IIoT-Gateways von ASEM ermöglichen Smart Factory bei Röchling

Bei der Implementierung einer kompletten IIoT-Lösung (Industrial Internet of Things), die Maschinen mit dem übergeordneten System zur Steuerung einer Smart Factory (etwa ein MES oder Smart-Factory-System) verbindet, leistet das IIoT-Gateway RM20 der ASEM S.r.l. aus dem italienischen Artegna gute Dienste. Das IIoT-Gateway kombiniert die Fernwartungsfunktionalitäten der Ubiquity-Plattform des Unternehmens mit dem Programmierpotenzial der HMI-Lösung Uniqo.

Einfache Kommunikation zu verschiedenen SPSen

Der Anwender kann durch die Integration der Uniqo-Software eine intelligente und komplett dynamische Anwendung erstellen. Diese erfasst die notwendigen Einstellungen für die Kommunikation mit der jeweiligen SPS (IP-Adresse und Port, Typ der verwendeten SPS) über eine dem System zur Verfügung gestellte Konfigurationsdatei. Einmal gestartet, kann die Anwendung die Kommunikation mit der definierten SPS herstellen und zur Laufzeit die Erfassung der im SPS-Programm definierten Variablen starten. Das ist von Vorteil, weil oft die Variablen in der Designphase noch nicht bekannt sind – und damit erst während der Ausführung der Anwendung erfasst und ausgewertet werden können.

Schnittstelle für Diagnose und Überwachung

Alle relevanten Variablen werden jedes Mal, wenn ein bestimmter Prozess abgeschlossen ist (beispielsweise ein Bauteil produziert oder bearbeitet wurde) anhand des Namens und des Strukturtyps, der sie charakterisiert, erfasst. Zu diesem Zeitpunkt importiert die Anwendung die Daten aus der SPS gemäß dem konfigurierten Protokoll und stellt sie über einen OPC-UA-Server in entsprechenden Datenstrukturen zur Verfügung. Dem Anwender steht damit eine universelle und effektive Schnittstelle für Diagnose und Überwachung zur Verfügung.

Mit Ubiquity bietet Asem eine innovative Fernwartungs-Lösung

Fallbeispiel Röchling

Die Röchling-Gruppe, einer der Pioniere bei der Herstellung kundenspezifischer Kunststoffprodukte, wollte anlässlich der Entwicklung und Produktion eines neuen Motorradtanks eine IIoT-Lösung implementieren, bei der ASEM-Technologie zum Einsatz kommt. Ziel war, eine innovative Lösung für die Interoperabilität der Fertigungsmaschinen mit dem MES zu finden – sowohl für neue als auch bereits vorhandene Maschinen.

Konkret ging es um die Neuentwicklung eines Motorrad-Kraftstofftanks, der die seitens der US-Umweltschutzbehörde gestellten Anforderungen erfüllt. Die beiden Schalen des Tanks werden auf einer Spritzgießmaschine mit einem doppelten Einspritzsystem produziert und anschließend von weiteren roboterisierten Fertigungsstationen zusammengesetzt.

Um die bezüglich der IIoT-Lösung geforderten Ziele zu erreichen war es zudem erforderlich, eine bidirektionale Kommunikation mit dem Leitsystem der Smart Factory bereitzustellen. Sobald das ERP eine Bestellung erhält, baut es die Kommunikation zum MES (Smart-Factory-System) auf, das seinerseits die Maschinenparametrierung übernimmt – so dass auf diese Weise das gewünschte Produkt produziert wird.

Im Rahmen der Implementierung bei Röchling waren insbesondere vier Aufgaben zu erfüllen:

• 1. Automatische Anpassung an verschiedene SPS-Protokolle: Die Maschinen und Geräte, welche die Informationen der verschiedenen Prozesse an das Smart-Factory-System liefern, stammen von externen Lieferanten oder werden intern hergestellt. Dies bedeutet, dass zur Erfassung der Daten eine Kommunikation über proprietäre Kommunikationsprotokolle erforderlich ist – abhängig von der jeweils verwendeten SPS. Typischerweise handelt es sich um Automatisierungssysteme von Beckhoff, Siemens oder Rockwell Automation – abhängig von der Wahl des jeweiligen Maschinenbauers. Die Kommunikationsbibliotheken müssen also direkt auf die SPS geschrieben und die überwachten Prozessvariablen gelesen und beispielsweise über einen OPC-UA-Server zur Verfügung gestellt werden können. Dieses scheinbar einfache Verfahren impliziert jedoch eine Überarbeitung der SPS-Programme, von denen viele nicht auf dem neuesten Stand sind – was im Zusammenhang mit dem Software-Update zudem einen Stillstand der Anlage zur Folge hat. Nicht zu vernachlässigen ist außerdem der Aspekt, der mit der tatsächlichen Verfügbarkeit der notwendigen Bibliotheken und deren Lizenzkosten verbunden ist.
• 2. Zwei-Wege-Kommunikation mit der Cloud: Die vom MES beziehungsweise Smart-Factory-System erfassten Daten werden verwendet, um die Produktion in Abhängigkeit vom Zustand der Maschinen zu koordinieren und um ihnen die notwendigen Informationen für die Realisierung der Werkstücke zu liefern. Außerdem werden die erfassten Daten gespeichert und analysiert, um den Produktionsprozess zu optimieren. Dazu müssen über proprietäre Feldbusse erfasste SPS-Daten per MQTT-Protokoll an den Smart-Factory-Server übermittelt werden.
• 3. Hohe Anforderungen an die Konnektivität: Die gesamte Zykluszeit – ab dem Moment, in dem die Daten aus der SPS gelesen werden bis zum Empfang der Prozessinformationen durch das MES – muss innerhalb einer bestimmten Zeitspanne liegen. Um mögliche Datenverluste durch unvorhersehbare Verbindungsprobleme beim Senden von Daten an den Server zu vermeiden, ist außerdem eine lokale Datenbank erforderlich, die als Kommunikationspuffer fungiert.
• 4. Sichere Fernwartung: Die Maschinensicherheit muss durch die Trennung zwischen Maschinen- und IT-Netzwerk gewährleistet sein. Zusätzlich ist eine Fernverbindung mit der Maschine zur Überwachung und Diagnose erforderlich.

Alle Aufgabenstellungen konnten mit dem eingangs beschriebenen IIoT-Gateway RM20 von ASEM sowie der damit möglichen Kombination aus Ubiquity-Fernwartung und Uniqo-HMI gelöst werden.

Integration vorhandenen Codes

Als Vorteil erwiese sich dabei, dass sich durch die Integration einer Open-Source-C#-Bibliothek in die Anwendung vorverarbeitete Daten über das MQTT-Protokoll an das übergeordnete MES automatisch übermitteln lassen. Die Möglichkeit, vorhandenen Code zu integrieren, erlaubt eine vollständige Anpassung und Optimierung der Anwendung an die spezifischen Bedürfnisse des Anwenders. Das schließt die notwendige lokale Datenpufferung ein, um keine Informationen zu verlieren, falls die Netzwerkverbindung nicht verfügbar ist (Speicherfunktion). Sobald diese wiederhergestellt ist, werden die Daten an den Server gesendet (Weiterleitungsfunktion), der wiederum mit den angeschlossenen Maschinen kommuniziert.

Vollständige Wiederverwendbarkeit

Ergänzend wurde für dieses Szenario beschlossen, eine NoSQL-Datenbank als Alternative zu den von Uniqo angebotenen Speicherfunktionen auf SQLite-Datenbanken zu verwenden. Das ermöglicht die vollständige Wiederverwendbarkeit der bestehenden, getesteten und in der Funktionalität zufriedenstellenden Logik. Die vom Smart-Factory-System erfassten Daten werden nun verwendet, um die Produktion in Abhängigkeit vom Zustand der Maschinen zu koordinieren und um den Maschinen die notwendigen Informationen für die Realisierung der Werkstücke zu liefern.

Aus der Ferne erreichbar

Nachdem alle Daten an den Broker des Smart-Factory-Servers gesendet wurden, wartet die Anwendung auf eine Antwort des initiierten Prozesses und schließt dann die Schleife, indem sie die für die Ausführung des Maschinenzyklus erforderlichen Informationen an das SPS-Programm übermittelt. Dank der in das RM20-System integrieren Fernwartungsfunktionalität von Ubiquity ist es zudem möglich, sich mit dem Gateway zu verbinden und die an das Maschinensubnetz angeschlossenen Automatisierungsgeräte aus der Ferne zu erreichen. Auf diese Weise können über einen VPN-Tunnel Überwachungen, Diagnosen und Hilfestellungen erfolgen, um so die von der IEC 62443-3-3 definierten Fernsteuerungs- und Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Ubiquity gewährleistet darüber hinaus auch die Maschinensicherheit und ermöglicht die geforderte Trennung zwischen dem Automatisierungs- und dem IT-Netzwerk. (co)

Weitere Details zum IIoT-Gateway RM20:
hier.pro/iSoGu

Kontakt (in Deutschland):
ASEM S.r.l.
Udo Richter
General Manager D-A-C-H
Tel. +49 170/8332218
u.richter@asem.it
www.asem.it/de

Zum Lizenzmodell

Das Uniqo-Geschäftsmodell bietet eine hohe Flexibilität: Für die selbe Lizenz (hier XS) kann der Kunde selbst wählen, wie er die 5 verfügbaren Token verwenden möchte. Beispielsweise entsprechend der beiden folgenden Fälle:

• Fall 1: Das RM20-Gateway kann 2 verschiedene Kommunikationsprotokolle auf dem selben Gerät und den OPC-UA-Server als universelle Schnittstelle zur Kommunikation mit anderen Systemen nutzen.
• Fall 2: Andernfalls kann ein RM20-Gateway pro Maschine angeschlossen und weitere Uniqo-Funktionen wie MySQL (abhängig vom Bedarf der Anwendung) sowie der OPC-UA-Server als universelle Kommunikationsschnittstelle mit anderen Systemen hinzugefügt werden.

Schematische Darstellung des Lizenzmodells
Bild: ASEM