Smarte Verbindungstechnik

Sensoren an Cloud-basierte IT-Systeme anbinden

Smarte Verbindungstechnik

Die Realisierung der Anwendungsfälle des Industrial Internet of Things (IIoT) bedingt die Analyse zahlreicher Daten aus dem Produktionsbereich (OT) in IT-Systemen, was heute jedoch aufgrund der eingeschränkten Konnektivität meistens noch nicht möglich ist. Deshalb entsteht aktuell unter dem Dach des Industrial Internet Consortium (IIC) ein Testbed, das zeigt, wie sich Sensoren an die Cloud anbinden und Maschinen upgraden lassen. Zentraler Baustein ist ein smartes I/O-Modul, dessen Prototyp auf der diesjährigen SPS IPC Drives vorgestellt wird.
Ansätze wie IIoT, Industrie 4.0 und Smart Factory beruhen im Grunde auf einer umfassenden Digitalisierung der Fabriken. Ziele des IIC sind die Herausbildung eines IoT-Ökosystems, wo geeignete Lösung diskutiert, beschrieben und erprobt werden. Zu den wichtigsten Aktivitäten dieser offenen Organisation, der bereits mehr als 250 Mitglieder aus 30 Ländern angehören, zählen Experimentierplattformen (Testbeds), in denen künftige Technologien, Produkte und Anwendungen auf den Prüfstand gestellt werden, um herauszufinden, ob sie sich realisieren lassen und welchen Nutzen sie den Anwendern bieten. Ein Beispiel dafür ist die eingangs erwähnte Testbed zur Anbindung von vorhandenen Sensoren an die Cloud. Mit diesem demonstrieren TE, SAP, IFM und die OPC Foundation, dass sich der Energieverbrauch durch eine intelligente Lösung, die von der Erfassung der Daten über deren Transport und Verarbeitung bis hin zur Optimierung des Prozesses reicht, nachhaltig reduzieren lässt. Das Testbed umfasst verschiedene Software-Tools sowie eine Hardware-Komponente zur einfachen Integration in bestehende Systeme, mit der Informationen über eine OPC-UA-basierte Schnittstelle von der Maschine in das IT-System übertragen werden.

Daten ganzheitlich auswerten

Zwar werden heute in Maschinen schon zahlreiche Informationen durch Sensoren erfasst, jedoch steht nur ein Bruchteil für Analysen zur Verfügung – nach Erkenntnissen von TE verarbeiten die Steuerungen im Schnitt lediglich fünf Prozent der Daten. Wenn ihre Programmierung verändert würde, könnten auch auf die übrigen 95 Prozent zugegriffen werden. Aber abgesehen davon, dass manche Komponenten hierzu nicht genügend Rechenleistung haben, ist diese Vorgehensweise sehr aufwändig. Denn außer den Steuerungen müssen auch die, meistens über angeschlossene Gateways zur Verfügung gestellten Datenmodelle, von Automatisierungskomponenten wie Sensoren, Aktoren und Motoren angepasst werden, und zwar für jeden Maschinentyp eines Herstellers. Daraus resultieren sowohl hohe Kosten als auch nur schwer kalkulierbare Risiken für die Verfügbarkeit der Maschinen.

Intelligenz für Feldgeräte

Die Alternative besteht darin, die Daten schon auf der Sensorebene zu erfassen, wozu jedoch smarte Verbindungstechnik erforderlich ist, die einfachen Feldgeräten Intelligenz verleiht. Deshalb hat TE für die IIC-Testumgebung ein I/O-Modul entwickelt, das zusätzlich zu der I/O-Funktionalität als sogenannter Edge Computer fungiert. Normalerweise leiten I/O-Module die Informationen von Sensoren und Aktoren über ein übergeordnetes Bussystem an die Steuerungen weiter. Mit der smarten Variante kann zusätzlich zu diesem Echtzeit-Kommunikationspfad ein weiterer Pfad eingerichtet werden, über den sich Daten für die Überwachung des Energieverbrauchs in der Maschine aggregieren und dann an das IT-System übertragen lassen, ohne dass die Leistungsfähigkeit des Steuerungsnetzwerks beeinträchtigt wird. Da I/O-Module bereits heute in Maschinen vorhanden sind, können sie einfach ausgetauscht werden, ohne deren Architektur und Schnittstellen zu verändern. Außerdem ist die Semantik der Datenmodelle, mit denen die remote konfigurierbaren IO-Link-Sensoren des IIC-Testbeds beschrieben sind, in dem offenen IODD-Standard (IO Device Description) definiert. Dadurch lassen sich diese Sensoren nicht nur sehr einfach in das IT-System integrieren, sondern ihre Daten können dort auch komplett verwaltet werden.

Automatisierung und IT wachsen zusammen

Das smarte I/O-Modul ist von TE mittlerweile zu einem eigenständigen cyberphysikalischen System weiterentwickelt worden, das sozusagen die Brücke zwischen der Automatisierungs- und der IT-Welt schlägt. Es lässt sich leicht nachrüsten und ist vielseitig einsetzbar, also nicht nur zur Überwachung des Energieverbrauchs, sondern auch für andere Anwendungen, mit denen die Produktivität gesteigert werden kann wie etwa eine vorausschauende Wartung. Der Prototyp dieses Systems mit dem Namen IoT OmniGate ist auf der SPS IPC Drives zu sehen. Er besteht aus Hardware sowie einer Administrationsumgebung und einem Datenmanagement-Tool. Die Hardware bietet sowohl Schnittstellen zu klassischen Sensoren für die Fabrikautomatisierung wie z.B.IO-Link via M12 als auch für die Kommunikation mit der SPS via Ethernet – der Prototyp unterstützt Profinet, aber es werden in Zukunft auch weitere Protokolle unterstütz. Zusätzlich gibt es eine Ethernet Schnittstelle zur Anbindung an die IT/Cloud. Über diese Schnittstelle lässt sich die IT-Anbindung der Sensoren und Steuerungen herstellen und Schnittstellen generieren, über die die erfassten Daten in strukturierter Form an andere Anwendungen wie etwa ERP-Systeme weitergeleitet werden können. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, die Daten von verschiedenen Orten abzufragen. Außerdem haben sie immer das gleiche Format, was die Arbeit sehr erleichtert.

Umgesetzte Pilotprojekte

Wie Fabriken von smarter Verbindungstechnik profitieren, zeigen Pilotprojekte, die TE in eigenen Produktionsstandorten umgesetzt hat. Mit diesen Projekten, die sich an den klassischen Value Drivern (Ressourcen, Anlagen/Prozesse, Arbeit, Lagerbestände, Qualität, Sicherheit und Flexibilität) orientieren, die die Grundlage für Operational Excellence bilden, konnte die Overall Equipment Effectivness (OEE) deutlich verbessert werden, oder anders ausgedrückt: was zuvor erst nach rund einem Jahr möglich war, wurde innerhalb von drei Monaten erreicht. Wie die Value Driver jeweils gewichtet werden, ist von Unternehmen zu Unternehmen verschieden. Insofern bietet die Digitalisierung der Fabrik neue technische Möglichkeiten, mit denen sich die klassischen Value Driver auf wirtschaftliche Weise verbessern lassen.

Prozesseffizienz erhöhen

Das IIC-Testbed demonstriert, wie smarte Verbindungstechnologie dazu beiträgt, Daten von vorhandenen Sensoren an die Cloud anzubinden und dann in einem IT-System zu analysieren, um die Effizienz von Prozessen – in diesem Fall der Überwachung des Energieverbrauchs – zu erhöhen. Denn gerade für bestehende Infrastrukturen sind nachrüstbare Lösungen gefragt, die Ausfallzeiten minimieren, Kosten sparen und Produktivität erhöhen. Dass dieser Ansatz auch praxistauglich ist, haben Pilotprojekte in Fabriken von TE bewiesen.

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