Leuze electronics macht Sensordaten global verfügbar

Industrie 4.0 mit Sensordaten und Informationen

Leuze electronics macht Sensordaten global verfügbar

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Sensordaten und Informationen aus unterschiedlichen Quellen global verfügbar zu machen und sinnvoll miteinander zu verknüpfen – das ist der Kern von Industrie 4.0. Neue Geschäftsideen machen es nötig, die Informationen nicht nur innerhalb eines Unternehmens, sondern auch über Unternehmens- und Standortgrenzen hinweg global zugänglich und abrufbar zu machen.

Ingo Baumgardt, Head of Sensor Communication, Leuze electronic

Sensoren sind Augen und Ohren der Automatisierungstechnik und liefern viele Informationen zum aktuellen Zustand einer Maschine oder Anlage, bspw. über Position, Druck und Temperatur. So unterschiedlich die Informationen sind, so umfangreich ist die Zahl verwendeter Quellen. Aber letztlich geht es bei Industrie 4.0 immer darum, diese Daten und Informationen aus unterschiedlichen Quellen abzurufen, sie sinnvoll miteinander zu verknüpfen, zu aggregieren und global verfügbar zu machen? Einerseits gibt es Informationen, die auf der Feld- oder Steuerungsebene generiert werden. Andererseits solche, die zentral, beispielsweise in MES- oder ERP-Systemen verwaltet werden müssen. Wesentlich dabei ist, dass die zu verknüpfenden Informationen nicht nur innerhalb eines Unternehmens oder Standorts vorhanden und abrufbar sind, sondern oft über Standortgrenzen hinweg ausgetauscht werden müssen, um so neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Der Datenfluss in der klassischen Automatisierungspyramide erfolgt von einer Ebene in die nächste: Sensoren oder Aktuatoren der Feldebene kommunizieren nur mit der übergeordneten Steuerung; die Maschinensteuerung tauscht ihre Daten mit der Produktionsplanung und diese wiederum mit dem Firmen-ERP aus. Diese Systemübergänge stellen eine Hürde dar, da sie Daten filtern. Diese zu überwinden und funktional auszugestalten, erfordert meist hohen zeitlichen und monetären Aufwand – praktisch erfolgt dies über Gateways oder Protokollkonverter. Diese Hürde zu eliminieren, muss deshalb zentrales Ziel aller Industrie 4.0-Aktivitäten sein.

In den meisten Produktionsprozessen wird man diese Hürden nicht zu 100 % überwinden können, da Fertigungsabläufe in sehr hoher Taktrate durchgeführt oder genau festgelegte zeitliche Abfolgen eingehalten werden müssen. Lösungen für deterministisch ausgelegte Kommunikation zwischen Teilnehmern der Feldebene bis zum ERP-System in einer offenen Architektur werden zur Zeit entwickelt.

Parallel wird zu den vorhandenen Übertragungsprozessen ein zentraler Datenpool entstehen, der direkt aus verschiedenen Quellen heraus addressierbar ist. Viele Firmen richten sich hierfür eine „Private Cloud“ oder „Edge Cloud“ auf einem internen Server oder einem privaten Tennant in der Cloud ein. Darauf können die Zugriffsrechte zunächst komplett „privat“ gehalten werden. Ist es bei neuen Geschäftsideen und -modellen aber nötig, einzelne Informationen auch anderen Unternehmen, Standorten oder Clouds zugänglich zu machen, können diese zwischen den Tennants unter Berücksichtigung gezielter Nutzungsberechtigungen ausgetauscht werden. Die Cloud-Kapazitäten sind skalierbar und erlauben es, viele Daten aufzunehmen – auch die, von denen man heute im Zweifel noch gar nicht weiß, ob und welche Erkenntnisse daraus konkret gezogen werden, oder ob sich zu einem späteren Zeitpunkt ein Nutzen oder sogar Business-Case generieren lassen. Primäres Ziel ist, zunächst die Daten der Quellen aufzunehmen, sie zu aggregieren und verfügbar zu machen. Im nächsten Schritt erfolgt deren Vernetzung. Zum Schluss entstehen daraus eventuell neue Businessmodelle. Bildlich gesprochen, bauen wir momentan eine Autobahn, auf der später Güter transportiert, und an welche wiederum Business-Cases angehängt werden können. Im Moment weiß noch keiner so ganz genau, wohin uns diese Autobahn führen wird.

In der Vergangenheit haben Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Steuereinheit und Sensor oder Aktuator die industrielle Automatisierung beherrscht. Derzeit dominiert ein Master-Slave-Kommunikationsmodell. Das bedeutet, dass eine Steuereinheit meist über eine Leitung in Linientopologie mehrere Endgeräte (Feldbusinstallation) bedient. Durch den Einsatz neuer Technologien erfolgt ein Übergang zu einer netzartigen oder sternförmigen Kommunikationsarchitektur wie wir es aus dem IT-Umfeld gewohnt sind. Durch eine Verbindung von Automatisierungsnetzwerk (OT) und dem IT-Netzwerk einer Firma wird es möglich, Daten zwischen den Ebenen in beliebige Richtungen auszutauschen. Für deren Bewertung und Vernetzung ist es wesentlich, dass diese aktuell bzw. mit einem dedizierten Zeitbezug versehen sind und einen spezifischen, beispielsweise geographischen, Bezug haben.

Leuze electronic ist das Thema der Datenverfügbarkeit aktiv angegangen und hat erstmalig Daten direkt, über alle Systemgrenzen hinweg, aus dem Sensor in die Cloud gebracht. Hierzu hat das Unternehmen einen OPC UA-Server in seinen Sensor integriert und an die Azure-Cloud von Microsoft mit dem Publisher-Subscriber-Modell angekoppelt. Basiert die OPC UA-Kommunikation bis dato auf einer Client-Server-Architektur, in der der Empfänger Datenvolumen und Frequenz des Datenaustausches bestimmt, wird bei der Kommunikation mit Cloud-Applikationen die Publish-Subscribe-Methodik bevorzugt. Der Empfänger (Subscriber) wählt zwar die zu übertragenden Daten aus, der Produzent (Publisher) zeichnet sich aber für die Verteilung der Daten zu den notwendigen, oder aus Applikationssicht sinnvollen Zeitpunkten verantwortlich – ähnlich einem Newsletter. Um den Datenaustausch universell in alle Richtungen zu ermöglichen, hat Leuze electronic die Umsetzung um den IoT-Proxy von Microsoft erweitert, um aus der Cloud eine Client-Server-Kommunikation analog zu lokalen Shopfloor-Konzepten zu betreiben. Somit sind verschiedene Migrationswege hin zu neuen, Cloud-basierten Applikationen offen.

Der Unterschied zu klassischen Lösungen besteht darin, dass die IIoT-Ansätze auf global verfügbaren Daten aufsetzen. So können sie zur Interpretation und Bewertung global und über Anlagen- und Firmengrenzen hinweg, vernetzt werden. Die globale Datenverfügbarkeit wirft sofort die Frage nach der Datensicherheit auf. Dass Letztere auf den Kommunikationswegen und in global verfügbaren Systemen sichergestellt sein muss, ist eine alternativlos akzeptierte Voraussetzung. OPC UA ist nach dem Bundesinstitut für Sicherheit und Informatik geprüft und bietet alle vier generell vorausgesetzen Sicherheitsmerkmale für die sichere Kommunikation: authentification, authorisation, verification und encryption. Hiermit werden erprobte Methoden und Verfahren aus der Informationstechnik (IT) in die Automatisierungstechnik (OT – Operations Technology) übertragen. Dies kann unter dem Ausdruck „ITgoesOT“ subsumiert werden. Die künftige Authentifizierung wird über Zertifikate erfolgen. Sensoren von Leuze electronic werden daher in Zukunft neben bisherigen Identifikationsdaten wie ihrer Seriennummer mit eindeutigem Sicherheits-Zertifikat ausgestattet.

Um die Informationsverfügbarkeit durchgängig zu gestalten, muss eine Möglichkeit aus der Cloud geschaffen werden, Datenquellen über alle Systemgrenzen hinweg aufzuspüren und adressieren zu können. Dabei geht es nicht darum, einen ungeschützen Zugriff zu ermöglichen, sondern, die Installation zu vereinfachen. Es ist nicht praktikabel, eine große Anzahl an Edge-Devices (beispielsweise Sensoren und Aktoren) händisch einem globalen Cloud-System bekannt zu machen, bzw. in einem solchen anzumelden. Es werden technologische Mechanismen benötigt, die es dem Cloud-System von sich aus ermöglichen, ihm zentral zugeordnete Edge-Devices zu erkennen. Die Mechanismen werden als Global-Discovery-Funktionalitäten bezeichnet. Es gibt zwei unterschiedliche Mechanismen, die Bestandteil des OPC UA-Standards sind: Zum einen lokale Discovery-Mechanismen (Local-Discovery-Server), zum anderen globale Discovery-Mechanismen (Global-Directory-Server). Beide erfordern extensiven Zertifikatsaustausch (Trust List Type) zur Absicherung der Zugriffe. Sensoren von Leuze electronic werden, entsprechend seinem Kundenversprechen „Smarter Usability“ alle Formen der Discovery-Mechanismen mit einem sicheren Zugriff zur Verfügung stellen.

Überblendung im Sichtfeld an der passenden Stelle im tatsächlichen Raum sichtbar. Die Inbetriebname wird erheblich vereinfacht. Die virtuellen Zusatzinformationen beschränken sich nicht nur auf passive Daten. Am Beispiel der Codeleser, die an einem Förderband montiert die Barcodes eines vorbeikommendes Paketes lesen müssen, hat Leuze electronic gezeigt, dass im laufenden Prozess das optische (im Normalfall unsichtbare) Messfeld des Sensors eingeblendet werden kann. Durch die Anbindung an die Cloud kann direkt nach jeder Lesung das Resultat derselben – IO, NIO, Code-Inhalt – in der Datenbrille visualiert werden, sodass der Inbetriebnehmer oder Servicemitarbeiter sich online über den Zustand der Anlage informieren kann.

Die neuen Technologien beschränken sich aber nicht auf komplexe Geräte wie Codeleser oder Positionssensoren. Auch einfache Trigger-Lichtschranken werden vermehrt in Predictive-Maintenance-Konzepte integriert, um die Maschinen- und Anlagenverfügbarkeit sicher zu stellen. Mit zusätzlichen Warnmeldungen, wie bei der Verschmutzung eines Sensors, wurde ein erster Anfang gemacht. Diese entwickelten sich schnell weiter in Richtung einer Vielfalt an Parametriermöglichkeiten der Sensoren über eine einfache Schnittstelle. An dieser Stelle ist IO-Link nicht mehr wegzudenken, da diese einfache 3-Draht-Schnittstelle alle Funktionen bietet, die für neue IIoT-Ansätze benötigt werden und trotzdem kostengünstig in kleinste Devices integriert werden kann. Zu erwähnen ist die Variante als Dual-Channel mit einem Kanal für binäre Schaltsignale für den Prozessbetrieb mit hohem zeitlichen Determinismus, oder wie oft gesagt wird: in Echtzeit, und parallel einen zweiten Kanal für den Zugriff auf Identifikations- und Parameterdaten und Meldungen der Sensoren.

Seit die Schnittstellen zu den Steuerungen vermehrt Ethernet-basiert und damit leistungsfähig genug sind, zwei Datenkanäle gleichzeitig zu bedienen, eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten – und diese sind es, die für die vernetzte Welt der Industrie 4.0 erforderlich sind, um Daten an unterschiedliche Ziele und Ebenen zu bringen. Seit geraumer Zeit verfolgt Leuze electronic diese Entwicklung und hat schon früh auf den direkten Feldbuszugang seiner komplexen Identgeräte und messenden Sensoren gesetzt. Mit zwei Datenkanälen ist die Basis hierfür vorhanden – durch Dual-Channel IO-Link bei einfacheren Sensoren und durch die integrierte Feldbus-Schnittstelle mit zusätzlichem TCP/IP-Kanal in den integratedconnectivity-Geräten mit dem roten i in der Typenbezeichnung. jke

www.leuze.com

Details zu Industrie 4.0 bei Leuze:

http://hier.pro/JXk5O

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