Industrie 4.0 mit Leben füllen

Die jetzt vorgestellte Technologie soll eine stärkere Interaktion von Maschinenbau, Automatisierung und IT ermöglichen und zukünftig neue Geschäftsmodelle, Produktivitätssteigerungen und die Fertigung in Losgröße 1 erlauben. „Das Internet ist längst ein gegebener Standard, mit dem die Unternehmen umfassend vernetzt sind“, erklärt dazu Stefan Körte, Leiter Vertrieb und Marketing bei Hilscher in Hattersheim: „Idee von Industrie 4.0 ist es, alle Unternehmens-Hierarchien zu verschmelzen und die Automatisierung als zusätzliches Element in die unternehmensweite IT einzubinden. Daraus ergeben sich enorme Potenziale, neue Anwendungen und neue Geschäftsmodelle.“ Ein möglicher Use Case ist beispielsweise Predictive Maintenance, das eine deutliche Steigerung der Produktivität ermöglicht. Basis dafür bildet die umfassende Auswertung der gesammelten Daten und die intelligente Verknüpfung daraus gewonnener Informationen.

Mit der netIOT-Interface-Produktlinie berücksichtigt der Hersteller die Vorgaben der RAMI-4.0-Referenzarchitektur des ZVEIs und bezieht auch die dort beschriebenen Kommunikationsmechanismen ein. netIOT erfasst die Daten in der Feldebene, leitet sie über die netIOT-Edge-Gateways weiter und erlaubt eine Vorverarbeitung vor der Übermittlung in die Cloud. Ziel der Entwicklungen bei Hilscher ist es vor allem, eine Lösung zu schaffen, die eine parallele und rückwirkungsfreie Übertragung der Industrie-4.0-Daten gemeinsam mit den Echtzeit-Ethernet-Daten auf der existierenden Steuerungs- bzw. Kommunikationsstruktur ermöglicht. Die netIOT-Lösung umfasst das Interface im Feldgerät, das Edge-Gateway und die abgesicherte Kommunikation in eine Cloud-Infrastruktur.

Während RAMI 4.0 Referenzarchitekturen für Industrie 4.0 in Deutschland beschreibt, hat sich in den USA das IIRA-Modell vom Industrial Internet Consortium (IIC) etabliert. Die RAMI-4.0-Referenzarchitektur bietet eine stark konzeptionelle und sehr detaillierte Sicht der Thematik, IIRA unterstützt dagegen einen pragmatischen und praxisbezogenen Ansatz. „Wer als Unternehmen auch in Zukunft erfolgreich sein möchte, wird die Wünsche seiner Kunden stärker berücksichtigen und mit neuen digitalen Angeboten, Produkten und Services noch einfacher, individueller und schneller erfüllen müssen“, erläutert Stefan Körte. „Die Entwicklungen im kommerziellen Bereich zeigen, was technologisch möglich ist und wie schnell sich die Dinge international entwickeln können. Das RAMI-4.0-Referenzmodell umfassend mit realem Leben zu füllen und gemeinsame Standards zu erarbeiten, dürfte noch einige Jahre dauern.“ Stefan Körte gibt zu bedenken: „Um jetzt den Anschluss an die internationale Entwicklung nicht zu verlieren ist es unerlässlich, auch im industriellen Bereich schon heute Lösungen umzusetzen, die sich an den angestrebten Standards orientieren und sich mit diesen weiterentwickeln.“ netIOT ist eine Lösung, die dem Maschinenbau bereits heute einen einfachen Einstieg ermöglichen soll, um so auch langfristig die starke internationale Position zu halten.

Durch den Einsatz von Real-Time-Ethernet-Systemen werden heute zunehmend intelligente Komponenten in der Feldebene mit der Steuerung sowie über die Zellenebene in die Leit- und Unternehmensebene verbunden. Parallel zur Echtzeit-Kommunikation erlauben diese Systeme außerdem eine zeitunkritische Übertragung von TCP/IP- oder UDP-Telegrammen auf demselben Buskabel. Industrie 4.0 nutzt diese Eigenschaften für den Transfer von Informationen mittels OPC UA bzw. MQTT. Mithilfe eines Edge-Gateways lassen sich diese Informationen über spezifische Services an die Cloud weiterleiten und für den weltweiten Zugriff zur Verfügung stellen. Stefan Körte prognostiziert: „Alles deutet darauf hin, dass sich diese Informationsebene zukünftig parallel und rückwirkungsfrei zur Steuerungsebene etablieren wird – vertikal über alle intelligenten Sensoren, Aktoren, IOs und weiteren Automatisierungskomponenten hinweg.“

Mit der netProxy-Technologie für Feldgeräte setzt Hilscher auf diesen Trend. Mit der Technologie definiert ein Geräte-Hersteller seine Gerätedaten und übergibt sie dem netIOT-Interface. Hier werden sie zum einen auf verschiedene Real-Time-Ethernet-Systeme abgebildet und an die Steuerung als E/A-Daten übertragen. Parallel dazu erlauben Webserver, OPC UA oder MQTT vom Edge-Gateway aus den Zugriff auf die vom Gerät bereitgestellten Cloud-Gerätedaten. Das netIOT-Interface bindet auch Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle in diese Funktionalität ein. Eine netIOT-Implementierung auf dem Gerät ermöglicht die Kommunikation über verschiedene Real-Time-Ethernet Systeme und schafft gleichzeitig über das Edge-Gateway den Zugang in die Cloud. Die Hilscher-Lösung unterstützt aktuell die Cloud-Plattform Bluemix von IBM, Hana von SAP sowie Azure von Microsoft stehen auf der Roadmap.

Die netIOT-Gateways schaffen mit dieser Architektur zwei zentrale Zugangspunkte in die gesamte Feldebene, die weder vom Netzwerk noch von einer speziellen Steuerung abhängen: Remote über die Cloud via Ethernet/Internet und Firewall oder lokal über USB, Ethernet, WiFi oder Bluetooth direkt am Gateway. Das Edge-Gateway erlaubt es dem OEM, über eine kundenspezifische App mittels Smart Phone oder Tablet seine Geräte zu konfigurieren und zu diagnostizieren, sowie auf Geräte- und Anlagendaten zuzugreifen. Als netIOT-Service stehen Software-Module zur Coud-Anbindung für die Weitergabe der Geräte- und Anlageinformationen in die Cloud mit deren Analyse- und Diagnoseprogrammen zur Verfügung. Voraussetzung für den Zugriff ist, dass die entsprechenden Security-Funktionen vorhanden und freigeschaltet sind. Das Edge-Gateway berücksichtigt die hohen Security-Anforderungen mithilfe der Intel-Moon-Island-Plattform und der integrierten Sicherheitsfunktionen von McAfee. Damit sind alle Voraussetzungen geschaffen, um die anstehenden Marktanforderungen zu erfüllen und neue Geschäftsmodelle umzusetzen.

Industrie 4.0 bzw. Industrial Internet gemäß IIC beginnen im Feldgerät. Hinter den Visionen stehen zwei klare Forderungen: Zum einen der Wunsch, die Geräte der Automatisierung an eine Cloud anzubinden und zum anderen das Ziel, in Feldgeräten Daten zu generieren, die über reine E/As hinausgehen, wie beispielsweise Diagnose-, Analyse- und Zustandsdaten. Diese Informationen dienen als Basis für alle weiterführenden Dienste und Geschäftsmodelle. Beide Anforderungen setzen im Feldgerät auf der Sensorebene an. Um diese zu erfüllen, hat Hilscher sein Kommunikations-IC weiterentwickelt und mit dem netIC IOT entsprechende IoT-Funktionen realisiert. Ein IoT-Gerät muss zusätzlich zu den neuen Funktionen auch einen Upgradepfad für Bestandsanlagen mitbringen. netIC IOT ist deshalb so ausgelegt, dass OEMs das DIL-32-Pinning einfach an ihre individuellen Anforderungen anpassen können. Vorgefertigte Profile ermöglichen einen schnellen Einstieg. Bestandskunden, die ihre Hardware nicht verändern und trotzdem IoT-Funktionen nutzen wollen, können ein „alt-kompatibles“ Pinning nutzen. Allen anderen steht ein Pin-Layout mit schneller SPI-Host-Anbindung zur Verfügung. Idealerweise sind grundlegende Sicherheitsmechanismen bereits im Feldgerät integriert. Mit netIC IOT wird der Gerätehersteller zukünftig per SPI einen TPM-Chip anbinden können. Dieser ermöglicht die Erweiterung des netIOT-Interface um neue Sicherheitsmechanismen, wie etwa Secure Boot.

Das Kernstück des netIC IOT bildet die netProxy-Technologie. Grundlage dafür ist eine geräteorientierte Objekt- und Dienstschnittstelle zwischen Applikationen und Kommunikation, wie sie auch von den Referenzarchitekturen von Industrie 4.0 und IIC gefordert werden. Der Marketing- und Vertriebsleiter erklärt: „Diese Abstraktionsschicht gleicht sowohl die Komplexität als auch die unterschiedlichen Protokoll-APIs aus und ermöglicht mit wenigen, einfachen Diensten den zyklischen Transfer zur SPS und den azyklischen Datenaustausch zur Cloud. Dabei werden die E/As in Objekten arrangiert und können gleichzeitig mit Analyse-, Diagnose- oder Zustandsinformationen angereichert werden.“ Der Gerätehersteller muss lediglich die generische Objekt-Schnittstelle in seine Applikation einbinden, netProxy setzt die Objekte selbstständig in entsprechende Netzwerkdienste um. Damit erstellt der OEM seine Anwendung komplett losgelöst von protokollspezifischen Anforderungen und erhält ein echtes Multiprotokollgerät. Die Technologie unterstützt die einfache Verschaltung von Applikation, die einfache Erzeugung von APPs und Datensammel-Profilen. Mit dem Drag-&-Drop-Prinzip entfällt die Programmierung, notwendig sind nur noch die Konfiguration und Verschaltung.

Die IBM-Cloud arbeitet mit offenen Standards. Mit der Node-RED-Schnittstelle werden Informationen aus den Feldgeräten in die Bluemix-basierten Applikationen übertragen. Eine schnellere Markteinführung und die kontinuierliche Pflege der Cloud-Applikationen sind dabei wesentliche Vorteile. Mit Mobile Devices können so Konfigurationen gelesen und geladen werden. Zusätzlich kann die ganze Vielfalt der Cloud-Applikationen während des ganzen Lebenszyklus der Geräte in der Feldebene genutzt werden. Die webbasierte Überwachung der Kommunikationsnetzwerke wird hier auf dem netIOT-Edge-Gateway ermöglicht. Topologie, Gerätedarstellungen und statistische Auswertungen sind lokal abrufbar und in Cloud-Applikationen nutzbar.

„Mit netIOT bieten sich dem Gerätehersteller vielfältige Möglichkeiten, eigene Features und Informationsfunktionen in seine Geräte zu integrieren, ohne die von der Anlagensteuerung geforderten Funktionen und die Industrial-Ethernet-Kommunikation zu ändern“, erläutert Stefan Körte: „Damit kann er sich vom Angebot seiner Wettbewerber differenzieren, indem er eigene Zusatzfunktionen in der Gerätesoftware integriert, auf die über IoT-Telegramme zugegriffen werden kann.“ Für die Hersteller größerer Automatisierungsgeräte wie Antriebe und Frequenzumrichter werden neue Geschäftsmodelle möglich. So können solche Geräte auch über Leasing oder Pay-per-Use-Konzepte vertrieben und damit neue Kundengruppen erschlossen werden.

Maschinen- und Anlagenbauer profitieren ebenfalls von den Funktionalitäten der Edge-Gateways. Alle Informationen der verwendeten Automatisierungsgeräte in der Maschine sind über die IT-Infrastruktur erreichbar. Die Diagnosedaten und Bus-Topologie werden vom Edge-Gateway aus den Feldgeräten ausgelesen und stehen via Browser oder App für mobile Endgeräte zur Verfügung. Damit ist es dem Maschinenbauer möglich, die Schnittstelle für eine Cloud-Anbindung als integriertes Feature gleich mit den Maschinen mitzuliefern und damit seinen Kunden Zukunftssicherheit und einen klaren Mehrwert zu bieten. „Ein Zusatznutzen besteht darin, Sensoren bei Inbetriebnahme einer Anlage direkt über das Edge-Gateway ansprechen und konfigurieren zu können“, so Körte. Allein das bietet ein hohes Optimierungspotenzial bei Inbetriebnahme und Wartung. Sicher ist, dass mit der Umsetzung von Industrie 4.0 bzw. Industrial Internet eine Vielzahl interessanter Daten aus den Sensoren und Aktoren der Feldebene verfügbar ist und das die intelligente Auswertung bereits heute einen Zusatznutzen bietet. „Während die eigentliche Wertschöpfung durch MES- und Cloud-Software realisiert wird, kann das gesamte System dann einen zusätzlichen Mehrwert generieren, wenn es unabhängig von laufenden Steuerungszyklen wahlfreien Zugriff auf die Feldgeräte-Daten hat“, resümiert Stefan Körte.

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Hilscher ist Aussteller des Böblinger Automatisierungstreffs