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(Bild: Hilscher)

Das Wesentliche in 20 Sek.

  • Industrie 4.0 braucht vertikale Kommunikation
  • Rückwirkungen auf die SPS darf es nicht geben
  • OPC UA und TSN
    sind die Schlüssel
  • Verschiedene Lösungen
    werden nebeneinander
    koexistieren
  • Edge-Gateways übernehmen die Rolle des Enablers
  • Gerätehersteller brauchen
    native TSN-Lösung

Die industrielle Kommunikation findet auf zwei Ebenen statt, die weitgehend parallel existierten: Im Bürobereich verlight
netzt die Informationstechnologie (IT) Server, Desktop-Rechner und Notebooks über Ethernet-basierte LAN- und WLAN-Netze.

Dagegen geben in der Operational Technology (OT) Feldbus- und Realtime Ethernet-Systeme den Ton an. Sie verbinden die Feldgeräte mit Steuerungen, die wiederum über Industrial Ethernet mit den Scada- und Prozessleitsystemen kommunizieren.

Für die Umsetzung von Industrie 4.0 ist es allerdings notwendig, IT und OT zu vereinen. Hier gilt das Referenz-Architekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) als Basis für eine künftige industrielle Kommuni­kationsstruktur, die IT und OT zu einem integrierten Gesamtmodell vereint. Ein Bestandteil davon ist die Kommunikationsebene. Sie stellt das entscheidende Bindeglied dar zwischen der physikalischen Feldebene und der darüberliegenden Informationsebene. Eines der Ziele dieser Referenzarchitektur ist eine ganzheitliche Kommunikations-Infrastruktur, die vom einzelnen Feldgerät bis in die Cloud reicht. Das Internet of Things (IoT) zieht damit in die Industrie ein, IT und OT verschmelzen, Systeme werden so auch frei von räumlichen Grenzen.

OPC UA (OPC Unified Architecture) und TSN (Time Sensitive Networking) gelten dabei als zukünftige Standard-Technologien. Sie setzen nahtlos auf die vorhandenen Kommunikations-Infrastrukturen auf und ermöglichen eine zusätzliche vertikale Kommunikation, die neue Anwendungen erschließt.

Bewährte Technik mit neuen Fähigkeiten

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Drei Wege führen in die IT-Welt Hilscher

Die industrielle Kommunikation der Zukunft verlangt nicht nur eine erheblich höhere Bandbreite – und damit den Einsatz von Gigabit-Ethernet. Die Kommunikations­infrastruktur muss auch eine hohe Servicequalität bieten, um die Industrie 4.0-Zielsetzungen zu ermöglichen.

OPC UA TSN ist hier das Zauberwort, das die Vergangenheit mit der Zukunft verbindet: Durch TSN wird der gute alte Ethernet-Standard ertüchtigt, die erhöhten Anforderungen an geringe Latenz, garantierte Zykluszeiten und verbesserte  Zuverlässigkeit zu erfüllen. Und OPC UA ermöglicht eine durchgängige Semantik von den Feldgeräten bis in die virtuellen Beschreibungen.
Parallel dazu läuft im Bereich des Industrial WLAN die Weiterentwicklung des Standards IEC 62948, um die Latenz und Zuverlässigkeit der drahtlosen Übertragung sicherzustellen. Beides ist für eine Echtzeit-Kommunikation auf der Ebene von Maschinen oder Produktionszellen Voraussetzung.

OPC UA fügt ein Informationsmodel hinzu, welches die bisherige Geräte-spezifische Interpretation der Bits und Bytes überwindet. Hinzu kommt eine Kommunikationsinfrastruktur zum Austauschen und Browsen der Informationen. Zusätzlich beinhaltet es ein Security System gemäß den aufkommenden Standards wie die IEC 62443.

Alte Kommunikationswelt mit der Neuen verbinden

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netX SoC als igrationspfad Hilscher

Die Kombination von TSN und OPC UA führt zu einer nahtlosen Konvergenz mit den bestehenden TCP/IP-basierten Kommunikationsnetzen wie Profinet, Ethernet/IP oder auch Ethercat. Denn OPC UA mit TSN ist kompatibel mit der weltweit bewährten und extrem robusten Ethernet-Technologie, für die es bereits ein breites Hard- und Software-Ökosystem gibt.

Die Ergänzung der gängigen Realtime Ethernet-Systeme mit TSN-Funktionalität erlaubt eine direkte und taktsynchrone horizontale Kommunikation zwischen den Controllern unterschiedlicher Maschinen oder Produktionszellen. Darüber hinaus ermöglicht die entsprechend ausgestattete TCP/IP-Internet-Kommunikation erstmals eine zusätzliche vertikale Kommunikationsebene, welche die Informationen einzelner Komponenten eines Produk­tionssystems über das vorhandene Unternehmensnetzwerk zur Verfügung stellen kann – lokal, regional oder auch global.

Man kann davon ausgehen, dass mithilfe von OPC UA TSN über die vorhandenen Netzwerkstrukturen sowohl vertikale als auch horizontale Informationsströme fließen werden. Und das bei minimaler Latenz, maximaler Bandbreite, hoher Servicequalität und insgesamt robuster Funktionalität.

3 Szenarien für die Cloud-Anbindung

Cloud-Anbindung: Heutige Standardisierung zeigt den Weg auf

Die Hilscher Gesellschaft für System­automation mbH in Hattersheim hat bereits früh die Ansätze der vierten industriellen Revolution erkannt und mit seiner Gesamtlösung netIOT die für eine Industrial Cloud Communication erforderlichen Technologien entwickelt, die alle wesentlichen Kommunikationsszenarien abbilden, im Kern drei Szenarien:

Brownfield-Anbindung: Bei vielen Fertigunganlagen besteht die Kernaufgabe darin, die zusätzlichen vertikalen Informationen parallel und ohne irgendwelche Auswirkungen auf die übrigen Echtzeit-Ethernet-Daten im Produktionsbereich in die Cloud/IT zu übertragen. Realisierbar ist dies über den nicht-echtzeitfähigen Übertragungskanal, den beispielsweise Profinet oder Ethernet/IP bereitstellen. Auf diesem kann die OPC UA Kommunikation stattfinden. Hierfür eignet sich das Edge Gateway. Dessen OPC UA Server  kennt die Topologie der Anlage und kann ein entsprechendes Informationsmodell erstellen. das dann der übergeordnenten IT/Cloud zur Verfügung stellen.

Das netIOT Edge-Gateway sorgt dabei für die Verbindung zwischen dem Produktionsnetzwerk und dem IT-Netzwerk bis in die Cloud; es kann aber auch weitere Funktionen übernehmen. Beispielsweise lassen sich über das Rollenmanagement die Administrationsrechte und die für einzelne Nutzergruppen vordefinierten Funktionen einschränken. Besonders hervorzuheben ist der passive Mode, in dem das Edge Gateway rückwirkungsfrei, das heißt ohne Änderungen an der SPS, Daten wie ein Sniffer mitliest.

Der integrierte Edge Server versteht die Protokolle der Real-Time-Ethernet-Systeme und kann über azyklische Dienste die Geräte identifizieren und für ein Asset Management in die Cloud melden. Hilscher verfolgt hier eine Multi-Cloud-Strategie und unterstützt aktuell die Cloud- Plattformen Bluemix von IBM, SAP Cloud Platform sowie Microsoft Azure.

Diese Informationen sind nicht nur über LAN oder eine IT/Cloud verfügbar; die Bluetooth- und WLAN-Schnittstellen der Edge Gateways erlauben auch die Nutzung von Anwendungen auf Smartphones, Tablets oder Notebooks.

Heterogene Produktionsanlagen: Das zweite Szenario adressiert Produktionsstätten mit einem Maschinenpark, der mit verschiedenen Steuerungen und Ethernet-Systemen automatisiert wurde. Die Steuerungen kommunizieren in der Regel mit den Feldgeräten jeweils über eins der etablierten Echtzeit-System (Profinet, Ethernet/IP oder Ethercat). Wenn diese Steuerungen bereits über einen OPC UA Server und eine Firewall verfügen, steht einer Cloud-Anbindung eigentlich nichts mehr im Wege. Mitunter sind diese SPS-basierten Steuerungen aber nicht für die Weiterleitung großer Datenmengen geeignet. Häufig muss in deren Ablaufprogrammierung eingegriffen werden, wenn zusätzliche Informationen in der Cloud bereitstehen sollen, was nicht immer möglich oder seitens des Anlagenbetreibers sehr oft nicht erlaubt ist.

Deshalb bietet sich dieses Szenario (SPS mit OPC UA-Server und Cloud-Connectivity) vor allem bei Serienmaschinen und Produktionsanlagen an, die der Betreiber nachprogrammieren kann.
Ein Maschinenlieferant definiert und regelt den Umfang der zu übertragenden Informationen bereits vor der Auslieferung. Das erprobte Zusammenspiel von SPS und bewährtem Echtzeitkommunikationssysteme für Industrie-4.0-Anwendungen spielt hier seine Stärken aus.

Greenfield ohne Grenzen: Im dritten Szenario erfolgt die Übertragung der Daten von Sensoren, Aktoren und anderen Feldgeräten direkt mithilfe von OPC UA TSN. Dabei bleibt die SPS einfach außen vor und die Gerätedaten stehen direkt über eine TCP/IP Ethernet-Infrastruktur zur Verfügung. Allerdings bedingt dies die Integration von OPC UA TSN in die Feldgeräte. Dies sollten Geräteanbieter bei der Entwicklung einer neuen Gerätegeneration auf jeden Fall in Betracht ziehen. Standards wie IO-Link ermöglichen auch die Anbindung von Kosten-sensitiven Feldgeräten ohne auf die Vorteile der semantischen Beschreibungen verzichten zu müssen.

Hier liegt der Wert von OPC UA TSN: Gerätehersteller können auf einem einzigen Technologie-Stack aufsetzen und sich durch die vertikale Kommunikation in die IT/Cloud hinein neue Applikationen und Geschäftsfelder erschließen.

Beide Szenarien, Neuinstallationen wie auch Legacy-Steuerungen mit Realtime Ethernet-Systemen, lassen sich mit einem netIOT Edge-Gateway verwirklichen. Es nimmt die gesamte IoT-Kommunikation aus der Feldebene auf und bildet sie im übergeordneten Ethernet-Netzwerk ab. Das erlaubt eine direkte Nutzung der Gerätedaten im MES- oder ERP-System des Unternehmens, etwa für Analyse­aufgaben oder auch für die Anlagen­wartung. Darüber hinaus ist der direkte Zugriff auf die Gerätedaten über mobile Geräte möglich.

Koexistenz auf dem Weg zu Industrie 4.0 sichergestellt

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Vertikale Integration vom Feldgerät zum Digitalen Zwilling Hilscher

Hilscher verfügt über langjährige Erfahrung mit Konnektivitätslösungen für alle gängigen Protokolle im Produktions­bereich. Der netX-Chip erlaubt beispielsweise die einfache Einbindung jedes Geräts in eine bestehende Systemumgebung, indem Kommunikation und die Firmware Applikation des Gerätes auf dem netX-Chip klar getrennt sind.

Der Vorteil: Hardware-Hersteller brauchen sich keine Gedanken über die Implementierung unterschiedlicher Technologien zu machen. Es muss lediglich das erforderliche Protokoll in das Gerät integriert werden. Bei ausreichendem Speicher und einem entsprechenden Funktionsumfang lässt sich sogar OPC UA TSN in vorhandene Lösungen per Software nachrüsten. Dabei bleibt die Übertragungsrate auf 100 MBit beschränkt, was für zeitunkritische Informationen oft ausreichend ist.

Das Gerät lässt sich dann ohne Belastung der Steuerung über die TCP/IP-Umgebung ansprechen. Damit ist der Weg frei für ein Datenmanagement direkt über die in einem Automationssystem ohnehin vorhandene Netzwerk-Infrastruktur oder die Cloud. Und das ist genau das, was die Industrie 4.0-Zukunft verlangt.

Daten bleiben im Haus: Gateway mit Cloud-Diensten

Eine Kernforderung im Produktions­bereich ist die maximale Verfügbarkeit aller Geräte, Maschinen und Anlagen. Das Schlüsselwort dazu heißt vorausschauende Wartung. In Verbindung mit Asset Management Systemen kann man dann direkt entsprechende Geschäftsprozesse auslösen, etwa die Anforderung von Ersatzteilen und die Generierung des Serviceauftrags. Darüber hinaus können drohende Probleme im Rahmen einer routinemäßigen Wartung behoben werden. So bleibt die Produktivität auf hohem Niveau und Anlagenstillstände werden zur seltenen Ausnahme. Die Standardisierungen im Feldbus, im Informationsmodell von OPC UA für Feldgeräte bis hin zu den Vereinheitlichungen der Verwaltungsschale bilden die Basis für eine vertikal durchgängige semantische Beschreibung.

Die für solche Use-Cases notwendigen Daten kann das netIOT Edge-Gateway herausfiltern und das Datenaufkommen reduzieren. Alternativ dazu können über das eingebaute Docker-Framework die entsprechenden Algorithmen zur Erkennung eines drohenden Ausfalls direkt auf die Daten zugreifen. Der Clou dabei: Die Ausfallvorhersage findet direkt im Edge-Gateway statt. Es muss also keine weitere kostenintensive Infrastruktur zur Datenauswertung geschaffen werden und die wertvollen Prozessdaten verlassen nicht die Anlage.

Herausforderung Industrie 4.0 meistern

Mit OPC UA TSN bietet sich ein Migrationsweg an, der auf den seit vielen Jahren bewährten Feldbustechnologien aufsetzt und völlig neue Anwendungen in der vertikalen Kommunikation ermöglicht.

Hans Jürgen Hilscher

ist Geschäftsführer der Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH in Hattersheim

Armin Pühringer

ist Business Development Manager bei der Firma Hilscher in Hattersheim.

(sk)

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65795 Hattersheim
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