Heute schon mit der Produktion von morgen Schritt halten

Red Lion zeigt auf der SPS IPC Drives anhand einer 4m langen Produktionslinie, wie moderne industrielle Automatisierungs- und Netzwerkprodukte miteinander kommunizieren und so dem Anwender einen Einstieg in die Plattform Industrie 4.0 erleichtern. Dabei legt das Unternehmen seinen Fokus auf Produktlösungen, die ein Upgrade von vorhandenen Maschinen auf zukünftige Anforderungen ermöglichen.

Bild: Red Lion Controls

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Industrie 4.0, Cyber Physical Systems und das Internet der Dinge bestimmen die Diskussion um die Fertigungstechnik von morgen. Bei einem Fabrikneubau auf der grünen Wiese mag man sich eine Realisierung relativ bald vorstellen können. Aber neue Produktionsstätten in Deutschland sind eher die Ausnahme. Wie also kann die bestehende Fertigungsindustrie in Deutschland für den kommenden Technologiesprung fit gemacht werden? Der Schlüsselfaktor liegt in einer verlässlichen Kommunikationsinfrastruktur und einem intelligenten Datenmanagement. Dafür sind zwei grundlegende Voraussetzungen zu erfüllen, um eine bestehende Fertigung an die Anforderungen des Smart Manufacturing anzupassen.

Bild: Red Lion Inc.

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1. Gemeinsame und sichere Kommunikationsinfrastruktur

Kommunikation ist das wichtigste Element einer intelligenten Fabrik, die ohne sicheren und schnellen Informationsaustausch nicht funktionieren kann. Die Datenmengen und die Anzahl der kommunizierenden Geräte werden dabei um ein Vielfaches größer sein, als dies in einer heutigen Fertigung der Fall ist. Die bisherige Trennung in der klassischen Automatisierungspyramide wird wegfallen, Informationsaustausch findet über alle Ebenen hinweg statt. Es kommen sogar noch weitere Kommunikationsteilnehmer hinzu, zum Beispiel Lieferanten, Kunden und das zu produzierende Produkt selbst. Die Kommunikation wird sowohl drahtgebunden als auch drahtlos, im Intranet und über das Internet stattfinden. Deshalb muss die Infrastruktur steigende Bandbreiten, Zuverlässigkeit und Sicherheit bieten. Ethernet und TCP/IP werden sich als weltweiter Standard für die Kommunikationstechnik etablieren. Industrielle Switche mit besonders hoher Lebenserwartung und sehr robuster Bauweise sollten eine Selbstverständlichkeit sein. Auch wenn in der Fabrikumgebung wohl kaum extreme Temperaturschwankungen von -40 bis +85°C herrschen und die IT-Komponenten wohl nie Vibrationen von 50g ausgesetzt werden - Geräte, die für derartige Bedingungen geschaffen worden sind, werden im Fabrikumfeld erst recht zuverlässig ihren Dienst verrichten. Weil ein Ausfall der Netzwerkkomponenten fast unweigerlich einen Produktionsstillstand zur Folge hat, sind hohe Fehlertoleranz und redundante Strukturen ratsam.

Bild: Red Lion Controls

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Ausreichend Bandbreite

Um die Datenmengen bewältigen zu können, muss neben der ausreichenden Bandbreite auch auf Managementfunktionalitäten geachtet werden, die dafür sorgen, dass Kommunikationslasten sinnvoll verteilt und priorisiert werden. Da ein weiteres Element der Fabrik von morgen die Flexibilität und Reorganisation ist, muss auch die Kommunikationsinfrastruktur flexibel, modular und ad-hoc rekonfigurierbar sein. Modulare Switche sind hervorragend geeignet, müssen aber Funktionen wie den Modultausch während des laufenden Betriebes oder eine automatische Selbstkonfiguration mit sich bringen. Da die Komplexität der Netzwerke zunimmt, sind automatisierte Lern- und Konfigurationsprozeduren innerhalb der Switche ohnehin sehr ratsam. Denn in einem sich ändernden Produktionsgeschehen kann kein Mensch die Übersicht behalten. Die Switche müssen sich selber organisieren und der Mensch kann über eine Monitoring-Funktion die Vitalität seines Netzwerkes beobachten. Im Falle einer drohenden Überlastung oder eines Fehlers bekommt er automatisch Meldung und kann eingreifen. Red Lion Controls bietet mit seiner modularen Switch Plattform NT24k in Verbindung mit anderen Modellen der N-Tron- und Sixnet-Serien eine passende Plattform, die auf die hauseigenen Automatisierungsprodukte abgestimmt ist.

2. Gemeinsame Datenbasis und Sprache

Wenn man von Ethernet und TCP/IP als Grundlage ausgeht, bleibt immer noch die Frage nach der gemeinsamen Sprache und sogar dem Dialekt. Insbesondere wenn es darum geht, ein industrielles Gerät aus der Produktion mit einem Softwareprodukt der Unternehmensebene sprechen zu lassen. Mit anderen Worten, die Automatisierungswelt und die IT Welt wachsen unweigerlich zusammen. Leider gibt es heute eine unüberschaubare Vielfalt an industriellen Protokollen und Bussystemen und nicht weniger IT und Software Kommunikationsstandards. Mit OPC UA (Unified Architecture) deutet sich ein möglicher gemeinsamer Nenner an, aber es ist zu erwarten, dass es trotz aller gemeinsamen Anstrengungen weiterhin mehrere industrielle Sprachen und Dialekte geben wird. Denkt man darüber nach eine bestehende Produktionsstätte zu einer Produktionsstätte 4.0 aufzurüsten, wird schnell das Kernproblem der gemeinsamen Datenbasis klar. Die verschiedenen Protokolle der zu integrierenden Bestandsmaschinen und -komponenten müssen in das gemeinsame Kommunikationsnetz eingebunden und die einzelnen Teilnehmer in die Lage versetzt werden, die für sie relevanten Informationen aus der Datenflut herauszufiltern und umzusetzen. Einfache Kommunikations-Gateways oder Protokollkonverter, wie Sie heute üblich sind, sind dafür ungeeignet. Aufgrund der Komplexität und Masse der Daten sind intelligente Datenmanager im Schnittstellenbereich der Altkomponenten und der neuen Infrastruktur notwendig. Diese Geräte müssen auf der einen Seite punktuell Daten aus den bestehenden Systemen aufnehmen, diese übersetzen und gegebenenfalls verknüpfen, um Sie dann in das Netz einzuspeisen. Aus der anderen Richtung müssen diese Geräte aus den Cloud-Daten genau die Informationen rausfiltern, die sie dann in Daten und Befehle übersetzen können, welche die angeschlossenen Altsysteme verstehen.

Daten Speichern, archivieren und visualisieren

Ein Datenmanager an der Übergangsstelle zur bestehenden Produktion sollte dabei ohne Eingriffe in die bestehenden Steuerungssysteme funktionieren. Denn diese könnten mit den zusätzlichen Aufgaben, die Industrie 4.0 mit sich bringt, überfordert sein. Zusätzlich zur Datenorganisation sollten diese Geräte also idealerweise auch noch Funktionen wie Datenzwischenspeicherung und -archivierung, Visualisierung sowie Monitoring und Alarmierung bieten. Das ist insbesondere wichtig, weil die Integrität und Sicherheit der Daten gerade an diesen Übergängen gewährleistet und dokumentiert werden muss. Auf einer solchen Kommunikationsinfrastruktur lassen sich dann Schritt für Schritt weitere Elemente der intelligenten Fertigung implementieren, bis am Ende dann die schöne neue Produktionswelt 4.0 auch in dem gewachsenen Betrieb umgesetzt ist. Das HMI ist als Kommunikationszentrale konzipiert. Es ist damit nicht nur Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine, sondern auch zwischen Automatisierung und IT. Neben der eigentlichen Visualisierungsaufgabe erfüllen die HMI wesentliche Funktionen, welche für ein Upgrade auf Industrie 4.0 notwendig sind:

• • Datenmanagement: Datenintegration, Protokollkonvertierung / Datenkonvertierung, Nutzdaten-Generierung, Datenpufferung, -filterung und -organisation, Automations/IT Schnittstelle
• • Flexibilität und Modularität: Einfache Integration, zukunftsfähige Erweiterbarkeit durch Plug-In Module, Herstellerunabhängigkeit, schnelle Rekonfigurierung und Anpassung

Durch eine umfangreiche Protokollbibliothek und zahlreiche, integrierte Schnittstellen können sämtliche Automatisierungskomponenten in einer gemeinsamen Datenbasis zusammengefasst werden. Bevor diese dann an die IT weitergegeben werden, besteht die Möglichkeit die Daten zu konvertieren oder in relevante Informationen umzurechnen oder zu verknüpfen. Für die IT erscheint die Anlage dann mit nur einer einzigen IP-Adresse und einem definierten und geordneten Datensatz, der in beide Richtungen beschrieben und ausgelesen werden kann. Dies verringert Komplexität und Risiko bei der Anbindung älterer Anlagen an moderne IT-Systeme.