Smarte Retrofit-Strategie für M2M und IIoT

Bei Bestandsmaschinen in Produktionsanlagen scheitert die Digitalisierung häufig an zwar vorhandenen, jedoch veralteten Schnittstellen. Außerdem an fehlenden Sensoren für das Erfassen wichtiger oder relevanter Zustände abseits der Kernfunktion. Abhilfe schaffen hier moderne Gateways. Sie setzen Signale von alten, analogen oder seriellen Schnittstellen in moderne Kommunikationswelten um – zum Beispiel mithilfe moderner Übertragungsprotokolle wie OPC-UA oder MQTT. Hierbei ist allerdings auf verschiedene Rahmenbedingungen zu achten.

Produktionsverantwortliche lieben bereits vollständig abgeschriebene Maschinen, weil hier nur noch die Betriebskosten eine Rolle spielen und die Mechanik für jahrzehntelangen Dauerbetrieb ausgelegt ist. Allerdings kommen die Steuerungen der Maschinen in die Jahre und stellen für die Digitalisierung ein zunehmendes Problem dar. Am ehesten erkennt man das an Schnittstellen, deren Namen junge, eher IT-geprägte Kollegen schon gar nicht mehr kennen. Beispielsweise TTY, GPIB, V.24 oder analoge 1-10-V-Schnittstellen.

Ein weiterer Stolperstein für die Umsetzung der Digitalisierung in Unternehmen: Sensoren zum Überwachen des Betriebszustands, der Materialversorgung oder zur Qualitätsüberwachung der produzierten Teile sollten sich für die vorbeugende Instandhaltung nutzen lassen. Jedoch fehlen Bestandsmaschinen diese Sensoren in der Regel. Genau diese Signale moderner Sensoren sind allerdings unerlässlich, um von handgeschriebenen Zetteln wegzukommen und digitale Prozesse und Maschinen in Unternehmen einzuführen.

Mehr als nur eine Schnittstelle

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Gateways übernehmen die Anbindung

Aktuelle Industrie-Gateways und -Router (Bild 1) schließen diese Lücke, indem sie entsprechende Schnittstellen bereitstellen, um die vorhandenen Datensignale auf moderne Kommunikationsstandards umzusetzen.

In einem Anwendungsfall wurden Antriebe an Förderstrecken mit zusätzlichen Sensoren ausgestattet, mit dem Ziel sich abzeichnende Störungen zu erkennen, bevor es zu ungeplanten Produktionsstillständen kommt. Montiert wurden daher Sensoren für charakteristische Betriebszustände wie Temperatur oder Vibration. Die Energieversorgung für die Sensoren stellt an Antrieben kein Problem dar, die datentechnische Anbindung erfolgt zudem drahtlos. Ein Wireless Gateway sammelt die Signale mehrerer Sensoren und gibt diese via LAN-Kabel an den sowohl als Gateway als auch als Router genutzten RUT241 LTE-Router des Herstellers Teltonika weiter. Dank seiner hohen internen Rechenleistung übernimmt dieser zudem das Vorverarbeiten und Filtern der aufgenommenen Signale.

Die aufbereiteten Daten überträgt der RUT241 mittels WLAN in Echtzeit an einen Structured Query Language (SQL)-Server, wo diese archiviert werden. Alternativ ließe sich ebenfalls das Modbus-TCP-Protokoll verwenden, um die Daten parallel an einen digitalen Zwilling oder ein Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)-System zu schicken.

Ausfallsichere Konnektivität für die Digitalisierung eines Maschinenparks

Ein weiterer Signalpfad führt über die ebenfalls vom RUT241 bereitgestellte LTE-4G-Schnittstelle. Sie ist rückwärtskompatibel mit 2G und 3G, um so den Einsatz des kompakten Geräts in Regionen zu ermöglichen, die (noch) nicht durch 4G erschlossen sind.

Da dieser Signalpfad zur eigentlichen Anomalie-Erkennung führt, ist es wichtig, ihn möglichst unterbrechungsfrei zu gestalten. Diese Aufgabe übernimmt das WAN-Failover: Falls die präferierte Verbindung verloren geht, schaltet der LTE-4G-Router automatisch auf eine Backup-Verbindung um, etwa ein Netzwerk eines anderen Providers. So kann der RUT241 kontinuierlich und in Echtzeit die aufbereiteten Sensordaten in die Cloud überspielen. Dort erkennt eine KI-gestützte Auswertesoftware jede Art von Anomalien in den Sensordaten und gibt ein Alarmsignal aus, bevor es zu ungeplanten Ausfällen kommt.

Die hier skizzierten Signalpfade benötigen meist keine hohen Bandbreiten. Wichtig ist eher, dass der zeitliche Zusammenhang der Signale erhalten bleibt – sowie eine geringe Latenz der Datenübertragung. Letzteres vor allem dann, wenn Bestandsmaschinen in Regelschleifen einbezogen werden. Beispielsweise, wenn ein von einem nachgelagerten Qualitäts-Prüfsystem erkannter Versatz über ein entsprechendes Anpassen von Einstellparametern ausgeregelt werden soll.

Kompakte Geräte für den Schaltschrankeinbau

In der Regel findet sich in vorhandenen Schaltschränken genug Platz, um die kompakten Geräte geschützt unterzubringen und direkt aus der 24-V-Spannungsebene zu versorgen (Bild 2). Hier wurde jeweils ein Mobilfunkrouter RUT956 in den Schaltschrank einer (CNC)-Maschine integriert. Teltonika legt dafür jedem Gerät standardmäßig eine Montageklammer für die Hutschiene bei. So benötigt der hochkant montierte RUT956 lediglich 50 mm Platz. Mit einer maximalen Leistungsaufnahme von 7 W bei einer Versorgungsspannung zwischen 9 und 30 V DC stellt das Gerät in der Regel keine nennenswerte zusätzliche Last dar – weder für die 24-V-Versorgung, noch thermisch.

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Weil er so vielseitig einsetzbar ist, wird der RUT956 gelegentlich das “Schweizer Taschenmesser” der M2M- beziehungsweise IIoT-Anbindung genannt: Er unterstützt Mobilfunk-, WLAN- sowie kabelgebundene Industrial-Ethernet-Verbindungen. Damit zu jedem Zeitpunkt ein unterbrechungsfreier Internetzugang besteht, lassen sich diese so konfigurieren, dass sie sich im Falle eines Verbindungsverlustes gegenseitig unterstützen.

Vier Ethernet-Ports sowie RS-485- und RS-232-Schnittstellen erleichtern die direkte Anbindung des Geräts. Für den Anschluss an ein Netzwerk, bietet der RUT956 eine Vielzahl an M2M-Kommunikationsprotokollen, was zusätzliche Datenkonverter überflüssig macht. Egal wie alt und wie unterschiedlich die CNC-Maschinen in der Halle sind, der RUT956 verbindet sie alle zu einem nahtlosen Ökosystem.

Praxistipp: Switches an den richtigen Stellen

Damit dieses Ökosystem gut handhabbar bleibt, sollte es mittels gemanagter Switches in jeweils gesicherte, virtuelle LAN-Netzwerke (VLANs) aufgeteilt werden. Ein so segmentiertes technisches Netzwerk bildet das Rückgrat für das Transformieren, Aufbereiten sowie Aggregieren von Daten – also modernes Edge-Computing. Wie oben skizziert, reichen für viele Edge-Applikationen die technischen Möglichkeiten moderner Router bereits aus. Für das Übertragen von Daten ab dem Router muss man sich in der Regel keine Gedanken mehr um Bandbreiten und Latenzen machen, denn dafür gibt es Small Form-factor Pluggable (SFP) und Glasfaser.

Um bei den zahlreichen Gateways, Switches und Routern immer den Überblick zu behalten, gibt es für das Verwalten der Geräteflotte ein entsprechendes Remote-Management-System, in diesem Fall namens Teltonika RMS. Hiermit ist es beispielsweise möglich, Änderungen der Software “over-the-air” einzuspielen oder die Konfiguration eines Gerätes auf ein anderes zu kopieren.

Mittels RMS Connect bietet Teltonika zudem die Möglichkeit, remote über den Router aus der Ferne auf alle daran angeschlossene Geräte, Steuerungen und Rechner zuzugreifen. Hierbei unterstützt der Hersteller unter anderem folgende Protokolle:

• HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure)
• SSH (Secure Shell)
• SFTP (Secure File Transfer Protocol)
• VNC (Virtual Network Computing)
• RDP (Remote Desktop Protocol)

Um Geräte standortübergreifend zu vernetzen, bietet Teltonika mit RMS Virtual Private Network (VPN) außerdem eine geeignete und vor allem sichere Plattform. Alternativ ist es möglich, OpenVPN einzusetzen, um in diesem sensiblen Bereich vollständig unabhängig vom Hersteller zu bleiben.

Leistungsfähige Arm-Plattformen

Alle industriellen Netzwerkkomponenten von Teltonika basieren ausnahmslos auf Arm-Architekturen mit Linux-Betriebssystem und sind mit einer hohen Rechenleistung ausgestattet: Der RUTX50 (Bild 3) ist ein Dual-SIM-Multi-Netzwerk-Router, der 5G-Mobilfunkkommunikation für Anwendungen mit hohem Anspruch an Datenrate und Datenmenge bereitstellt. Mit seinen fünf Gigabit-Ethernet-Ports sowie dem Dual-Band-WLAN bietet er zudem redundante Konnektivität auf unterschiedlichen physikalischen Schnittstellen mit echtem Auto-Failover.

Ausgestattet ist er mit einem Quad-Core-Arm-Cortex-A7-Prozessor, der mit 717 MHz getaktet ist und über 256 MB RAM verfügt, wovon etwa 100 MB für Kundenapplikationen zur Verfügung stehen. Er bietet damit in etwa die gleiche Rechenleistung wie ein SmartSL-U7 von EFCO Electronics (Bild 4), ist also mit einem kompakten Industrie-PC mit Intel-Celeron-Architektur vergleichbar.

Thermische Lasten richtig einschätzen

Aktuelle Geräte für die industrielle Kommunikation sind in der Regel sehr energieeffizient aufgebaut und benötigen lediglich wenige Watt Leistung. Fast immer verfügen sie über einen DC-Weitbereichseingang, die Versorgung aus dem 24-V-Netz sollte problemlos möglich sein.

Erfolgt die Versorgung allerdings beim dezentralen Einsatz aus einem Steckernetzteil, sollte man dafür nur Geräte verwenden, die auch im Teillastbereich unter 10 W einen guten Wirkungsgrad haben. Einfache Steckernetzteile kommen hier oft nicht über 60 Prozent hinaus, sodass sich Leistungsaufnahme und Wärmeeintrag in den Schaltschrank praktisch verdoppeln.

Wirkungsgrad und Lebensdauer hängen zusammen

Für die langfristige Zuverlässigkeit entscheidend ist die eher übersichtliche Lebensdauer von einfachen Stromversorgungen: Aufgrund des thermischen Stresses durch die hohen Verlustleistungen gelten zwei Jahre bereits als guter Wert. Wer also heute am Netzteil spart, muss morgen für dessen Austausch bezahlen. Ähnliches gilt für den Einsatz von Konsumgeräten, welche den Anforderungen im industriellen Umfeld meist nicht gewachsen sind – die Probleme beginnen oftmals bereits bei der Montage im Schaltschrank.

Während alte Steuerungen als recht robust gelten – auch was deren Unempfindlichkeit gegenüber Störungen, Einbrüchen oder Spannungsspitzen auf dem 24-V-Netz anbelangt – wird bei Konsumgeräten aus Kostengründen gerne auf solche Schutzmaßnahmen verzichtet. Industrietaugliche Geräte sind hingegen gegen Verpolen ebenso geschützt wie gegen Spannungsspitzen.

Gerade im Brownfield – Fertigungsstätten, die bereits lange Jahre in Betrieb sind – gleicht keine Anwendung der anderen. In diesem Umfeld ist ein umfangreiches Wissen über Geräte und Schnittstellen erforderlich sowie eine langjährige praktische Erfahrung aus dem Automationsumfeld, wie sie Hersteller wie Teltonika und EFCO Electronics aus Deggendorf anbieten können. (ts)