Interview mit Rahman Jamal Controller für das nächste große Ding

Autor / Redakteur: Ines Näther / Dipl. -Ing. Ines Stotz

National Instruments brachte kürzlich eine Familie von Industrie-Controllern auf den Markt, die auf die komplexen Anforderungen der hochentwickelten Anwendungen des industriellen Internets der Dinge (IIoT) ausgerichtet sind. Rahman Jamal, Global Technology & Marketing Director bei National Instruments erläutert die Vorteile und Philosophie dahinter.

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NI arbeitet mit an der Entwicklung des weltweit ersten TSN-Testbeds für den industriellen Einsatz – mit dem Ziel der Bereitstellung einer Netzwerkinfrastruktur für das IIoT und Industrie 4.0.
NI arbeitet mit an der Entwicklung des weltweit ersten TSN-Testbeds für den industriellen Einsatz – mit dem Ziel der Bereitstellung einer Netzwerkinfrastruktur für das IIoT und Industrie 4.0.
(Bild: National Instruments)

Herr Jamal, die neuen Controller wurden dem Markt als so genannte Smart-Edge-Controller präsentiert. Was versteckt sich hinter diesem Begriff?

Nicht zuletzt durch unsere deutsche Initiative „Industrie 4.0“ sollte nun jedem klar sein, dass das Internet of Things auch für die Fertigungstechnik relevant ist. Es handelt sich dabei tatsächlich um das nächste große „Ding“ - das aus tausenden von Sensoren mit noch nie dagewesener Embedded-Intelligenz besteht. Diese wiederum erfassen Unmengen an Big Analog Data, die sie über extrem schnelle Drahtlosnetzwerke weiterleiten. So kann die richtige Information zur rechten Zeit zur Verfügung stehen, um die richtige Entscheidung treffen zu können. Das wird auch in der Fertigung ausschlaggebend sein, will man die Nase vorn haben.

Deshalb müssen die Controller künftig mehr können, als lediglich Steuerungsaufgaben abzuarbeiten. Die Anforderungen des IIoT wachsen stetig und erfordern enorme Rechenleistung, Kommunikationsmöglichkeiten, aber auch präzise Regelung. Genau das vereinen unsere neuen Industrie-Controller. Sie haben eine leistungsstarke Datenverarbeitung, basierend auf aktuellen kommerziellen Technologien wie die Intel Core i7 Dualcore-Prozessoren. Hinzu kommt ein anwenderprogrammierbarer FPGA, was sie individuell anpassbar macht und somit auch für künftige Anforderungen gewappnet sind.

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Wann wird diese Geräteklasse in den Fertigungshallen zu finden sein?

Das braucht natürlich Zeit, doch wir sehen bereits heute den Bedarf an Smart-Edge-Systemen in der Produktion. Denn wir erleben schon jetzt einen Umbruch in der Steuerungstechnik, weil sich der Anteil der Steuerungsaufgaben solcher Controller langsam reduziert und mehr Richtung Smart-Edge-Messtechnik tendieren wird. Ob es nun die Bildverarbeitung ist, die am „Edge“ selbst stattfindet, oder etwa die Auswertung der erfassten Daten.

In einer solchen Architektur ist die Handhabung der Daten nicht gerade unwichtig. Was wird sich im Hinblick auf künftige Kommunikationskonzepte bezüglich der Datendurchgängigkeit bis in die Cloud tun?

IEEE-802-Standards legen die Anforderungen fest, die ein IT-Netzwerk bezüglich unterschiedlicher Ethernet-Schichten und -Funktionen aufweisen muss. Zudem sorgen sie für Interoperabilität verschiedener Geräte. Mittlerweile kooperieren Chiphersteller mit IT-Dienstleistern und Zulieferern der Industrie innerhalb des durch diese Standards vorgegebenen Rahmens sowie in der kürzlich gebildeten AVnu Alliance, um Standard-Ethernet-Protokolle zu aktualisieren und eine begrenzte Datenübertragung mit geringer Latenz für zeitkritische Daten in IIoT-Anwendungen bereitzustellen.

Der daraus entstehende Standard der nächsten Generation - Time-Sensitive Networking kurz TSN, soll die Schwachstellen existierender Netzwerke adressieren. Ähnlich wie die Wi-Fi Alliance dafür sorgt, dass Geräte dem IEEE-802.11-Standard entsprechen, forciert die AVnu Alliance, zu der etwa Broadcom, Cisco, Intel und NI zählen, ebenfalls durch Zertifizierung die Schaffung eines interoperablen Ökosystems.

Im Übrigen haben wir erst diesen Februar unsere Kooperation an einem TSN-Testbed bekannt gegeben, das vom Industrial Internet Consortium, kurz IIC, ins Leben gerufen wurde.

Welche Vorteile bietet denn dieser neue TSN-Standard im Vergleich zu den heute eingesetzten ethernetbasierten Feldbussen?

Im Grunde genommen sind es vier Hauptvorteile: Erstens Bandbreite: Anspruchsvolle Sensoranwendungen mit großen Datensätzen, wie 3D-Scan, Leistungsanalysen oder industrielle Bildverarbeitung, belasten häufig die Netzwerkbandbreite. Außerdem werden für die Steuerung und Regelung heute oft proprietäre Ethernet-Derivate genutzt, die wiederum auf Halbduplex-Kommunikation und Bandbreiten von 100 MB limitiert sind. TSN hingegen soll Vollduplex-Kommunikation unterstützen und gängige Ethernet-Raten gestatten.

Zweitens Security: Die meisten heute eingesetzten maschinennahen Feldbusse nutzen Air Gap oder Security through Obscurity, um die Datensicherheit zu gewährleisten. Prägend hierfür ist in die Automobilindustrie, in der geschlossene CAN-Netzwerke und Air Gaps für die Übermittlung sämtlicher Steuerungs- und Betriebsdaten genutzt werden. Wie neueste Sicherheitslücken - Security breaches - jedoch deutlich machen, ist es erforderlich, die Datensicherheit auch komplett auf die kritische maschinennahe Steuerungs- und Regelungsinfrastruktur zu erweitern. Bei TSN sind kritische Steuerungs- und Regelungsdaten bei der Übertragung geschützt. Zudem werden gängige IT-Sicherheitsbestimmungen eingehalten. Weitere Abwehrebenen für das Sicherheitsframework lassen durch Segmentierung und Leistungsschutz erreichen.

Drittens Interoperabilität: Weil sich TSN auf gängige Ethernet-Komponenten stützt, lässt es sich in den üblichen IT-Verkehr und bereits existierende Brown-Field-Anwendungen reibungslos integrieren und so die Bedienfreundlichkeit verbessern. Auch wird TSN einige Ethernet-Funktionen übernehmen, beispielsweise http-Schnittstellen und Webdienste, die Reparaturfunktionen, Ferndiagnosen und Visualisierungen gestatten – so wie sie bei IIoT-Systemen gängig sind. Durch die in Großserien hergestellten kommerziellen Chips, tragen die eingesetzten Standard-Ethernet-Chipsätze zusätzlich zu gesenkten Komponentenkosten bei.

Viertens Latenz und Synchronisation: TSN priorisiert Kommunikation mit geringer Latenz, was insbesondere für Regelungsapplikationen sowie solche, die eine schnelle Systemantwort erfordern, vonnöten ist. Ebenso gestattet der neue Standard eine zeitliche Synchronisation zwischen den einzelnen Knoten bis in den zweistelligen Nanosekundenbereich und deterministische Übertragungszeiten im zweistelligen Mikrosekundenbereich. Für eine zuverlässige Übertragung zeitkritischer Daten wiederum sorgen automatisierte Konfigurationen für äußerst zuverlässige Datenpfade. Hier werden Pakete dupliziert und anschließend zusammengeführt, was wiederum für eine verlustlose Pfadredundanz sorgt.

In Zukunft wird wohl ein Teil der Daten im Feld – in den Edge Controllern – und ein Teil übergeordnet in der Cloud verarbeitet werden. Sehen Sie die Anwender für diese IT-technologische Herausforderung schon gewappnet? Inwiefern stehen Sie als Technologie-Lieferant den Anwendern diesbezüglich bei?

Wir unterstützen Anwender, solche Aufgaben umzusetzen. Durch aktive Mitarbeit an verschiedene Initiativen wie etwa dem Arbeitskreis „Sensorik in der Produktion im Kontext von Industrie 4.0“ des Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquiums sowie aktiven Mitgliedschaften in den unterschiedlichen Konsortien wie etwa der AvNU Alliance oder dem IIC sind wir Pionier in diesem Bereich.

Ein Hauptaugenmerk des IIC zum Beispiel liegt auf dem Generieren so genannter Testbeds. Mit solchen Prüfständen sollen die neuesten Innovationen und Möglichkeiten des Industrial Internet initiiert, durchdacht und auf ihre Markttauglichkeit getestet werden. Das erste von mittlerweile vier Testbeds unter unserer Mitwirkung namens Track and Trace Testbed, entstand zusammen mit Bosch, Cisco und Tech Mahindra und wurde anlässlich der Bosch Connected World im Februar 2015 vorgestellt.

Hintergrund ist die intelligente Fabrik. Die Fabrik von heute ist hochentwickelt und erfordert ein exaktes Arbeiten – bis hin zum exakten Drehmoment, um eine Schraube festzuziehen. So lässt sich mit intelligenten Tools und Prozessen die Position eines Funk-Akkuschraubers innerhalb einer Werkhalle genau ermitteln. Abhängig davon ist sodann automatisch das richtige Drehmoment für die jeweilige Aufgabe wählbar, was es wiederum ermöglicht, sicherheitsrelevante Schrauben stets mit exakt der vorgeschriebenen Kraft anzuziehen. Mögliche Anwendungsgebiete solch vernetzter handgehaltener Schraub-, Niet- oder Messwerkzeuge finden sich beim Bau und der Wartung von Motoren und Flugzeugen. Ich kann mir vorstellen, die Daten mit den Edge-Controllern direkt im Feld zu messen und dann in die Cloud zu schicken.

Apropos IIC-Testbed – Sie erwähnten, dass Sie gerade an einem neuen arbeiten, zum Thema TSN. Können Sie dazu etwas mehr erzählen?

Selbstverständlich! Es entsteht in Kooperation zwischen Bosch Rexroth, Cisco, Intel, Kuka, Schneider Electric und TTTech. Zusammen arbeiten wir an der Entwicklung des weltweit ersten industriellen TSN-Testbeds – mit dem Ziel, eine Netzwerkinfrastruktur für das IIoT und Industrie 4.0 bereitzustellen. Um neue digitale Technologien und vernetzte Produktionsprozesse nutzen zu können, ist ein zuverlässiger und sicherer Zugriff auf Smart-Edge-Geräte erforderlich. Außerdem ist es unabdingbar, Standard-Netzwerktechnologien weiterzuentwickeln, um den Anforderungen der nächsten Generation an industriellen Systemen gerecht zu werden. Nur so lässt sich die Art der Nutzung von Maschinen, Stromnetzen und Verkehrssystemen optimieren.

Dieses Testbed, für dessen physikalischen Aufbau NI als Host die Hauptverantwortung trägt, soll den Live-Einsatz von TSN in der Praxis in einem Fertigungskontext demonstrieren. Es soll den Weg für eine offene Standard-Netzwerkarchitektur ebnen, bei der sich Technologien verschiedener Hersteller integrieren und deren Interoperabilität gewährleisten lassen. Zusätzlich sorgt er für noch nie dagewesene Leistung und Zuverlässigkeit. Der neue IEEE-802-Ethernet-Standard TSN ermöglicht die Echtzeit-Steuerung und -Synchronisierung beispielsweise zwischen Motorsteuerungen und Industrierobotern – über ein einziges Ethernet-Netzwerk. Gleichzeitig unterstützt er aber weiteren Datenverkehr, wie er in Fabriken üblich ist, und sorgt somit für Konvergenz zwischen IT- und Betriebstechnologien.

Viele Echtzeit-Regel- und Steueranwendungen wurden bisher in nicht miteinander verbundenen Netzwerken oder in nicht standardisierten Netzwerkinfrastrukturen umgesetzt. Auf Geräte und Daten zuzugreifen, war schwierig, wenn überhaupt möglich. Der Mehrwert von TSN liegt genau in dieser gesteigerten Konvergenz und den erweiterten Anbindungsmöglichkeiten. So ist der Zugriff auf wichtige Daten gewährleistet, die der Anwender benötigt, um Big Data Analytics durchzuführen und somit Betriebsabläufe zu verbessern sowie neue Geschäftsmodelle auf Basis intelligenter, vernetzter Systeme und Maschinen zu schaffen.

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