Die vernetzte Produktion macht Anlagen wirtschaftlicher, effektiver, schneller und sicherer.

Die vernetzte Produktion macht Anlagen wirtschaftlicher, effektiver, schneller und sicherer. (Bild: Heitec)

Anlagen wirtschaftlicher, effektiver, schneller, sicherer und demzufolge wettbewerbsfähiger zu machen ist das Ziel der digitalen Transformation in der Automatisierung. Bei einer Neuanschaffung können Überlegungen hinsichtlich Sensorik, Konnektivität, Echtzeit-Datenverarbeitung, Visualisierung, M2H (Machine-to-Human) und Anbindung an die Cloud bereits von Anfang an in die Planung mit einfließen. Anders sieht das bei vorhandenen Anlagen aus. Nicht selten scheuen die Anlagenbetreiber den risikobehafteten technischen, zeitlichen und finanziellen Aufwand, der mit einer Modernisierung einhergeht. Oder sie sind unschlüssig, wo sie ansetzen und Interoperabilität zwischen den verschiedenen Elementen von Feldebene und Informationstechnologie herstellen sollen.

Mit Retrofit vorhandenen Maschinenpark in das digitale Zeitalter führen

Ein Retrofit ermöglicht es, diesen Schritt - mit geringeren Kosten und Risiken - zu vereinfachen, bestehende Investitionen zu wahren und den vorhandenen Maschinenpark in das digitale Zeitalter zu führen. Voraussetzung ist ein Anbindungsprozess, der die verschiedenen, unter Umständen sehr heterogenen Gerätetypen miteinander vernetzt.

Dieser Prozess rüstet vorhandene Geräte mit Sensoren aus, um direkt vor Ort Betriebsdaten zu sammeln. Es stellt sich jedoch nicht nur die Frage, wie Computersysteme und Anlagen zu verbinden und zu steuern sind, sondern auch wie die gesammelten Datenmengen sinnvoll weiterverwendet werden können. Fortschrittliches IIoT (Industrial Internet of Things) zeichnet sich dadurch aus, dass Daten sofort an der Edge in Echtzeit erfasst und verarbeitet werden. In einem zweiten Schritt müssen diese Daten für weiterführende Maßnahmen zur Verfügung stehen. Auf der einen Seite ist also Rechenleistung für die Datensammlung und -verarbeitung notwendig, auf der anderen Seite passende, verlässliche Konnektivität für den Datentransfer in die Cloud bei großen Datenmengen, um Latenzzeiten und hohe Kosten zu umgehen.

Um diese unterschiedlichen Anforderungen zu erfüllen, hat Heitec für ein Unternehmen ein multifunktionelles Gateway entwickelt, das als Interface eingesetzt werden kann. Bei dem Projekt wurde das komplette Design der Mechanik, Hardware und Elektronik gemäß Anwenderwunsch umgesetzt. Das Gateway kombiniert diese Aufgaben so, dass ein Retrofit ohne großen Aufwand möglich ist und veraltete Anlagen, angepasst an den individuellen Bedarf, digitalisiert werden können.

Zunächst jedoch musste die System-Mechanik für den Einsatz in rauen industriellen Umgebungen gerüstet werden. Da der IPC in der Nähe großer Maschinen aufgestellt wird, wurde er gemäß DIN EN 60068-2-6 sowie DIN EN 60068-2-27 vibrations- bzw. schockresistent designt.

Mit modularer Systemtechnik vom Sensor zur Cloud.
Mit modularer Systemtechnik vom Sensor zur Cloud. (Bild: Heitec)

Gateway ermöglicht skalierbare Retrofit-Lösungen

Ein anwenderspezifisch designtes Gateway ermöglicht skalierbare Retrofit-Lösungen. Mit seinem modularen, auf Standards basierenden Konzept passt es sich an unterschiedliche Anforderungen, Geräte und Applikationen an. Die Hardware- und Software-Architektur, die für eine Smart Factory nötig ist, wurde so in einer All-in-one-Komplettlösung implementiert, die gleichzeitig als Steuereinheit, Gateway und Ausgabeeinheit dient. Statt parzellierte Einheiten zu administrieren, können Anlagenbetreiber Daten zentral managen und weiterverwenden. Das System liefert dazu die erforderliche Rechenleistung und Netzstabilität in einem kompakten Format. Die Anbindung an die Cloud ermöglicht die Verarbeitung großer Datenmengen, wie sie für Industrie 4.0 typisch sind.

Eine Störung der umgebenden Hardware wurde mittels einer IEC-Zertifizierung (International Electrotechnical Commission) ausgeschlossen. Elektromagnetische Immunität nach EN 61000-4-2/3/4/6/8 sowie elektromagnetische Interferenzgrenzen, wie in EN 55016-21/3 definiert, wurden in umfangreichen Tests nachgewiesen und ebenso erreicht wie RoHS-Konformität. Neben der EMV galt es verstärkt auf die Isolierung der Signale und Kanäle für einen definierten Stromverbrauch zu achten.

Integriertes Display als Benutzeroberfläche

Das System mit einem Gewicht von 1,5 kg ist für die Hutschienenmontage geeignet. Die Abmessungen betragen 222 mm × 122 mm × 82 mm. Weiterhin mussten die Stecker so robust ausgelegt werden, dass 10.000 Steckzyklen pro Slot erreicht werden, und sie für erhöhte Wartungsfreundlichkeit gut zugänglich bleiben. Ein integriertes Display als Benutzeroberfläche sorgt für eine gute Bedienerfreundlichkeit.

Die Vorderseite wurde dem Corporate Design des Auftraggebers entsprechend umgesetzt. Das robuste Gehäuse des Industrie-PCs aus gebürstetem, farblos passiviertem Edelstahl hält etwaigem korrosivem Umfeld stand.

Elektronik aus Standardkomponenten

Um die geforderte Doppelrolle zuverlässig auszufüllen, wurde die eingesetzte Elektronik skalierbar ausgelegt und besteht überwiegend aus Standardkomponenten. Die angestrebte funktionelle Vielseitigkeit als Steuerung, Kontrollsystem und IIoT-Device wird nun durch ein SoC (System-on-Chip) als zentrale Recheneinheit ermöglicht, das sowohl einen Dual-Core- ARM-Cortex-Prozessor als auch ein Xilinx-FPGA (Field Programmable Gate Array) mit integriertem 64 MB QSPI Flash-Speicher und bis zu 1 GB DDR3L SDRAM enthält.

Diese Architektur bietet eine hohe Integrationsdichte und eine umfangreiche Funktionalität bei geringem Energieverbrauch in kleinem Formfaktor. Den verschiedenen Hard-IP-Cores des FPGA werden unterschiedliche Aufgaben und Parameter zugeordnet. Durch die Belegung seiner Ein- und Ausgänge fungiert es als High-Speed-Interface und analoge, digitale sowie mixed Signaldaten können kombiniert verarbeitet werden. Die Prozesse im Shopfloor werden in Echtzeit gepuffert und gesteuert.

Das multifunktionelle Gateway für den Einsatz in rauer industrieller Umgebung für skalierbare Retrofit-Lösungen.
Das multifunktionelle Gateway für den Einsatz in rauer industrieller Umgebung und skalierbare Retrofit-Lösungen. (Bild: Heitec)

Das System unterstützt eine Vielzahl von Kommunikations-Protokollen, erlaubt die Verbindung zu verschiedenen Cloud-Plattformen wie beispielsweise Amazon AWS, Microsoft Azure u. a. sowie die Anbindung an das MES (Manufacturing Execution Systems) am Einsatzort. Die acht Sensor-Ports bzw. die jeweils 16 digitalen Ein- und Ausgänge sind anwendungsspezifisch frei nutzbar und lassen sich in bestehende Systeme einbetten. Zudem unterstützt der IPC mehrere Kommunikationsschnittstellen sowie verschiedene Feldbusse wie Profibus, Profinet, Sercos, u. a. für die High-Speed-Kommunikation.

Standardisierte, herstellerunabhängige Netzwerktechnologie

Eine stabile Ethernet-Verbindung sorgt dafür, dass die großen Datenmengen zuverlässig zu bewältigen sind. Die verbaute standardisierte und damit herstellerunabhängige Netzwerktechnologie bildet eine solide Basis, universelle Einsatzmöglichkeiten und Vernetzung aller erforderlicher Geräte inklusive der Peripherie.

Modularität und Flexibilität sind nicht nur durch die Prozessorarchitektur und die Funktion als Gateway gegeben, sondern auch durch die Update-Möglichkeiten: Die vier verbauten analogen Interface-Module können gegen andere Boards getauscht werden, um z. B. mit den Leistungsanforderungen mitzuwachsen. Die Boards bieten die Option der individuellen Belegung, d. h. es wird lediglich der Platz verwendet, der auch wirklich benötigt wird. Aktuell können Strom, Spannung und IEPE (piezoelektrische Sensorik) überwacht werden. Auch der Speicher ist bei Bedarf erweiterbar. Das System läuft mit Linux-basiertem Betriebssystem und wird über eine 24-VDC-Stromversorgung betrieben.

Flexibilität durch die Prozessorarchitektur und die vier verbauten analogen Interface-Module: Architektur, die mit den Anforderungen mitwächst.
Flexibilität durch die Prozessorarchitektur und die vier verbauten analogen Interface-Module: Architektur, die mit den Anforderungen mitwächst. (Bild: Heitec)

Das Ergebnis von technologischen Lösungen, die eine solche Doppelrolle erfüllen können, sind verbesserte Prozesse, permanente Anlagenkontrolle und Zugang zu wichtigen Daten.  Das von Heitec entwickelte Gateway bietet das dazu erforderliche Echtzeitverhalten, die nötige Präzision und Flexibilität. Daraus ergeben sich Analysemöglichkeiten und eine automatisierte Datensynchronisation. Neben neuen Wegen für die Produktionssteuerung, die Ressourcenplanung, die vorausschauende Instandhaltung und Fernwartung gewähren sie die Sicherheit, auch künftige Herausforderungen zu bewältigen. Etwa, wenn die Anlage durch zusätzliche Maschinen erweitert werden soll oder die technologische Entwicklung eine Leistungssteigerung ermöglichen sollte. (neu)

 

Autor

Autor Sebastian Schenk

Sebastian Schenk ist Produkt Manager, Geschäftsgebiet Elektronik bei Heitec.

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