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Industrielle Kommunikation 5 Beispiele mit Fokus auf praxisnahe Technologien

Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Ohne Zweifel birgt Industrie 4.0 faszinierende Möglichkeiten – benötigt jedoch für die Umsetzung vor allem durchdachte Technologien für eine solide Basis.

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n der Kommunikationstechnologie kristallisiert sich mittlerweile relativ deutlich aus, welche technologischen Voraussetzungen für die Verwirklichung von Industrie 4.0 nötig sind.
n der Kommunikationstechnologie kristallisiert sich mittlerweile relativ deutlich aus, welche technologischen Voraussetzungen für die Verwirklichung von Industrie 4.0 nötig sind.
(Bild: ©getti - stock.adobe.com)

Als vor einigen Jahren Industrie 4.0 in den Köpfen von Anwendern und Herstellern entstand, gab es reichlich innovative Ideen, vielversprechende Konzepte und viel Enthusiasmus. Wie der Weg dorthin gestaltet wird, war jedoch eher unklar. Mittlerweile sieht zumindest die Kommunikationstechnologie relativ deutlich, welche technologischen Voraussetzungen für die Verwirklichung von Industrie 4.0 nötig sind.

Zum einen müssen die Anwender aus Akzeptanzgründen zwingend mit ins Boot geholt werden. Dies gelingt u. a. damit, dass bewährte Technologien beibehalten werden können und dass es vernünftige Migrationskonzepte gibt. Zum anderen kann auf Standards nicht verzichten werden. Darüber hinaus gibt es aber auch eine ganze Reihe an Basis-Eigenschaften, die Kommunikationstechnologien im Industrie 4.0-Zeitalter erfüllen müssen:

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1. Schnelligkeit und Zuverlässigkeit

Um den Anwender abzuholen, wird nach wie vor eine solide Basistechnologie wie Profinet benötigt, um die Produktion zu automatisieren, aber auch schnell und standardisiert zunehmende Datenmengen an höhere Unternehmensebenen weiter zu leiten. Dabei ist Profinet in der Lage, auch Daten aus anderen Systemen, wie Engineering-Tools, effizient und schnell herauszulesen, um diese dann weiter zu verarbeiten. Dieses Know-how und die Erfahrung gilt es zu nutzen, um etwa parallel existierende Systeme zu integrieren und auch bei einer zunehmend schnelleren Vernetzung sichere Lösungen anbieten zu können.

2. Zugang zu detaillierten Daten – mit OPC UA

Um eine Maschine oder eine Anlage zu optimieren, ist es notwendig, im laufenden Betrieb auf Diagnosedaten zuzugreifen. Oder es werden Daten benötigt, die im Augenblick zwar noch durch die SPS, in Zukunft aber an dieser vorbei und in eine Cloud zur weiteren Verarbeitung geleitet werden, etwa beim Condition Monitoring.

Hier kommt OPC UA ins Spiel, das nicht nur eine standardisierte Struktur für den Transport von Daten, sondern tatsächlich eine einheitliche maschinenlesbare Beschreibung der Datenpakete bietet. Über OPC UA ist es möglich, auch während der Laufzeit Informationen aus den Geräten abzugreifen, ohne dass dies vorher speziell konfiguriert werden musste. Allerdings erfordert dies nach wie vor viel Konfigurationsaufwand, manuelle Schritte wie die Handhabung langer Excel-Diagramme und dergleichen, um diese Daten verfügbar zu machen.

Seit geraumer Zeit arbeiten daher beide Nutzerorganisation (Profibus & Profinet International – PI und OPC Foundation) daran, diese Technologien zusammenzuführen. Ziel der Aktivitäten ist es, eine OPC UA Profinet Companion Spezifikation bis Mitte 2019 zu erstellen. Die Gerätehersteller können dann unverändert die bewährten Profinet-Dienste integrieren. Eine Darstellung der Informationen über OPC-UA-Dienste entsprechend dem definierten Mapping wird je nach Kundenanforderung in den entsprechenden Geräten erfolgen.

3. Echtzeit mit Ethernet – TSN

Das Stichwort TSN ist in aller Munde, vor allem weil es damit in Kürze möglich sein wird, in der Feldebene Standard Ethernet Controller einzusetzen. Mit TSN lassen sich durchgängige synchrone Netzwerke für taktsynchrone Anwendungen realisieren. Bisher mussten solche Netzwerke separat realisiert und in den Geräten dedizierte Chips integriert werden. PI hat daher schon vor längerem beschlossen, TSN in Profinet zu integrieren. Dadurch profitiert der Anwender von den neuen IEEE-Standards und erhält gleichzeitig die Möglichkeit je nach Bedarf höhere Bandbreiten, wie Giga-Bit-Ethernet, einfach zu realisieren.

Doch TSN ist auch ein gutes Beispiel dafür, dass durchdachte Technologie einfach Zeit kostet. Denn TSN definiert lediglich einen Layer 2 für die Kommunikation, ist also nicht als Feldbusersatz zu sehen. Damit in Zukunft alle Steuerungen und Feldgeräte reibungslos miteinander kommunizieren und sicher Daten austauschen können, laufen derzeit eine Reihe an Detailarbeiten, wie Standardisierung, Prüfverfahren, Zertifizierungen. Bis TSN jedoch selbstverständlich in Kommunikationsnetzwerken ist, ziehen sicherlich noch ein paar Jahre ins Land.

4. Durchgängigkeit bis zum einfachen Sensor – IO-Link

Bei dem Thema Industrie 4.0 stehen Predictive Maintenance oder Diagnosekonzepte weit oben. Dies bedeutet jedoch, dass man Informationen direkt von der Basis benötigt, also entweder aus Sensoren in der Fertigungsindustrie, aber auch z. B. aus Sensoren in sehr weitläufigen Anlagen der Prozessindustrie, die wohlmöglich noch unter Explosionsschutz stehen. Für beide Anwendungen gibt es inzwischen vielsprechende Lösungen und Ansätze:

Dank IO-Link ist es schon seit längerem möglich, Informationen aus dem letzten Meter zu beziehen. Mit dem großen Erfolg von IO-Link wurde die Technologie kontinuierlich an die Anforderungen der Anwender angepasst. Dazu gehört u.a. die Spezifikation „IO-Link Safety System Extensions“ oder die Guideline „IO-Link on Profinet“, mit der eine nahtlose Integration von IO-Link Systemen in Profinet ohne hinderliche Systembrüche möglich ist. Auch bei IO-Link Wireless gibt es eine gute Lösung. Derzeit werden die Aktivitäten hinsichtlich Mapping auf OPC UA und die Nutzung von JSON* vorangetrieben. Durch einen standardisierten Datenzugriff verringert sich der Integrationsaufwand in verschiedenen Auswertungen. Mit OPC UA werden viele Lösungen deutlich vereinfacht, günstiger und schneller verfügbar. Beispielsweise benötigen Maschinenbauer für die Anbindung ihrer Maschinen an ein Condition Monitoring nicht mehr das Maß an technischem Know-how und produktspezifischen Details verschiedener Hersteller, wie es in der Vergangenheit oft nötig war.

Auch in der Prozessindustrie wird zunehmend die Einbindung von Daten aus dem Asset Management-, Condition Monitoring- oder anderer IT-Systeme gefordert. In der jüngsten Vergangenheit wurde daher eine ganze Reihe von Konzepten und Verfahren entwickelt, mit denen es möglich ist, auf die entsprechenden Daten zuzugreifen. Ein aktuelles Beispiel ist das NOA (NAMUR Open Architecture)-Konzept, mit dem sich Monitoring- und Optimierungs-Anwendungen ohne Engineering des Systems erst einmal prototypisch, zeitlich begrenzt oder beständig integrieren lassen.

Kopfzerbrechen beim Einsatz von Ethernet-basierten Technologien bereitete seit vielen Jahren die speziellen Anforderungen des Explosionsschutzes in der Prozessindustrie. Typisch für die Branche ist außerdem, dass die Segmentlängen bis zu 1000 m betragen und die Versorgung der Prozesssensorik bzw. -aktorik über eine 2-Draht Verbindung parallel zur Kommunikation (loop-power) erfolgen muss. Daraufhin hat PI im Rahmen einer Kooperation mit der ODVA und FieldComm Group mit der Entwicklung des Advance Physical Layers, kurz APL, gestartet. Ziel ist eine durchgängige Ethernet-basierte Kommunikation auch in explosionsgefährdeten Bereichen. Basis hierfür sind Anforderungen der Anwenderorganisation NAMUR.

5. Praxisnahe Profil-Technologien

Auch bei der Weiterentwicklung des Profibus PA-Profils setzte man auf die bewährte Zusammenarbeit mit Anwendern aus der Prozessindustrie. Das neue PA-Profil 4.0, das gemeinsam von PI durch Entwicklungsspezialisten von zwölf Geräte- und Steuerungsherstellern bzw. einschlägigen Technologieprovidern und Instituten erarbeitet wurde, erfüllt nun sowohl die Grundforderung nach Unabhängigkeit vom Kommunikationsprotokoll als auch die Anwenderwünsche nach vereinfachter Handhabung. Hauptziel war, die bewährten Profileigenschaften für Profinet-Systeme zugänglich zu machen. Bei der Entwicklung der Profilspezifikation wurde auf konsequente Trennung zwischen Applikationsschicht bzw. Gerätefunktionen und unterlagerten Kommunikationsprotokollen geachtet. Damit kann es sowohl in Profibus- als auch in Profinet-Geräten implementiert werden. Zusätzlich wurden einige in der Praxis nicht angenommene bzw. nicht genutzte Eigenschaften aus dem Profil genommen, was zu dessen angestrebter „Verschlankung“ geführt hat.

Ausblick: Ideen rund um Industrie 4.0 gibt es viele, die Umsetzung wird jedoch scheitern, wenn nicht über technologische Details nachgedacht wird. Die hier dargestellten Beispiele zeigen deutlich, wie vielfältig die nötigen Arbeiten sind, um letztendlich ein überzeugendes und nachhaltiges Konzept abzuliefern. Weiter müssen Security-Maßnahmen neu überdacht werden, auch hier ist derzeit eine Spezifikation von PI in Arbeit.

* JSON – JavaScript Object Notation – ist ein kompaktes Datenformat in einer einfach lesbaren Textform zum Zweck des Datenaustauschs zwischen Anwendungen.

SPS IPC Drives: Halle 5, Stand 210

BUCHTIPPOhne eine herstellerunabhängige Vernetzung von Geräten und Anlagen ist Industrie 4.0 nicht umsetzbar. OPC UA ist genau dafür konzipiert – doch der Einstieg ist nicht immer einfach. Das Fachbuch „Praxishandbuch OPC UA“ hilft weiter.

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