Serie Industrie 4.0 – Teil 2: Intelligente Feldkomponenten

Der Autor: Johannes Gillar, freier Journalist, Leinfelden-Echterdingen, im Auftrag der elektro AUTOMATION

Warum gerade die Kommunikation von der Feldebene bis ins ERP-System und zurück so wichtig ist, erklärt Prof. Dr. Detlef Zühlke, Wissenschaftlicher Direktor Innovative Fabriksysteme am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserslautern: „Unsere Fabrikwelt steht momentan unter einem großen Veränderungsdruck. Der Kunde kann sich mittlerweile an seinem PC Produkte individuell konfigurieren und dann in Sekunden per Mausklick bestellen. Er möchte dann erstens eine schnelle Lieferung und zweitens ein permanentes Tracking seines Auftrags. Und die Firmen müssen in der Lage sein, immer kleinere Stückzahlen hochgradig individualisierter Produkte wirtschaftlich herzustellen.“ Hierzu brauche es neben gut ausgebildeten Fachkräften agile Fertigungsanlagen, die man schnell an veränderte Marktgegebenheiten anpassen kann. „Wenn wir Sensoren oder Aktoren so einfach einbinden und nutzen können, wie wir das heute bei unseren PC-Druckern gewöhnt sind – Stichwort Plug & Play – haben wir eine wesentliche Voraussetzung für agilere Produktionssysteme geschaffen“, ist er überzeugt.

Dr. Peter Adolphs, Geschäftsführer Entwicklung & Marketing bei Pepperl + Fuchs in Mannheim, sieht Feldkomponenten wie Sensoren als Schrittmacher der vierten industriellen Revolution. „Die Basis von Industrie 4.0 ist die Vernetzung möglichst vieler Komponenten des Automatisierungssystems“, verdeutlicht er. Der Mehrwert entstehe aber nicht über den neuen Übertragungsweg – die Cloud –, sondern dadurch, dass prinzipiell überall der Zugriff auf alle Informationen vorliegt und somit neue Möglichkeiten entstehen, die sich erst aus der Verknüpfung der Daten ergeben. Adolphs: „Sensoren spielen in diesem Szenario eine herausragenden Rolle, da sie Daten aus dem realen Prozess liefern, somit also Information aus erster Hand.“ Aus dieser neuen Situation heraus werde der Bedarf nach noch mehr Sensorwerten (quantitativ und qualitativ) weiter wachsen. Auch er sieht im reibungslosen Datentransfer über die Hierarchien des Systems hinweg die Voraussetzung, um mehr Daten zu verknüpfen und damit optimierte Steuer- und Regelstrategien zu berechnen. „Dabei geht es um die Geschwindigkeit des Datentransfers aber auch um eine schnelle und sichere Integration von weiteren Feldgeräten in eine Anlage, also um optimiertes Engineering“, erklärt der Experte.

Warum dies so ist erläutert Dr. Markus Köster, Leiter Technologie Elektronik bei Weidmüller in Detmold: „Bisher war es so, dass die Daten, die im Feld erzeugt worden sind, bis zur Steuerung gelangt sind und dann in der Steuerung für ihren Automatisierungszweck verarbeitet wurden.“ In der Industrie 4.0 sei es aber so, dass auch andere Systeme diese Daten nutzen müssen und darüber hinaus auch noch Informationen aus dem Feld benötigen – gegebenenfalls von anderen Sensoren. Im Prinzip müsse man weitere Daten erzeugen, die sich dann von höher gelagerten Systemen verarbeiten lassen. „Das können zum Beispiel Energiemanagementsysteme sein, die auf diese Daten zugreifen“, so der Experte. Der erste Schritt sei also, alle vorhandenen Daten zu bekommen, aber zusätzlich auch neue Daten. Beim Thema Energiemanagement habe Weidmüller beispielsweise seinen Energy Meter, der die Energieverbräuche des Prozesses oder der Produktionsanlage im Detail aufnimmt.

„Meist sind das Informationen, die man dazu nutzt, um den Prozess weiter zu optimieren und Energie effizienter zu nutzen“, erklärt er. „Deswegen sind es zusätzliche Daten, etwa Analysedaten vom Sensor, die erst einmal mit dem Fertigungsprozess, den ich steuern will, nichts zu tun haben“, so Dr. Köster. Entlang der klassischen Automatisierungspyramide von Ebene zu Ebene – aus der Feld- in die Steuerungsebene zur ERP-Ebene – seien viele Informationen verloren gegangen. „Daher musste man dann den Maschinenbauer befähigen, dass er die Informationen für höher gelagerte Ebenen bereitstellt. Eine richtige Durchgängigkeit bis runter auf die Feldebene hat es in dem Sinne nicht gegeben“, bemängelt er. Zudem gibt es laut Köster derzeit kein durchgängiges Kommunikationsprotokoll oder die erforderlichen durchgängigen Standards, sondern jeder Hersteller hat sein eigenes Protokoll.

Aber gerade die Kommunikation über Systeme verschiedener Hersteller oder Integratoren hinweg, muss in einer I4.0-Welt geregelt sein“, sagt Rihab Ehm, Marketing Managerin TIA Portal in der Siemens Division Factory Automation, „hier bieten wir mit der Integration von OPC UA in unserer S7-1500 CPU einen wichtigen Beitrag.“ In der digitalen Fabrik würden Datenvolumina zunehmen, deshalb brauche es stabile Netze, Geräte, und flexibel parametrierbare Feldbusse bis hin zu leistungsfähigen Datenbackbones auf Werks- und Unternehmensebene. „Gerade intelligente Sensoren und Aktoren geben uns die Möglichkeit, die Parameter wie Grenzwerte und Messbereiche, an neue und dynamisch verwaltete Rezepte zu adaptieren, ohne manuell eingreifen zu müssen – der Loop von Bestellung zu Sensor/Aktor wird deshalb digital geschlossen“, verdeutlicht sie.

In den smarten Fabriken der Industrie 4.0 muss also jede Komponente eines Automatisierungssystems – wie Sensor oder Aktor – mit jeder anderen im Netzwerk direkt kommunizieren können. Im Umkehrschluss heißt das, dass jeder Sensor, um kommunikationsfähig zu werden, eine eigene IP-Adresse benötigt. Die große Frage diesbezüglich ist, ob sich das in der Praxis überhaupt umsetzen lässt? „Je nach Intelligenz und Wert der Aktoren/Sensoren, brauchen diese eigene IP-Adressen, was tendenziell eher zunimmt. Einfache Sensoren brauchen dies bis auf absehbare Zeit aber nicht. Deren Daten können über intelligente Peripheriegeräte eingesammelt werden“, meint Ehm. Auf Automatisierungsseite und in Maschinennähe machen laut der Siemens-Managerin zentrale Steuerungen Sinn, die so als Datenpuffer dezentrale, autarke Lösungsschritte selbständig bearbeiten können.

DFKI-Forschungsbereichsleiter Zühlke glaubt dagegen, dass jedes kleinste Element in einem Automatisierungssystem mit einer IP-Adresse versehen sein und sich damit in ein Netzwerk einbinden wird. „Mit dem Übergang auf IP V6 sind die technischen Voraussetzungen geschaffen worden, dass dies machbar wird“, verdeutlicht er und fragt: „Warum sollte ein einfacher induktiver Berührungsschalter keine IP-Adresse bekommen und sich damit in das Netzwerk einklinken?“ Zum einen werde gerne die Kostenfrage dagegen gehalten. Das sei heute sicher ein Killerargument, aber wenn man die technische Entwicklung extrapoliert, sieht er in drei bis fünf Jahren durchaus eine realistische Chance, dass sich ein IP-Bero rechnet. „Das zweite Gegenargument ist immer das Zeitverhalten eines IP-basierten Netzwerks. Sensoren und Aktoren kommunizieren momentan noch mit recht geringen Datenmengen, dafür werden aber hohe Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit und Latenz gestellt“, erklärt der Vorstandsvorsitzender der Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V.. Auch hier werde man noch einige Jahre warten müssen bis ein Industrial Internet mit den geforderten Eigenschaften zur Verfügung steht. „Aber ich bin sicher, es wird kommen“, ist Zühlke überzeugt. Diesen Gedanken unterstützt auch Pepperl+Fuchs-Geschäftsführer Adolphs: „Auf jeden Fall muss jeder Sensor eindeutig und sicher identifizierbar sein. Diese Anforderung kommt aber nicht allein aus der neuen Kommunikationsmethode, sondern ist zudem unerlässlich für eine Rückverfolgbarkeit und auch die Basis für ein Asset-Management-System.“ Vor einigen Jahren noch hätte man dieses Ansinnen sicherlich als übertrieben erachtet, mit den neuen Möglichkeiten der IT werde das wohl keine wesentliche Hürde mehr darstellen.

Skeptischer ist da sein Kollege Köster von Weidmüller. Für günstige Sensoren wie Analog-Sensoren oder Temperatursensoren werde das sicherlich schwer umzusetzen sein. „Da noch die Technik zu integrieren, dass man auch eine IP-Adresse hinterlegen kann, ist letztendlich eine Kostenfrage. Da bin ich skeptisch, dass das passieren wird“, sagt er. Da werde man wahrscheinlich immer noch eine Art Remote-I/O oder ein Gateway haben, dass die einfachen Sensoren anschließt, um die Daten einzusammeln. Für etwas komplexere Sensoren wird sich laut Köster allerdings ganz normal das Ethernet-basierte Protokoll durchsetzen.

Einfache Feldkomponenten müssen folgerichtig zu Industrie-4.0-Komponenten werden, um die intelligente Vernetzung der Produktion, also das Entstehen von Cyber-Physical-Production-Systems (CPPS), voranzutreiben. Wie weit ist die Industrie aber mit der praktischen Umsetzung tatsächlich und welche Herausforderungen müssen Hersteller und Anwendern meistern? „Zunächst einmal haben wir hier ein Henne-Ei-Problem zu lösen“, meint Professor Zühlke und verdeutlicht: „Damit ein Kunde Industrie-4.0-kompatible Sensoren und Aktoren kaufen kann, muss es Hersteller dafür geben. Und die können keine Produkte nur mit der Vision Industrie 4.0 bauen, sondern benötigen klar definierte Standards für die einfache Netzwerkeinbindung.“ Industrie 4.0 mache auch nur dann Sinn, wenn viele Hersteller kompatible Produkte liefern. Das Problem ließe sich am besten lösen, indem man Hersteller und Anwender in einem Netzwerk zusammenbringen würde und sie miteinander lernen und arbeiten lässt. „Das ist offenbar das Erfolgsmodell unserer SmartFactory KL-Initiative, in der sich mittlerweile über 45 Partner – national wie international, große wie kleine – zusammengeschlossen haben und gemeinsam Standards und kompatible Produkte entwickeln“, glaubt er.

Weidmüller bietet hier bereits verschiedene Komponenten an. „Wir haben etwa den Signalwandler ACT 20C im Programm“, nennt Markus Köster ein Beispiel. Mit dieser Komponente habe das Unternehmen erstmals einen Signalwandler entwickelt, der über eine Ethernet-Schnittstelle verfügt. Diese Kommunikationsfähige Signalkonverter wandeln analoge Maschinendaten in digitale Daten, die anschließend in einer Cloud bereitgestellt und analysiert werden. ACT 20C-Module lassen sich laut Köster dank ihrer Kommunikations-Schnittstelle in Industrial-Ethernet-Strukturen einbinden. „Das Besondere hierbei ist, dass die Signalkonverter neben den typischen Funktionen wie Signalerfassung, -aufbereitung, -normierung und -ausgabe umfangreiche Diagnosefunktionen bereitstellen“, erläutert er. Die anschließende Datenübermittlung in eine Cloud gestatte den Abgleich von Produktions- und Fertigungsdaten sowie weiteren Informationen, etwa aktuelle Energiepreise, und verschafft somit durchgängige Transparenz über alle Produktionsdaten. „Insgesamt gestalten wir unsere Komponenten mehr und mehr kommunikationsfähig. Das heißt, Komponenten, die früher nicht über eine Kommunikationschnittstelle verfügten, werden in Zukunft darüber verfügen, sodass man da auch Informationen drauf abgreifen kann“, ergänzt der Leiter der Technologie Elektronik. Das könne etwa auch ein Netzteil sein, aus dem sich dann diese Informationen auslesen lassen – zum Beispiel, in welchem Zustand es sich befindet. Daneben arbeiten die Ingenieure bei den Detmoldern an Weiterentwicklungen im Bereich Remote-I/O. „Das heißt“, so Köster, „die Komponenten die wir nutzen, um von Sensoren aus der Feldebene die Daten abzuholen und der Steuerung zur Verfügung zu stellen. Da haben wir mehr und mehr Funktionen, die wir in die Remote-I/Os integrieren; wir bieten da schon Webserver an, die auf die Remote-I/O selbst integriert sind, um auf die Informationen der Remote-I/O zuzugreifen“. Lösungstechnisch geht es hierbei um das U-Remote-System von Weidmüller.

Sensor-Spezialist Pepperl+Fuchs arbeitet ebenfalls an der praktischen Umsetzung. Peter Adolphs: „Am Ende der Entwicklung wird sicherlich der Sensor mit integrierten IP-Interface stehen. Das wird aber noch viele Jahre brauchen, sodass wir eine Migrationsstrategie verfolgen.“ Für höherwertige Sensorik, etwa Visionsensorik, werde man das IP-Interface als Standardkommunikationskanal zum Sensor etablieren, sodass dieser für die Kommunikationsbelange nach Industrie 4.0 einfach mitbenutzt werden könne. Für die große Anzahl einfacher, teils binärer Sensoren sei das aber kein geeigneter Weg. „Als Zwischenlösung benutzen wir IO-Link. IO-Link bietet heute schon eine voll-digitale Kommunikation zwischen Sensor und Steuerung und ist im Sensor ohne wesentliche Mehrkosten unterzubringen“, erklärt er. Leider sei IO-Link nur eine Punkt-zu-Punkt Verbindung und lässt sich nicht direkt an die Cloud anschließen. Ein Master, der eine ähnliche Aufgabe wie ein Switch in der Ethernet-Welt hat, müsse dazwischen geschaltet werden, um das Echtzeitsignal zur Steuerung und die anderen Daten per Industrie-4.0-Kommunikation weiterzuleiten. „Die Lösung Smart Bridge ist unsere Realisierung dieses Szenarios“, nennt Adolphs ein konkretes Produktbeispiel. „Das kleine Smart-Bridge-Kästchen wird in die Leitung zwischen Sensor und Steuerung eingebaut, zieht die Parametrierinformation ab und sendet sie über einen Bluetooth-Kanal an ein Tablet oder einen anderen Rechner.“ Der besondere Clou dabei sei, dass dieser Eingriff so erfolgt, dass die geforderte Echtzeitverbindung zur Steuerung nicht beeinträchtigt werde. Damit ließen sich bestehende Anlagen sehr einfach um erste kleine Industrie-4.0-Elemente erweitern und der Einstieg in Industrie 4.0 könne so dosiert getrieben durch den jeweiligen Optimierungsbedarf vorgenommen werden. „Wir denken, dass das eine interessante und vor allem praktikable Vorgehensweise ist“, betont er.

Siemens-Expertin Ehm möchte Industrie 4.0 dagegen nicht an einzelnen Komponenten, etwa Feldkomponenten festmachen. Es bedürfe hier eines breiteren Lösungsansatzes, der alle Komponenten einer digitalen Fabrik umfasst. „Unseren Lösungsansatz für Industrie 4.0 bezeichnen wir dabei als Digital Enterprise“, so die Marketing-Managerin. Der Weg zum Digital Enterprise umfasse vier logisch aufeinander aufbauende Kernelemente: Einmal die Digital Enterprise Software Suite von Siemens, die auf der Lösung Teamcenter als Kollaborationsplattform basiert und PLM (Product-Lifecycle-Management), MES/MOM (Manufacturing Execution System/Manufacturing Operations Management) und TIA (Totally Integrated Automation) verbindet. Und dann ginge es um die Elemente Industrielle Kommunikationsnetzwerke, Sicherheit in der Automatisierung sowie geschäftsspezifische industrielle Services.

Es tut sich also einiges in Sachen vierter industrieller Revolution. Von intelligenten, kommunikationsfähigen Feldkomponenten über cyber-physische Systeme hin zur autonomen smarten Fabrik wird in der Industrie viel geforscht und entwickelt. Zudem werden in diesem Zukunftsszenario zunehmend softwaregesteuerte Maschinen und Industriekomponenten mit der IT-Welt des Internets verknüpft. Das Resultat dieser tiefgreifenden Entwicklung ist ein virtuelles Abbild der realen Produktionsanlagen und Maschinen im so genannten Internet der Dinge. Der große Vorteil derartig vernetzter Systeme liegt letztendlich in einer gesteigerten Produktivität bei der Herstellung. Und auch die Politik ist mit im Boot. So würdigte Bundeskanzlerin Angela Merkel vor dem Start der Computermesse Cebit in einem Videostatement die Bedeutung der Digitalisierung für die deutsche Wirtschaft und sie zum Handeln in Sachen Digitalisierung aufgefordert: „Wer heute gute Maschinen, wer heute gute Autos herstellen kann, aber nicht in ausreichender Weise den Zugang zum Kunden bekommt, der wird morgen nicht mehr der Produzent oder der Hauptanteil an der Wertschöpfung sein“, sagte die Kanzlerin. Das Thema Big Data stehe zu Recht auf der Tagesordnung, denn Daten seien die Rohstoffe des 21. Jahrhunderts. jg

Zur Hannover Messe 2016 startete in mehreren Fachtiteln der Konradin Mediengruppe die Serie „Industrie 4.0 – Update für die Produktion“ (siehe elektro AUTOMATION 4/2016, S. 34 ff). Parallel zu der Betrachtung der Feldkomponenten finden Sie im Industrieanzeiger 11/2016 ab S. 24 eine Beschreibung der SmartFactory KL unter dem Titel „Die neun Module der Zukunft“. Die nächsten Serienteile beschäftigen sich mit dem Thema Cyber-Security.

Jumo-Digiline ist ein System bestehend aus intelligenten Sensoren, Messumformern und einer Sensordatenmanagement-Software. Damit lassen sich unterschiedlichste Sensoren in Stern- oder Baumstruktur miteinander verbinden. Lediglich eine einzige digitale Signalleitung geht dann noch zu einer Auswerteeinheit oder Steuerung. Neu ist auch die zum System gehörende DSM-Software (Digital Sensor Management). Die notwendige Parametrierung und die Kalibrierung der Sensoren kann bequem im Labor mithilfe eines PCs oder Laptops, einem USB-Schnittstellenwandler und der Digiline-Software durchgeführt werden. Kalibrierdaten und die Bewertung des Sensorzustandes sind direkt im Sensor gespeichert und ermöglichen eine lückenlose Dokumentation über den gesamten Lebenszyklus.