu Maschinendaten

 ... beziehungsweise auf dem Tablet.

… beziehungsweise auf dem Tablet. Pepperl+Fuchs

Einen Zugang zu Daten auf der untersten Ebene des Produktionsprozesses und deren direkte Verarbeitung in Mehrwertdiensten, zeigt der Demonstrator von Pepperl+Fuchs und der Software AG. Realisiert wurde eine Lösung für vorausschauende und planbare Maschinenwartung, die auf Basis weniger Sensor- und Aktordaten vollzogen werden kann. Voraussetzung ist ein leicht integrierbarer Zugang zu diesen Daten über das Smart-Bridge-Interface von Pepperl+Fuchs.

Smart Bridge schleust Daten aus Sensoren und Aktoren rückwirkungsfrei aus dem Steuerungsregelkreis aus. Dieses Datenteiler-Prinzip basiert auf dem IO-Link-Protokoll (IEC 61131-9), dessen Datenstruktur sowohl zyklische Prozessdaten als auch azyklische Zustands- oder Parameterdaten vorsieht. Das Interface greift die vom Sensor oder Aktor kommenden Prozessdaten ab und emuliert den für die Maschinensteuerung bestimmten Zustandswert. Die Prozesswerte wie auch die azyklischen Zustands- und Parameterdaten des IO-Link-Device werden vom Interface per Funk an eine Gegenstelle übertragen. Als Funkschnittstelle ist Blue­tooth LE (Low Energy) implementiert. Daher kann der Empfänger ein Bluetooth-Ethernet-Gateway oder jedes handelsübliche Tablet sein. Im ersten Fall, ermöglicht das Smart-Bridge-Interface einen direkten Transfer der Sensor- und Aktordaten ins Internet. Das Interface wird über M12-Steckverbinder in die Sensor/Aktorleitung eingefügt und versorgt sich über die Zuleitung. Falls der Bluetooth-Empfänger ein Mobilgerät ist, ermöglicht die Smart Bridge-App eine übersichtliche und einfache Parametrierung des entsprechenden IO-Link-Geräts.

Business-Logik in Aktion

Der Demonstrator stellt zwei vereinfachte, pneumatische Maschinen nach, die aus je einem Druckluftmotor sowie einem zugehörigen Regelventil bestehen. Über das Regelventil lässt sich die Drehzahl der Motoren steuern. Eine der Motor-Ventil-Einheiten kann per Mobilgeräte-App vor Ort gesteuert werden. Diese zeigt in Verbindung mit dem IO-Link-Sensor die aktuelle Motordrehzahl an und ermöglicht die Änderung der Ventilstellung per App und damit der Drehzahl.

Bei der zweiten Motor-Ventil-Einheit sind beide Komponenten über je ein Smart-Bridge-Interface und ein Gateway über Internet an die Digital-Business-Plattform der Software AG angeschlossen. Diese visualisiert alle Sensordaten in einem Dashboard, sowohl die aktuelle Motordrehzahl als auch die Stellung des Pneumatik-Ventils. Eine einfache mathematische Funktion (Verhältnis von Motordrehzahl zu Ventilstellung) berechnet eine Diagnose-Kennzahl für den ungestörten Betrieb der Maschine. Reduziert sich zum Beispiel die Motordrehzahl trotz gleichbleibender Ventilstellung, lässt das auf eine Störung oder Verschleiß im mechanischen System schließen. Über die Anzeige des aktuellen Zustands hinaus, kann das System auch adaptiv auf den neuen Zustand reagieren, etwa die Stellgröße am Regelventil reduzieren, was eine geringere Motordrehzahl zur Folge hat. Die geringere Motorlast entlastet das gesamte mechanische System. So kann die übergeordnete Plattform entsprechend vorgegebener Regeln autonom in das System eingreifen, um aktiv die Laufzeit bis zur nächstmöglichen Reparatur oder planmäßigen Wartung zu verlängern.

Interview mit Dr. Peter Adolphs, Geschäftsführer Entwicklung und Marketing bei Pepperl+Fuchs

„Die Kooperation mit der Software AG war unser Einstieg ins Thema. Im zweiten Schritt folgt jetzt die Kopplung an SAP Hana und an eine Portal-Lösung.“ Dr. Peter Adolphs, Pepperl+Fuchs

„Die Kooperation mit der Software AG war unser Einstieg ins Thema. Im zweiten Schritt folgt jetzt die Kopplung an SAP Hana und an eine Portal-Lösung.“ Dr. Peter Adolphs, Pepperl+Fuchs Pepperl+Fuchs

Herr Dr. Adolphs, bei ihrem Kooperationsprojekt wird die Business-Logik in der IT verschaltet. Wie aufwendig ist so eine Implementierung in der IT-Umgebung?

Der Ansatz von Industrie 4.0 ist ja die direkte Vernetzung der Feldgeräte mit der Cloud. Damit reduziert sich die Hardware-Integration auf die Anbindung ans Web. Steht diese Verbindung, ist die Integration eine reine IT-Aufgabe in der Cloud. Dabei hängt der Aufwand sicherlich primär von der gewünschten Funktionalität und vor allem der Qualität der genutzten Software-Tools ab. Verglichen mit herkömmlichen Ansätzen ist eine solche Integration aber deutlich weniger aufwendig.

Das Prozess-Know-how, etwa für die Fehlererkennung, liegt selten bei der IT. Sollten die Mitarbeiter in der Produktion nicht auch solche Services programmieren können?

Selbstverständlich ist die Fehlerfrüherkennung zunächst einmal eine Aufgabe, die detailliertes Know-how über Prozess und Sensor verlangt. Daran ändert auch Industrie 4.0 nichts. Aber in einer Cloud-Umgebung lassen sich komplexe Algorithmen mit der dort vorhandenen Rechenleistung und den zur Verfügung stehenden Analyse-Tools sehr viel leichter umsetzen als auf klassischer Steuerungstechnik. Das bedingt aber auch, dass Anwender mehr Verständnis für die Möglichkeiten von Software-Lösungen mitbringen müssen. Das wird in Zukunft eine zentrale Anforderung an viele Arbeitsplätze sein.

Braucht es immer den direkten Datenabgriff am Sensor oder Aktor? Über IO-Link stehen viele Informationen doch auch in der Steuerung oder der Maschinenvisualisierung zur Verfügung.

Im Grunde genommen ist es unwichtig, ob die Sensordaten direkt in die Cloud gelangen oder über den Umweg SPS und/oder MES. Die Erfahrung zeigt, dass es insbesondere bei der Nachrüstung von Anlagen sehr viel einfacher ist, die Sensordaten direkt abzugreifen. Die Steuerungsprogramme bleiben dann unverändert und das Risiko sinkt, dass die Maschinenperformance negativ beeinflusst wird. Dieses umsichtige Vorgehen schätzen viele Anwender.

Ließen sich auch IO-Link-Master als Gateway nutzen?

Das ist schon fast eine philosophische Frage. SmartBridge ist funktional gesehen ein IO-Link-Master für den angeschlossenen Sensor. Gegenüber der Steuerung verhält es sich wiederum wie ein Slave. Deswegen können wir unsere SmartBridge-Module auch in eine Sensorleitung einschleifen, ohne die Kommunikation zwischen Sensor und Steuerung zu stören.

Gibt es zur Hannover Messe eine weitere Ausbaustufe des Demonstrators?

Wir bringen drei Beispiele: Neben der Kooperation mit der Software AG demonstrieren wir die Sensorintegration in die Hana Cloud der SAP AG. Das dritte Exponat haben wir mit einem Start-up realisiert. Basierend auf deren Technologie zeigen wir, wie man individualisierte Überwachungs- und Auswertefunktionen standortübergreifend realisieren kann.