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Cyber-Physische Systeme

Die Infrastruktur dahinter

Industrie 4.0 hat das Potenzial, mit Cyber-Physical Systems die industrielle Produktion radikal zu verändern. Und doch wird Industrie 4.0 nur umsetzbar sein, wenn die virtuelle Welt und die physikalische Welt zusammengeführt werden. Für diesen Auftrag und diese Vision zugleich müssen gängige Infrastruktur-Konzepte auf den Prüfstand gestellt werden.

Bild: Fotolia.com / Max Tactic

Industrieanlagen folgen bis heute weitgehend einem simplen Konzept: Es geht um Automatisierungsaufgaben, die von Automatisierungsgeräten ausgeführt werden. Diese Geräte müssen mit einer Zentralsteuerung verbunden werden. Mehr ist nicht notwendig für ein zweifelsfrei extrem leistungsfähiges Konzept. Das Netzwerk ist nur das Vehikel des industriellen Ethernet-Feldbusses oder – noch trivialer – nur die Verbindungsleitung. Aus Sicht der Automatisierung ist das absolut nachvollziehbar und ausreichend. Mit Industrie 4.0 kommt jedoch eine neue Anforderung auf die Netzwerktechnologie und damit eben auch auf die Verbindungstechnik zu: In einer Industrie 4.0 soll die industrielle Produktion effektiver, flexibler und leistungsfähiger werden. Die Steuerungsaufgaben gehen von einer zentralen Steuerung auf das System selbst über. Für die Struktur der Produktionsanlagen bedeutet dies einen radikalen Konzeptwechsel. Aus einem streng hierarchischen wird ein dezentrales System. Anlagen werden modular aufgebaut, Steuerungsaufgaben werden in das System verlagert. Das Netzwerk wird zur entscheidenden Komponente.

Integration von Cyber-Physical Systems

Was sich freilich so ganz einfach und logisch anhört, ist in der Umsetzung an eine Reihe von Bedingungen geknüpft, von denen die Integration von Cyber-Physical Systems (CPS) und der materialen Produktionswelt im Zentrum steht. Industrie 4.0 ist geprägt durch die Integration von CPS in IT-Applikationen. Diese Integration soll möglichst flexibel erfolgen. Der starre Verbund von klassischen Produktionsanlagen wird damit aufgebrochen. Dabei entstehen zwei Bereiche, die miteinander in Verbindung gebracht werden müssen. In den ersten Umsetzungen hat sich gezeigt, dass die entscheidende Nahtstelle zwischen den autarken Anlagenmodulen liegt. Diese können konventionell aufgebaut sein, also mit Kopfsteuerung und dezentralen I/Os, diese können aber auch aus cyber-physischen Systemen aufgebaut sein.

Was sie in jedem Fall auszeichnet ist, dass diese Module im Fertigungsablauf einen in sich vollständigen Service am realen Objekt durchführen. Der Aufbau der Module kann auch jetzt noch konventionell erfolgen, ohne die Vorteile von Industrie 4.0 zu gefährden. Module sollen in einer Fertigung an unterschiedlichen Orten extrem einfach und vor allem schnell in den Fertigungsprozess integriert werden. Und es sollen an diesen Orten unterschiedliche Module eingesetzt werden können. Mit diesen zwei Kernforderungen erhält die Verkabelung einen anderen Charakter. Der Einsatz an verschiedenen Orten führt zur Grundeinrichtung und die Verwendung mit unterschiedlichen Modulen zum Grunddienst. Die Verkabelung wird zur Infrastruktur.

Infrastruktur in der Definitionsphase

Die Infrastruktur der Smart Factory befindet sich in der Definitionsphase. Sowohl für IT als auch für Automatisierung kommt Ethernet zum Einsatz. Im Office-Gebäude besteht dazu eine anwendungsneutrale Verkabelung nach ISO/IEC11801. Diese Norm beschreibt, wie eine passive Netzwerkinfrastruktur aufzubauen ist. Überträgt man das auf die Produktionsanlage, so sollen unterschiedliche Module in das Netzwerk integriert werden. Dazu müssen alle Lebensadern der Industrie berücksichtigt werden. Das sind: die Kommunikation, die 400 Volt- Power, Druckluft, Hilfsenergien und weitere Signale. Die benötigten Verbindungen sind also mannigfaltig und ein einfaches Plug-and-Produce wird erst dann möglich, wenn diese in eine Schnittstelle, einen Steckverbinder integriert werden. Verbinder wie ‚Han-Modular‘ von Harting stellen hier durch ihren modularen Aufbau ein breites Einsatzspektrum zur Verfügung. Mit der Standardisierung der Modulschnittstelle ist bereits ein entscheidender Schritt gemacht.

Doch zum Aufbau einer Infrastruktur gehört mehr. Im Falle der industriellen Produktion muss die Modulschnittstelle unterschiedlichste Funktionen bieten, damit ein einfacher und vor allen Dingen sicherer Betrieb möglich wird. Neben der Modulanschluss-Schnittstelle sind das das Management respektive die Diagnose, das Identifizieren der Module, Energiemessung und Energie-Schalten, eine Absicherung der 400 Volt sowie Safety und Kommunikation in Echtzeit. Diese Funktionen können durch aktive Netzwerkkomponenten sichergestellt werden. Die ‚Smart Power Network Unit‘ des selben Anbieters führt etwa das Thema der Administration von Kommunikation und Power zusammen. Diese Infrastrukturkomponente unterstützt mit der Linie und dem Ring die industrietypischen Topologien und spannt so eine Infrastruktur auf, die den flexiblen Einsatz unterschiedlicher Fertigungsmodule ermöglicht. n

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