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Automatisierung

Daten für die Cloud

Gesamtkonzept Net-IOT, Informationen vom Sensor bis zur Cloud.  (Foto: Hilscher)
Gesamtkonzept Net-IOT, Informationen vom Sensor bis zur Cloud. (Foto: Hilscher)

Der wachsende Stellenwert von Cloud-Automatisierung, IOT (Internet of Things) und Industrie 4.0 kann daran deutlich abgelesen werden, dass auf der letztjährigen Messe SPS/IPC/Drives 2015 und auch auf der kommenden Hannover Messe dieses Thema der unbestrittene Hauptschwerpunkt bei den Ausstellern und Besuchern sein wird.

Was genau verbirgt sich aber hinter Schlagworten wie Cloud, IOT oder Industrie 4.0? Wie lässt sich diese Technologie für den Maschinenbau nutzbringend ein- oder umsetzen? In Fachkreisen ist man sich einig, dass es sich am Ende um eine konsequente Weiterentwicklung der heutigen Automatisierungstechnik hin zur Smart Factory mit dem Ziel einer kostenoptimierten Individualfertigung mit Stückzahl 1 handelt. Damit verbunden sind im ersten Schritt reale Use-Cases, wie vorbeugende Wartung, automatische Fertigungsoptimierung, effizienter Umgang mit Resourcen, Energiemanagement, Traceability und weitere.

Ziel: ein sich selbst organisierendes Fertigungssystem

Das Fernziel von Industrie 4.0 ist es, ein sich selbst organisierendes Fertigungssystem, in das die IT und die Feldebene mit deren Automatisierung eingebunden sind, zu realisieren. Mit der Verknüpfung von IT und Feldgeräten erweitern sich aber auch die Möglichkeiten, über die klassische Fertigungstechnik hinaus, neue Potenziale im Maschinenbau, in der Prozess- und Verfahrenstechnik, der Energietechnik (Smart Grid) und Verkehrs-Leittechnik zu erschließen.

Bei Hilscher hat man erkannt, dass ohne die Daten aus der Feldebene von unzähligen Sensoren und Aktoren einer Anlage die angestrebten Use-Cases nicht umgesetzt werden können. Aber auch mit diesen Daten erfolgt die eigentliche Wertschöpfung erst mit den Software-Anwendungen auf der IT-Ebene, die auf diese Daten der Feldgeräte, die in der Cloud verfügbar sind, zugreifen können. Daher muss bei der Umsetzung von IOT/Industrie 4.0 immer die gesamte Datenkette vom Sensor bis zur Cloud betrachtet und berücksichtigt werden. Hierbei dürfen Sicherheitsüberlegungen und dazu passende, abgestufte Security-Konzepte selbstverständlich nicht fehlen.

Edge-Gateway als Bindeglied zwischen Automatisierungs-Komponenten und der Cloud. (Foto: Hilscher)
Edge-Gateway als Bindeglied zwischen Automatisierungs-Komponenten und der Cloud. (Foto: Hilscher)


Die Firma Hilscher zeigte als Beispiel für die Realisierung von Industrie 4.0 auf der Messe das stilisierte Modell einer Flaschenabfüllanlage, gesteuert mit klassischen SPSen und vernetzten Sensoren und Aktoren auf Basis Profinet, wie sie auch in der Realität häufig angetroffen werden kann. Neben den für eine solche Anlage notwendigen Steuerungen, waren die angeschlossenen Feldgeräte von verschiedenen Herstellern durchgängig mit einem integrierten Protokoll auf der Basis von OPC/UA und MQTT für die Kommunikation zur Cloud ausgestattet. Gezeigt wurde ein realer Datenfluss vom Sensor bis in die Cloud, der unabhängig von der steuernden SPS und dem zyklischen Prozessdatenaustausch stattfand.

Durchgängige, objektorientierte Datenbank für IOT

Unter „Net-IOT Interface“ werden Lösungen für die Ausstattung von Feldgeräten mit IOT-(Industrie 4.0)-Funktionen zusammengefasst, diese werden zunehmend mit mehr Intelligenz und Funktionen ausgestattet. Speziell für Industrie 4.0 und IOT wird ein durchgängiges, objektorientiertes Datenmodell vom Feldgerät bis zur Managementebene gefordert. Dabei werden Datenobjekte parallel zur eigentlichen Prozess-Steuerung per OPC UA oder MQTT direkt in die Cloud übertragen und dort von entsprechender Software ausgewertet, um als Grundlage für Entscheidungen im Fertigungs- und Wartungsmanagement zu dienen. Die Übertragung der Daten im Feld erfolgt in einem zusätzlichen TCP/IP Layer über das gleiche physikalische Kabel, das auch für die Profinet beziehungsweise Real-Time-Ethernet-Kommunikation genutzt wird. Hierdurch entfällt eine zusätzliche, teuere und oftmals auch nicht mögliche oder gewünschte Zusatzverkabelung der Anlage. Die Übertragung erfolgt dabei rückwirkungsfrei zum

Der Net-IOT Starterkit bietet den risikolosen Einstieg in das Thema Internet of Things. (Foto: Hilscher)
Der Net-IOT Starterkit bietet den risikolosen Einstieg in das Thema Internet of Things. (Foto: Hilscher)

RTE-Protokoll und vollkommen unabhängig von der SPS.

Messwerte werden mit Zusatzinformationen ergänzt

Die Protokolle OPC/UA und MQTT haben sich in Europa beziehungsweise den USA als Basis zum Datenaustausch bei den Cloud-basierten Systemen etabliert. Diese beiden IOT/Industrie 4.0-Protokolle transportieren die Daten von den Feldgeräten, Sensoren und Aktoren, ergänzen sie um semantische Informationen und leiten sie über Profinet als IOT-Telegramme an Edge Gateways weiter. Die Gateways senden diese Daten dann über ein „normales“ TCP/IP-basierendes IT-Netzwerk in die Cloud. Hierdurch wird zum Beispiel aus einem, vom Sensor gelieferten Wert „53“, erst die Information, dass es sich um eine Temperatur handelt, die in Grad Celsius interpretiert werden muss. Zusätzlich können auch umfangreiche Herstellerangaben zum Sensor mitgesendet werden. Informationen darüber, welcher Typ Sensor verbaut wurde, wer der Hersteller ist und wo Ersatz besorgt werden kann, seien nur als Beispiele genannt. Theoretisch könnten also hinter jedem Wert eines Sensors/Aktors beliebig viele Zusatzinformationen zur Verfügung gestellt werden. Alles dies sind Angaben, die für die Steuerung des zyklischen Ablaufes nicht relevant sind und daher in der SPS bisher größtenteils gar nicht vorliegen, jedoch für die Funktionen der Cloud unbedingt nötig sind.

Mit Net-IOT Edge sind Gateways bezeichnet, die die Datenübertragung von der Feldebene zur Cloud realisieren. Diese sogenannten Edge-Gateways wurden entwickelt, um die Daten der unterlagerten Feldgeräte einzusammeln und so aufzubereiten, dass die Programme in der Cloud diese Daten zur Weiterverarbeitung nutzen, das heißt richtig interpretieren können.

Gateways fungieren als zentrale Sammelstellen

Im Bereich der Fertigungs-Automatisierung können zurzeit die Protokolle Profinet und Ethernet/IP als „Datentransporteur“ für Cloud-Daten genutzt werden. Durch den Einsatz von Edge-Gateways wird die Anwendung der IOT-Technologie aber nicht auf diese klassischen SPS-Protkolle beschränkt, sondern es können Lösungen für beliebige Kommunikation-Protokolle aus den verschiedensten Anwendungsbereichen auf Edge-Gateways realisiert werden.

Als zentrale Sammelstelle an der Grenze zwischen Feldebene und normaler IT werden die Daten im Gateway gesammelt, vorverarbeitet und dann an die angeschlossene Cloud gesendet. Das Gateway ist hierbei durch ein gehärtetes Linux Betriebssystem auf Basis der zertifizierten Lösung „Moon Island“ von  Intel bestmöglich gegen Angriffe von innen und außen geschützt.

Verbesserte Sicherheit durch Private-Cloud

Im Gateway ist zusätzlich ein Webserver implementiert, der es, zusammen mit dem Open Source Konfigurationstool Node-Red von IBM, dem Anwender ermöglicht, eine nahezu beliebige Verknüpfung der im Feld gewonnenen Daten vorzunehmen. Selbstverständlich ist auch der Zugang zu dem Konfigurationstool entsprechend sicher ausgelegt worden. Anschließend werden die Daten an die vom Kunden gewünschte Cloud gesendet und stehen dann den verschiedenen Software-Applikationen zur Verfügung. Um ein häufiges Missverständnis klären: Die Cloud muss hierbei natürlich nicht zwingend eine dezentrale Cloud-Struktur mit Internetzugang sein. In vielen Fällen wird sich eine lokal installierte Privat-Cloud als sinnvollerer Speicherort der sensiblen Felddaten herausstellen. Zumal eine entsprechende IT-Infrastruktur in vielen Firmen vorhanden ist und „nur“ ergänzt werden muss.

Unter Net-IOT Service werden die Dienstleistungen, die im Zusammenhang mit der Cloud-Anbindung stehen, zusammengefasst. Dies umfasst keine eigene Cloud-Lösung, sondern ist eine Leistungspalette von Software-Tools und Workshops zur Cloud-Anbindung. Der Kunde kann entsprechend seinen Belangen und Sicherheitsaspekten die Cloud seiner Wahl wählen; selbstverständlich auch eine Private Cloud, die sich innerhalb der eigenen IT-Umgebung befinden kann.

Industrie 4.0 als Bestandteil der strategischen Geschäftsausrichtung

Für die verschiedenen, an die Cloud angedockten IT-Applikationen, wie zum Beispiel ERP-Lösungen, MES-Anwendungen, stehen nun alle Daten aus der Feldebene zur Verfügung und können beliebig ausgewertet werden. Weiterhin könnten diese Applikationen auch Parameter-Daten über den beschriebenen Weg wieder bis zum Sensor/Aktor zurückschreiben. Mit entsprechenden Anwendungen ist es dann möglich, eine Konfiguration eines Feldgerätes oder Sensors/Aktors quasi per Remotezugriff und unahängig vom Hersteller von einer zentralen Stelle aus zu administrieren; eine Funktion, die heute nur mit großem Aufwand lokal am Sensor/Aktor durchgeführt werden kann.

 

Für Sie entscheidend
Vorbereitung auf Industrie 4.0
Industrie 4.0 ist nicht nur generell für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau ein Thema. Alle Hersteller und die Anwender von Maschinen und Automatisierungsanlagen werden sich diesem Thema stellen müssen, um langfristig international wettbewerbsfähig zu bleiben. Im Umkehrschluss ergibt sich daraus aber auch die zwingende Notwendigkeit für den Maschinenbau, eine Schnittstelle zur IT, beziehungsweise der Cloud in die eigenen Maschinen zu integrieren und dies als Feature zur Zukunftssicherheit den Kunden anzubieten.

Über den Autor
Autorenbild
Stefan Körte, Bereichsleiter Sales & Marketing, Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH, Hattersheim

Über die Firma
Hilscher GmbH Gesellschaft für Systemautomation mbH
Hattersheim
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