Das Umsetzen der 4. Industriellen Revolution steht und fällt mit dem Ankoppeln der industriellen Fertigung an das Internet und an die Cloud. Denn durch die Ankopplung an das Internet werden der Funktionsumfang sowie die Leistungsfähigkeit einer industriellen Anlage oder einer Maschine immens erweitert. Vor allem aber ist ein permanentes Anpassen und Verbessern der nahtlosen Integration in digitale Wertschöpfungs-Netzwerke möglich. Eine Schlüsselrolle übernehmen dabei Edge Devices, also intelligente Netzwerkkomponenten.
Edge Devices, die direkt im Fertigungsmodul – also im Bereich der Anlage und Maschine – eingesetzt werden, sorgen für den Zugang zum Netzwerk eines Unternehmens oder eines Service Providers. Edge Devices ermöglichen so zum Beispiel Life Cycle Services wie Predictive Maintenance, Performance Management, Asset Management oder Spare Part Management. Sie ermöglichen aber auch eine Prozessoptimierung durch Cloud-basierte Services. Wichtig dabei sind offene Schnittstellen der eingesetzten Edge Devices und eine weitgehende Standardisierung der Integration. Auf diese Weise sind diese intelligenten Systeme einheitlich von unterschiedlichen Softwaresystemen einerseits nutzbar und andererseits auch einheitlich in die Fertigungsumgebung integrierbar. Die SmartFactoryKL hat hier ein Konzept erstellt und zeigte bereits erste Umsetzungsschritte auf der HM 2018. Auch HARTING ist bei Technologie-Initiative SmartFactory KL aktiv und stellt mit Andreas Huhmann (Strategy Consultant Connectivity & Networks bei Harting) in Mitglied des Vorstands der Technologie-Initiative SmartFactory KL.
IT-Edge Devices universell einsetzen
IT-Edge Devices sind zwar Alleskönner, da sie sich universell einsetzen lassen, aber es gibt eine Ausnahme: die Automatisierung. Das ist auf den ersten Blick widersprüchlich, da die Übernahme aller Funktionen in der Industrie durch die IT als 4. Industrielle Revolution angesehen wird. Einen entscheidenden Schritt dazu beitragen, wird TSN (time sensitive Networks). So lässt sich das Ethernet-Netzwerk universell bis in harte Echtzeitbereiche einbinden. Warum sollte das IT-Edge Device dann nicht universell zum Einsatz kommen, also auch in der Automatisierung? Oder umgekehrt: Warum sollte die SPS nicht universell auch als IT-Edge Device eingesetzt werden?
Analysiert man die Anforderungen an eine Steuerung und an ein IT-Edge Device, ergeben sich deutliche Unterschiede: Die Programmierung der SPS ist auf die Maschine abgestimmt, sehr stark funktionsorientiert und nutzt dabei gut eingeführte Hard- und Software, die sich in der Applikation bereits bewährt hat. Dabei ändert sich die Grundfunktion einer Maschine oder eines Maschinen-Moduls – beispielsweise eines Moduls des Demonstrators der Smart Factory – nur bei signifikanten Änderungen im Produktionsprozess. Natürlich kann auf Parameter des eigentlichen Ablaufs zugegriffen werden, damit eine flexible Fertigung im Rahmen einer Mass-Customisation möglich wird. Diese Änderungen greifen aber nicht so weit in die Module ein, dass jeweils eine neue Inbetriebnahme notwendig wäre. Der grundsätzliche Steuerungsaufbau mit der dafür eingesetzten Steuerung bleibt in der Regel über viele Jahre unverändert – dies ist nicht zuletzt auch aus Safety-Aspekten notwendig. Es ist absolut untypisch, dass im Lebenszyklus eine vollständig neue Steuerung/SPS eingebaut wird, um die Leistungsfähigkeit zu steigern. Üblich ist dies erst nach vielen Jahren im Rahmen eines Refurbishments. Als Refurbishing bezeichnet man die qualitätsgesicherte Überholung und Instandsetzung von Produkten zum Zweck der Wiederverwendung und -vermarktung (=Remarketing).
Kommunikation über OPC UA
Der Einbau eines IT-Edge Devices stellt demgegenüber zumeist eine erweiterungsfähige Plattform dar, die im Lebenszyklus einer Maschine durch die Nutzung weiterer Services immer wieder angepasst und erweitert wird. Auch Software-Updates in kurzen Intervallen sind hier üblich. Es findet dabei aber keine neue Inbetriebnahme der Maschine statt, da beispielsweise die Safety-relevanten Aspekte nicht berührt werden. Die eingesetzte Software entspricht auch im IT-Umfeld den notwendigen Standards. Eine Schnittmenge in der Kommunikation zu den Industriegeräten stellt das OPC UA dar – auch wenn sich heute schon zeigt: dieser Kommunikationsstandard ist nicht der einzige, der von der IT im Industrieumfeld eingesetzt werden wird. IoT Standards wie MQTT halten hier ebenfalls Einzug. Das IT-Edge Device entpuppt sich also als ein vollständig nach IT-Paradigmen aufgebautes und betriebenes Device. Es ist vor allem nicht starr, also bleibt unverändert im Lebenszyklus der Maschine oder Anlage. Es wird sich permanent weiterentwickeln mit den Lebenszyklen der Maschine oder Anlage, die weit unter denen der Geräte der Automatisierung ist. Das ist notwendig, um mit der IT-Schritt zu halten. Im Umkehrschluss bedeutet dies: Auch eine SPS wird zukünftig in der Maschine spätestens nach fünf Jahren getauscht, um auf dem neuesten IT Standard zu sein.
Die Entkopplung von IT-Edge Devices und Automation Device liefert im Betrieb einer Anlage also Vorteile. Denn auf die Geräte kann zugegriffen werden, da beispielsweise eine andere Zuständigkeit innerhalb der Unternehmen besteht.
Geeignete Schnittstellen inklusive semantischer Beschreibung notwendig
Doch eins ist auch klar – und das hat sich sehr deutlich in der SmartFactoryKL gezeigt: Neben der Hardware- und Software-Entkopplung gibt es dennoch eine kommunikationstechnische Verbindung. Die unterschiedlichen Geräte greifen auf dieselbe Sensorik zu. Und wenn der Fertigungsablauf durch neue Services optimiert werden soll, ist ein Zugriff auf die Automatisierungsgeräte zwingend erforderlich. Dazu braucht es geeignete Schnittstellen inklusive einer semantischen Beschreibung der Geräte. Diese zu erstellen ist eine grundlegende Aufgabe für die Zukunft. Denn in den meisten heutigen Anwendungen operieren Automation Device und Edge Device vollständig separiert, zumeist mit eigener, dedizierter Sensorik. Beide Geräte haben ihre Berechtigung, aber optimal ist dies nicht. Sinnvoll einsetzbar werden sie aber nicht nur durch eine Koexistenz, sondern durch ihre Kooperation. Sonst läuft es auf einen Kampf hinaus, den nur ein Edge Device mit integrierter Automatisierungssteuerung – also ein Alleskönner – gewinnen kann. Aber diese Eierlegende Wollmilchsau hat sich zumeist als ziemlich lahme Ente erwiesen.
Lieber daher auf schnelle Edge Devices setzen, die eine Voraussetzung für eine Lernfähigkeit der Anlage oder Maschine über ihren gesamten Lebenszyklus bieten.
Time-Sensitive Networking (TSN) bezeichnet eine Reihe von Standards, an denen die Time-Sensitive Networking Task Group[1] (IEEE 802.1) arbeitet. Die TSN Task Group entstand aus der Umbenennung der bis November 2012 bestehenden Audio/Video Bridging Task Group und setzt deren Arbeit fort. Die Umbenennung ergab sich aus der Erweiterung des Arbeitsgebietes der Standardisierungsgruppe. Die sich in der Standardisierung befindlichen Standards definieren Mechanismen zur Übertragung von Daten über Ethernet-Netzwerke. Ein Großteil der Projekte definiert dabei Erweiterungen des Bridging-Standards IEEE 802.1Q. Diese Erweiterungen adressieren vor allem die Übertragung mit sehr geringer Übertragungslatenz und hoher Verfügbarkeit. Mögliche Anwendungsbereiche sind konvergente Netzwerke mit Echtzeit-Audio/Video-Streams sowie insbesondere Echtzeit-Kontrollstreams, welche z. B. im Automobil oder in Industrieanlagen zur Steuerung verwendet werden.
(Quelle: https://de.wikipedia.org)
Ein Edge Device ist eine Netzwerkkomponente, die sich am Netzwerkrand befindet und für den Zugang zu einem Kernnetz eines Unternehmens oder eines Service Providers sorgt. Edge Devices werden zunehmend mit Intelligenz ausgestattet und unterstützen diverse Services wie die Dienstgüte (QoS) oder Multi-Service-Funktionen für unterschiedlichen Datenverkehr. Edge Devices übertragen im Internet of Things die Datenpakete zwischen den verschiedenen Netzstrukturen und können über ihre Prozessoren die Sensor- und Aktordaten aus Smart Cities, Smart Homes, Smart Grids oder aus der Automotive-Technik direkt an der Applikation am Netzrand mittels Edge Computing oder Edge Analytics verarbeiten und so die enorme Datenmenge der IoT-Komponenten reduzieren. Die Steuerung, Verwaltung und Verarbeitung der anfallenden Daten wird wesentlich effizienter; gleichzeitig verringern sich der Datenverkehr und die Netzbelastung zur Cloud.
(Quelle: https://www.itwissen.info/edge-device-Edge-Device.html)
Die Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V. (SmartFactoryKL) ist ein im Jahr 2005 gegründeter gemeinnütziger Verein, der gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie Forschungs- und Entwicklungsprojekte rund um das Thema Industrie 4.0 umsetzt. Dabei erstreckt sich die Arbeit von der Entwicklung und Definition der Vision Industrie 4.0 bis hin zu ihrer Realisierung.
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ist ein offenes Nachrichtenprotokoll für Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M), das die Übertragung von Telemetriedaten in Form von Nachrichten zwischen Geräten ermöglicht, trotz hoher Verzögerungen oder beschränkter Netzwerke.[1] Entsprechende Geräte reichen von Sensoren und Aktoren, Mobiltelefonen, Eingebetteten Systemen in Fahrzeugen oder Laptops bis zu voll entwickelten Rechnern. Die MQTT-Spezifikation unterscheidet TCP/IP-basierte und Nicht-TCP/IP-Netzwerke.
(Quelle: https://de.wikipedia.org)
