Nicht nur für den Mittelstand

Christian Zingg und Stefan Selke, Eaton

Industrie-PCs stehen den klassischen SPSen in nichts mehr nach. Damit ist eine Voraussetzung für Industrie 4.0 erfüllt: Der Vernetzung intelligenter Komponenten im Internet der Dinge. Viele innovative Unternehmen sehen Chancen für die Zukunft. IT-Dienstleister wie SAP gehören genauso dazu wie Unternehmen, die traditionell im Maschinen- und Anlagenbau zuhause sind. Entweder arbeiten sie selbst oder in Kooperationen daran, Cloud-Dienste anzubieten, die die nötige Sicherheit und Zuverlässigkeit im industriellen Umfeld garantieren. Sie werden eingesetzt, um Produktionsressourcen oder Standorte zu vernetzen. Durch den durchgängigen Informationsaustausch werden Unternehmen in der Lage sein, ihre gesamten Geschäftsabläufe effizienter zu gestalten. Dazu ist es notwendig, dass auch die in der Maschine eingesetzten Produkte Zustandsdaten erfassen und kommunizieren können.

Die Planung eines Maschinenkonzepts beginnt vielfach noch immer mit der Auswahl der Steuerung und des Feldbusses. Das Industrie-4.0-Konzept stellt diesen Ablauf auf den Kopf: Um das Ziel einer konsequenten Modularisierung und Dezentralisierung zu erreichen, müssen einfache Komponenten wie Frequenzumrichter, Schutz-, Schalt-, Befehls- und Meldegeräte zu kommunikationsfähigen Geräten, zu Smart Devices werden. Grundelement eines Cyber Physical Systems CPS ist die Sensorik, denn Entscheidungen innerhalb von Prozessabläufen müssen auf Basis von Informationen getroffen werden. Die Erweiterung des Schützes zu einer Motor-Starter-Kombination mit integrierter Strommessung liefert wesentlich mehr Daten, die über eine Feldbusanschaltung oder eine intelligente Verdrahtung weitergegeben werden können.

Um den richtigen Zeitpunkt für eine vorsorgliche Wartung zu ermitteln, wird es in den allermeisten Fällen ausreichen, das oben beschriebene Funktionsmodul zu einem vollwertigen CPS zu machen. Ein solches CPS ist in der Lage, die Stromwerte des Motors zu interpretieren und nach Vorgaben der Programmierung entsprechende Aktionen einzuleiten. Eine solche Maßnahme könnte beispielsweise darin bestehen, dass mit einem anderen CPS Kontakt aufgenommen wird, um die Materialzufuhr für den Prozess zu reduzieren.

Aus Cyber Physical Systems werden so Cyber Physical Production Systems (CPPS). Seine Kommunikationsfähigkeit kann so erweitert werden, dass es über Protokolle wie OPC-UA direkt als Objekt innerhalb eines IT-Netzes, bzw. einer Cloud angesprochen werden kann. Es gibt bereits Konzepte, CPS (bzw. Funktionsgruppen oder einzelne Komponenten, die noch keine vollwertigen CPS sind) über Cloud-basierte Steuerungen zu kontrollieren. Ein solcher Ansatz steht allerdings dem Gedanken der Dezentralisierung diametral entgegen. Übernimmt die Steuerung in der Cloud auch zeitkritische Funktionen, wird die Komplexität des Gesamtsystems größer, denn es muss sichergestellt sein, dass die Cloud – unabhängig von ihrer Auslastung – ihre Befehle deterministisch, also zeitlich vorhersagbar, verteilt. Ein wesentliches Kennzeichen von CPS und CPPS ist die Kommunikationsfähigkeit auf Basis von offenen und globalen Standards. Innerhalb dieser Standards wird das CPPS typischerweise als Objekt definiert, welches über bestimmte Eingangs- und Ausgangsgrößen verfügt und über herstellerunabhängige Algorithmen angesprochen wird. Bei einer vollständigen Umsetzung der Industrie-4.0-Philosophie wird ein gesamter Fertigungsstandort zu einer Smart Factory, die aus einer oder mehreren CPPS besteht, die als Objekte innerhalb der Cloud über standardisierte Protokolle angesprochen werden.

Unternehmen, die ihre Wertschöpfungskette auf das Industrie-4.0-Konzept umstellen wollen, sind auf Maschinen und Anlagen angewiesen, die Industrie 4.0-ready bzw. IoT-ready sind. Voraussetzung dafür ist, dass die Maschinen eigenständige CPPS sind, die der Anlagenbetreiber als digitales Objekt über standardisierte Schnittstellen in die Cloud-Landschaft seiner Smart Factory einbinden kann. Dadurch werden Maschinenbauer, die ihre Produkte konsequent nach der Industrie 4.0 entwickeln wollen, am Markt nicht mehr nur nach Sensoren und Aktoren suchen, sondern nach Smart Devices, die die notwendige Kommunikations- und Rechenleistung integriert haben.

Ein Beispiel dafür, wie ein Gerät mit einer solchen Technologie zu einem Smart Device werden kann, ist der elektronische Motorschutzschalter PKE von Eaton. Mit der Anbindung an das intelligente Verdrahtungssystem SmartWire-DT und in Kombination mit anderen Sensoren und Aktoren wird aus dem Schaltgerät im Handumdrehen ein CPS. Schon heute kann der PKE über seine Elektronik Daten wie Motorstrom, Motorabbild, Überlast sowie verschiedene Statusinformationen erheben und über das intelligente Verdrahtungssystem weitergeben.

Eaton hat es sich zum Ziel gesetzt, Maschinen- und Anlagenbauer dabei zu unterstützen, ihre Maschinen IoT-ready zu machen. Dafür entwickelt das Unternehmen Komponenten, Systeme und Lösungen, die es allen Kunden ermöglichen, die Grundprinzipien der Industrie 4.0 in ihren Produkten umzusetzen.

Mit der Kombination aus leistungsfähigen Schaltgeräten und intelligenter Verdrahtung bietet Eaton schon heute alle Voraussetzungen für die Realisierung von Smart Devices. Über intelligente Netzwerkkoppler können diese Smart Devices als Objekte in den herstellerunabhängigen OPC-UA-Standard eingebunden werden. Das funktioniert sowohl für Komponenten im Schaltschrank als auch im Feld. Eine zentrale Aufgabe sieht das Unternehmen darin, gerade Maschinen- und Anlagenbauer aus dem Mittelstand dabei zu unterstützen, ihre Produkte IoT-ready zu machen. Im Rahmen seines „Authorized Lean Solution Partner-Programms“ arbeitet Eaton mit einem Netzwerk an Applikationsspezialisten zusammen, um Kunden über die Komponenten und Verbindungstechnik hinausgehende Lösungen anbieten zu können.

Das Netzwerk deckt Fachgebiete von der Automatisierungs-, Steuerungs- und Antriebstechnik über Fernwirken, Fernwarten, Cloud- und Scada-Systeme bis hin zu Hydrauliklösungen ab. Zusätzlich hat das Unternehmen mit seinen „Value Added Services“ Dienstleistungen entwickelt, um Kunden unter anderem auch maßgeschneiderte Bedien- und Gehäusekonzepte anbieten zu können. Diese Dienstleistungen werden sukzessive um Schulungsangebote erweitert, die sich sowohl an Designingenieure als auch an Automatisierungsspezialisten richten. ge