IoT-Frameworks für die Industrie

Im Wesentlichen ist die Branche über das Konzeptstadium des Industrial IoT hinaus und bewegt sich auf die Umsetzung und das Ausschöpfen der Vorteile zu. Ein Beispiel dafür ist eine Studie von IHS über die Siemens Digital Factory in Amberg zur Herstellung der Simatic speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), die das Analyseunternehmen Anfang März 2018 veröffentlichte. Um die betriebliche Effizienz und den Durchsatz zu maximieren, hat Siemens alle Aspekte dieser Produktionsanlage automatisiert. Tatsächlich ist die Anlage laut der IHS-Fallstudie so hochautomatisiert, dass „Produkte ihre eigenen Fertigungsprozesse mittels eines speziellen Barcodes steuerten, um mit den Produktionsrobotern zu kommunizieren und ihre Anforderungen zu teilen. Eine einzelne SPS konnte dann korrigierend eingreifen, um zum Beispiel Schäden im Produktionsprozess zu vermeiden oder Komponenten automatisch nachzubestellen, um Liefertermine einzuhalten“. Die Maschinen wickeln 75 Prozent der Wertschöpfungskette selbstständig ab.

Eine automatisierte Anlage generiert viele Daten, die das Herzstück der Analyse zur Verbesserung von Effizienz und Produktivität bilden. Die Siemens-Anlage erzeugt täglich 15 bis 17 Millionen Datenpunkte – darunter Informationen wie Temperaturprofile, Reflow-Geschwindigkeit, Lötgeschwindigkeit, Lötmenge und Zuliefererdaten. Dieser Grad der Automatisierung und der Big-Data-Analyse hatte einen enormen Einfluss auf die Fehlerreduktion und die Verbesserung der Qualität. In der IHS-Studie heißt es: „Durch die Einführung dieses Verfahrens konnte die Qualität deutlich gesteigert werden. Während die Produktionsanlage 1989 noch 500 Fehler pro Million (dpm, defects per million) aufwies, sind es heute nur noch 11 dpm. Das Werk Amberg realisiert mit der Durchgängigkeit von der Planung bis zur Produktion mit nahezu lückenloser Überwachung über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg eine Produktionsqualität von 99,9989 Prozent“. Darüber hinaus „konnte Siemens durch die Nutzung der durch seine intelligenten Maschinen gewonnenen Daten die Transparenz des Herstellungsprozesses und der Energieeffizienzmaßnahmen erhöhen und die Energiekosten um 12 Prozent senken“.

Bild 1: Der Grad der Automatisierung in der Fertigung steigt zunehmend, teilweise sind Produktionen schon vollautomatisiert. ssguy@Shutterstock

Pyramide einer modernen Fabrik

Das Netzwerk der modernen Fabrik lässt sich als Pyramide darstellen mit einer Reihe von Edge-Geräten, die Informationen sammeln und die Produktionsmaschinen bedienen. Darüber befindet sich die Steuerungsebene, die zunehmend dezentral über die Anlage verteilt ist.

Ganz oben befindet sich die Managementebene, auf der intelligente Algorithmen arbeiten, um den Maschinendurchsatz zu optimieren, mögliche Ausfälle vorherzusagen und einen adaptiven Fertigungsfluss zu ermöglichen. Dies kann in einer privaten oder öffentlichen Cloud stattfinden, wobei viele Betriebe und Fabriken ihre Daten vorzugsweise auf internen Servern speichern. Das kann sich natürlich mit der Zeit ändern.

Bild 2: Die Netzwerkarchitektur einer modernen Fabrik. Maxim Integrated

Es gibt zwei wichtige Hardware-Aspekte, die in allen Branchen dominieren, die Industrial IoT implementieren. Zum einen steigt die Zahl der intelligenten, vernetzten Sensoren, die die entscheidenden Daten sammeln und damit das Kernstück aller Big-Data-Analysen bilden. Der zweite Aspekt ist die stetige Migration (Auslagerung) von immer mehr Intelligenz in die Edge-Geräte. In einem kürzlich erschienenen Artikel des Forbes-Magazins sagt die Autorin Mariya Yao: „… der Einsatz und die Reaktionsfähigkeit sind für industrielle Anwendungen, bei denen Millionen von Dollar und Menschenleben auf dem Spiel stehen können, viel höher. In diesen Fällen kann man sich nicht darauf verlassen, dass industrielle Funktionen in der Cloud laufen, sondern muss sie vor Ort implementieren, auch bekannt als ‚the edge‘.“

Was dies bedeutet, lässt sich anhand von einigen Beispielen aus dem Alltag moderner Fabriken darlegen, wie zum Beispiel:

• Sensoren werden intelligenter und kommunizieren einen reichhaltigeren Datensatz in die Cloud.
• Eine erste Analyse von Vibrationsdaten erfolgt bereits auf Maschinenebene.
• Mehrere Temperaturpunkte werden gesammelt und korreliert, bevor die Daten an die Steuerung gesendet werden.
• Aktoren haben die Intelligenz, um die Leistung und Eigenschaften einer Maschine zu verändern.

Diese neue Netzwerkstruktur bedeutet mehr Leistungsfähigkeit und Intelligenz am „Rand“ („the edge“) des Fabriknetzes. Diese neuen Edge-Geräte-Architekturen erfordern eine hohe Leistungsfähigkeit in einem sehr kleinen Formfaktor und mit robusten Designmerkmalen, die den Belastungen einer Produktionsumgebung standhalten können. Diese veränderte Edge-Architektur wirkt sich auf das Design verschiedener Systeme unterschiedlich aus.

Warum die Ansprüche an Sensoren steigen, lesen Sie auf Seite 2.

Industrielle Sensoren: Intelligenter und vernetzter

Bild 3: Industriesensoren werden immer kleiner und leistungsstärker. Sick AG

An der Basis jeder industriellen IoT-Implementierung befindet sich eine Vielzahl von Sensoren, die Daten sammeln, vorverarbeiten und an die IO-Hubs oder verteilten Steuerungen senden. Was manchmal nicht zu sehen ist, ist dass die Hersteller diese allgegenwärtigen Sensoren im Laufe der Jahre zunehmend miniaturisieren, aber gleichzeitig auch deren Leistungsfähigkeit erhöhen konnten.

Gut ersichtlich ist das bei gängigen Sicherheitslichtvorhängen. Diese optoelektronischen Geräte kommen zum Schutz von Personen in der Nähe von beweglichen Maschinen zum Einsatz, welche das Potenzial haben, Schaden anzurichten wie etwa Pressen, Wickler und Palettierer. Sicherheitslichtvorhänge sind eine Alternative zu mechanischen Schranken und anderen Formen der traditionellen Maschinenabsicherung. Durch die Reduzierung des Bedarfs an physischen Schutzeinrichtungen und Schranken können Sicherheitslichtvorhänge die Wartbarkeit der zu schützenden Geräte erhöhen.

Bild 3 zeigt die Entwicklung der Lichtvorhänge an einem Beispiel der Sick AG. In den 1960er Jahren waren das noch ziemlich große Systeme. Heute ist noch mehr Funktionalität in einen kleineren Formfaktor gepackt: Moderne intelligente Lichtvorhänge können genau erkennen, welche Lichtstrahlen unterbrochen sind. Da der Formfaktor schrumpft, sind sie in verschiedenen Mini-Montagegruppen einsetzbar. Gleichzeitig können Unternehmen die Informationen über die genaue Position einer Lichtvorhangsunterbrechung dazu nutzen, das Design der Montagegruppe zu optimieren.

Bild 4: Intelligente, vernetzte Sensoren benötigen komplexe Bausteine. Maxim Integrated

Sensoren werden zunehmend intelligenter und über neuere Protokolle verbunden. Diese ermöglichen es ihnen, intelligente Daten zurückzusenden. Ihre Architektur wird aber erst durch andere Halbleitertechnologien möglich. Wie Bild 4 zeigt, verwenden Sensoren zunehmend Mikroprozessoren. Sie verfügen über ausgeklügelte serielle Transceiver und erfordern komplexe Power-Subsysteme.

Mehr Daten bei kleinerem Formfaktor

Während Fabriken und Produktionsstätten das Volumen der gesammelten Daten stark erhöhen, werden die Steuerungen (SPSen), die diese Daten verarbeiten, kleiner und die Kanaldichte steigt. Es ist nicht ungewöhnlich, dass die Anzahl der IO-Kanäle in einem einzigen digitalen Eingangsmodul von acht auf 32 steigt.

Der Trend geht zu immer kleineren SPSen wie etwa Mikro-SPSen, Kompakt-SPSen oder Nano-SPSen. Da die Steuerungen in zunehmendem Maße über die Produktionsebene verteilt sind, müssen sie schrumpfen, um auf eine kleine Montageanlage oder in einigen Fällen sogar auf eine komplexe Maschine zu passen.

Bild 5: Kleinere SPS-Architekturen erfordern integrierte Komponenten. Maxim Integrated

Diese kleinen Größen sowie die höhere Anzahl an Kanälen erreichen Hersteller durch den Einsatz von kleineren und höher integrierten Komponenten, die sowohl Zuverlässigkeit als auch kleinere Abmessungen bieten (Bild 5).

Ein Beispiel zeigt, wie modernste Halbleitertechnologie diese Miniaturisierung ermöglicht: Ein typisches System hat viele Power-Subsysteme und da moderne Mikroprozessoren/DSPs mehrere, gut geregelte Stromschienen benötigen, nimmt die Anzahl und Komplexität der Power-Subsysteme zu. Bild 6 zeigt, wie die fortschreitende Integration die Größe des Stromversorgungs-Subsystems reduziert hat.

Die ursprünglichen Power-Subsysteme waren diskret, mit sehr vielen Komponenten außerhalb des Controller-Chips. Durch die Integration von FETs und Kompensationselementen halbierte sich die Größe der Stromversorgungslösung. Und dann kamen Leistungsmodule, die sogar die Induktivitäten integrierten und die Größe der Power-Lösung nochmals halbierten. Die neueste Generation von Leistungsmodulen verfügt über eine innovative Gehäusetechnologie, die eine noch drastischere Verkleinerung für eine Teilmenge von Lastströmen ermöglicht.

Mehr zur nächsten Generation der IIoT-Architekturen erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Nächste Generation der IIoT-Architekturen

Die Automatisierungsbranche arbeitet daran, die Schlüsselelemente der industriellen Konvergenz zu berücksichtigen, indem sie Industrial-IoT-Lösungen der nächsten Generation entwickelt. Das Ziel: Die Produktivität steigern, eine adaptive Fertigung ermöglichen und auf Maschinenebene Zustands- und Statusinformationen liefern, um prozessrelevante Entscheidungen in Echtzeit zu treffen.

Dieses Streben nach industrieller Konvergenz war für Maxim Integrated im Jahr 2014 der Auslöser für die Entwicklung der ersten Micro-PLC-Demoplattform – diese war im Vergleich zu den damals auf dem Markt verfügbaren SPSen um den Faktor 10 kleiner und erzielte eine fünfzigprozentige Energieeinsparung. Diese Demoplattform für das Industrial IoT ermöglichte es, die Leistungsfähigkeit der Steuerung an die „Edge“ der Fertigungslinie zu verlagern.

Bild 6: Die Technologie reduziert die Größe der Stromversorgungslösungen industrieller Systeme drastisch. Maxim Integrated

Im Jahr 2016 präsentierte Maxim Integrated dann eine Industrial-loT-Plattform der zweiten Generation: Die SPS-Entwicklungsplattform Pocket IO verinnerlichte das Konzept der adaptiven Fertigung – bei einer erneuten Größenreduzierung um den Faktor 2,5, einem Platzbedarf von 10 Kubikzoll (16,4 cm3) und einer zusätzlichen Energieeinsparung von 30 Prozent. Diese Entwicklungsplattform war ein weiterer Schritt auf dem Weg zur industriellen Konvergenz, indem sie die IO-Link-Technologie des Unternehmens nutzte, um eine Neukonfiguration der Sensoren „on-the-fly“ zu ermöglichen.

Nun liegt der Schwerpunkt einmal mehr auf der Demonstration eines weiteren Elements der industriellen Konvergenz: die Verbesserung der Verfügbarkeit, Qualität und Menge von gesammelten und in die Cloud übertragenen Echtzeitdaten. Diese Sammlung verwertbarer Informationen gibt einen Überblick über den Zustand und den Status der Produktionsanlage. Diese Art von Informationen ist für ein Unternehmen sehr wertvoll, denn wenn das Unternehmen einen intelligenten Algorithmus darüber legen würde, um auf diese Echtzeitinformationen zu reagieren, würde dieser den Durchsatz und die Produktivität der Fabrik an jedem Tag des Jahres kontinuierlich optimieren, wodurch sich der Ausschuss reduzieren und die Betriebsmargen verbessern würden. Man stelle sich nun eine noch kleinere und energieeffizientere Industrial-IoT-Plattform vor, die in der Lage ist,

• die sich ständig ändernden Systemanforderungen in der industriellen Automatisierung zu erfüllen,
• den Zustand der Anlagen auf Produktionsebene aktiv zu überwachen und zu kommunizieren,
• Fabriken mit einem höheren Intelligenzgrad und mehr Fingerspitzengefühl auszustatten, um Produktionsanlagen dynamisch zu optimieren und „on-the-fly“ an neue Aufgaben anzupassen.

Fazit

Aktuell befinden wir uns in einer Phase der Industrial-IoT-Revolution, in der sich Unternehmen mit den Herausforderungen der Implementierung des Netzwerks innerhalb einer Produktionsanlage befassen müssen. Die Vorteile des Industrial IoT stehen außer Zweifel und die Implementierung eines solchen Netzwerks ist ganz einfach eine Frage der Wettbewerbsfähigkeit. Betrachtet man die Implementierung aus der Sicht der Hardware, ist Maxim Integrated überzeugt, dass der Weg in die Zukunft darin besteht, die Systemarchitektur mit den neuesten integrierten Komponenten zu überdenken, wobei der Fokus auf dem kleinen Formfaktor, der Robustheit und der geringsten Wärmeabgabe liegt.

(prm)