Kommunikationstechnik als Fundament für das Industrial Internet of Things (IIoT)

Zukunftsfähige Datenkommunikation

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Das Internet der Dinge (IoT) und sein industrielles Äquivalent Industrie 4.0 sind heute in aller Munde. Doch was bedeutet es wirklich bzw. was müssen Automatisierungsgerätehersteller beachten, um ihre Geräte zukunftsfähig zu gestalten? Mit der Anybus-Kommunikationstechnologie von HMS steht eine schnelle und flexible Lösung zur Einbindung von Automatisierungsgeräten in industrielle Kommunikationsnetze zur Verfügung.

DER AUTOR Dipl.-Ing. Michael Volz ist Geschäftsführer der HMS Industrial Networks GmbH in Karlsruhe

Eines ist klar: Die Kommunikationsschnittstelle wird zur Schlüsselfunktion. Datenvolumen und -geschwindigkeit steigen rasant und Security spielt eine immer wichtigere Rolle. Zukunftsfähige Automatisierungskomponenten müssen heute sowohl die bewährten industriellen Feldbus- und Industrial-Ethernet-Netzwerke für die Prozessdatenübertragung als auch die TCP/IP-basierten Protokolle der IT-Technik unterstützen. Die Herausforderung für Gerätehersteller liegt deshalb insbesondere darin, alle Kommunikationsfunktionen über eine einzige leistungsfähige Kommunikationsschnittstelle abzuwickeln. Geräte, die diese Forderungen erfüllen, sind gut gerüstet für die Zukunft mit Industrie 4.0 und dem industriellen Internet der Dinge.
Die Experten für industrielle Kommunikation von HMS Industrial Networks haben den Trend frühzeitig erkannt und stellen mit der vierten Generation der Anybus-Kommunikationstechnologie nun eine extrem schnelle und zugleich flexible Lösung zur Einbindung von Automatisierungsgeräten in moderne, industrielle Kommunikationsnetze vor.
Anybus-Kommunikationsschnitsttellen der 4. Generation (40er-Serie) unterstützen über eine einzige Kommunikationsschnittstelle sowohl schnelle Ethernet-basierte Real-Time-Protokolle wie Profinet IRT, Ethernet/IP, Ethercat oder Powerlink und führen darüber hinaus – quasi simultan – auch IT-Funktionen wie Zugriffe auf geräteinterne Webseiten durch oder übertragen Diagnose- und Qualitätssicherungsdaten über TCP/IP-basierte IT-Protokolle. Damit werden Automatisierungsgeräte mit Anybus-Kommunikationstechnik der 4. Generation sozusagen IIoT-ready. Gerätehersteller sind damit für die weitaus höheren Anforderungen der Zukunft gerüstet und sparen im Vergleich zu Eigenentwicklungen bis zu 70 % der Entwicklungskosten und auch die Time to Market sinkt beträchtlich.
Kommunikationstechnik für die letzte Meile
Als „letzte Meile“ versteht man in der Automatisierungstechnik die Strecke zwischen den Steuerungen (SPS, IPC) und ihren untergeordneten Feldgeräten. In den Anfangszeiten der Bussysteme wurden auf der letzten Meile fast ausschließlich Prozessdaten (E/A) über Feldbusse ausgetauscht. Auch die Datenmenge war damals noch überschaubar. Moderne Kommunikationsnetzwerke wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat und Powerlink bieten heute die Möglichkeit, simultan zur Echtzeit-Prozessdatenübertragung auch IT-Daten sowie sichere E/A-Signale über ein und dasselbe Kabel zu übertragen. Integrierte 2-Port-Switche vereinfachen die Installation und erhöhen die Verfügbarkeit der Anlagen dank integrierter Redundanzmechanismen. Auch wenn die für den Anwender nutzbaren Funktionen der einzelnen Bussysteme sehr ähnlich sind, haben die Busprotokolle im Detail wenig gemeinsam. Da es den einen Standard auch weiterhin nicht gibt, setzen Gerätehersteller zunehmend Multiprotokollschnittstellen – wie die Anybus-Schnittstellen von HMS – ein und können so ihre Geräte mit der ganzen Vielfalt der industriellen Netzwerke verbinden.
Die vierte Generation
Die Anybus-CompactCom-40er-Serie unterstützt alle führenden industriellen Netzwerke, eignet sich aber insbesondere für Indus-trial Ethernet im High-End-Bereich, für TCP/IP-basierte Applikationen mit großen Datenmengen sowie für Feldbusanwendungen mit schnellen Netzwerkzyklen. Sie basieren auf dem von HMS entwickelten Anybus-NP40-Multiprotokollchip. Anybus-CompactCom-Kommunikationsschnittstellen der 40er-Serie gibt es als Embedded-Modul-, Brick- oder Chip-Lösung. Da die 40er-Serie praktisch keine Verzögerung zwischen Applikation und Netzwerk hat, ist sie hervorragend für hoch performante, taktsynchrone Applikationen wie Servo-Antriebe geeignet.
Egal, für welche Bauform man sich entscheidet, die Software-Schnittstelle zwischen dem Kommunikationsinterface und dem Applikationsprogramm des Automatisierungsgerätes ist immer gleich und weitestgehend unabhängig vom jeweils eingesetzten Busprotokoll. Bei der vierten Generation der Anybus-Technologie hat HMS die standardisierte Anybus-Software-Schnittstelle nochmals hinsichtlich Datendurchsatz, Netzwerkunabhängigkeit und Einfachheit der Integration in die Gerätesoftware optimiert. Durch zwei klar getrennte und voneinander unabhängige Kanäle wird dem Thema Security bereits auf unterster Ebene Rechnung getragen. Für die taktsynchrone Übertragung der E/A-Daten wird der dreifach gepufferte Prozessdatenkanal benutzt. IT-Funktionen und Parameter werden über einen Messaging-Kanal mit bis zu 1524 Byte großen Datenbereichen übertragen.
Gerätehersteller kommen am schnellsten mit dem einbaufertigen, in sich gekapselten Kommunikationsmodul zum Ziel. Die komplette Hard- und Software der Kommunikationsschnittstelle einschließlich der Steckverbinder ist auf einem kompakten Elektronikmodul integriert, das in einem entsprechend vorbereiteten Steckplatz im Automatisierungsgerät eingesteckt wird. Die Brick-Module hingegen lassen dem Entwickler mehr Freiheitsgrade bei der Auswahl der Steckverbinder und der Positionierung des Moduls im Automatisierungsgerät. Hersteller, die ihre Geräte in hohen Stückzahlen fertigen und daher oft auf Modularität verzichten, können schließlich auch den NP40-Chip nebst Softwarestacks lizensieren und so die Kerntechnologie nahtlos in ihre Geräteelektronik integrieren. Die HMS Solution Center realisieren auch individuelle Ausführungen nach Kundenanforderung.
Mit Teamwork zum Ziel
In der Welt der Industrie-Kommunikation wird es immer Neuerungen geben, aber auch langlebige, optimal auf eine spezielle Lösung ausgerichtete Bussysteme. Für eine wirklich zukunftssichere Investition ist daher vor allem eine breite Vielfalt an Kommunikationstechnik wichtig, um Zukunft und Vergangenheit zu verknüpfen. Der Schritt zu Industrie 4.0 fordert noch mehr: „Teamwork“ ist gefragt, Kommunikation über die Grenzen der Bussysteme hinweg und schnelle Einbindung in Systeme, die die eigentliche Produktion und Planungsebene optimal koordinieren. Dabei erscheint der Weg der skalierbaren Leistungsauswahl mit einer flexiblen Kommunikationsschnittstelle, wie sie die Anybus CompactCom 40er-Serie bietet, sinnvoll.
Roboterzelle im Automobilbau
Eine Robotersteuerung gibt z.B. per Profinet kurze Befehle in harter Echtzeit aus, um die einzelnen Komponenten der Anlage punktgenau zu dirigieren und kürzeste Produktionszyklen einzuhalten. Damit läuft die Produktion problemlos. Als zweite Ebene muss aber heute auch die Qualitätssicherung über den Fertigungsprozess Bescheid wissen. Während es genügt, zur Steuerung des Fertigungsprozesses wenige Steuersignale (z.B. für Schweißzange ansetzen, schweißen, lösen) schnell über Profinet zu übertragen, benötigt die Qualitätssicherung dagegen alle relevanten Daten dieses Prozesses, wie Spannung, Position und Stromverlauf an den Elektroden über die Zeit.
Das summiert sich auf stattliche Datenmengen, die nicht Echtzeit − jedoch vor Beginn des nächsten Schweißvorgangs − sicher übertragen werden müssen. Hinzu kommen dann noch Daten für die Visualisierung am Bedienterminal sowie die Möglichkeit, Programme der beteiligten Komponenten bei Änderungen des Produktionsprozesses in der Roboterzelle aktualisieren zu können; wie es im Konzept von Industrie 4.0 vorgesehen ist, um eine Fertigung bis hinab zur Serienstückzahl 1 rationell durchführen zu können. Schlussendlich sollen über dasselbe Netzwerk auch noch die sicheren Profisafe-E/A-Signale übertragen werden. Alle Kommunikationsfunktionen der Schweißsteuerung erfolgen über eine einzige Kommunikationsschnitsttelle. So wird Industrie 4.0 mit dem Ziel eines individualisierten und dennoch effizienten Produktionsprozesses bis hin zur Losgröße 1 Realität. ge
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