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Lösungen zur Feldbusintegration

Vom Sensor in die Cloud

Industrie 4.0, Smart Factory und Industrial Internet of Things stehen auch für die weitreichende Kommunikation auf allen Produktionsstufen mit Ethernet- und IP-basierter Technologie. Gateway-Lösungen und Cloud-Dienste können helfen, Informationen aus der vorhandenen Sensorik- und Anlagenwelt ohne hohen finanziellen Aufwand in den neuen Kommunikationsverbund einzuspeisen.




Die IoT-Gateway-NIO-100-Lösungsarchitektur umfasst neben der Hardware die notwendigen Software-Komponenten zur Realisierung von IoT-Szenarien.
Bild: Spectra GmbH & Co. KG

Den Themen Industrie 4.0, Smart Factory und Industrial Internet of Things eilt die Überzeugung voraus, dass eine Verschmelzung der Produktionsverfahren mit der Informations- und Kommunikationstechnik die industriellen Prozesse deutlich verbessert. Industrielle Anlagen, Maschinen und Abläufe sollen als Cyber-Physical Systems (CPS) weithin autark in Netzwerken agieren. Hinter der futuristischen Bezeichnung CPS verbirgt sich die Integration der realen und virtuellen Welt, wie sie Nutzer von Smartphones schon länger kennen. Im Kern stehen CPS und das Industrial IoT für den Zugriff auf die Komponenten industrieller Wertschöpfungsnetze aus dem Internet. Die Kommunikation umfasst neben intelligenten Steuergeräten wie Industrie-PCs oder SPSen einfache Sensoren und Aktoren, deren Daten zur Weiterverarbeitung an Cloud-Services im Internet übermittelt werden. Damit ist die Idee verbunden, dass die Auswertung der Daten zu Verbesserungen im Unternehmen führt.

Potenzial ermitteln

In Beispielszenarien soll der Mehrwert dargelegt werden, der in dem Zusammentragen und der Auswertung unterschiedlicher Informationen steckt. Die Produktionsparameter und Statusinformation wie Auslastung, Materialverbrauch, Stillzeiten aus der Steuerungsebene der Produktion lassen sich beispielsweise mit den Messwerten der Temperatursensoren sowie Daten zum Energieverbrauch zusammenführen. Die Analyse der Verbrauchsdaten zu verschiedenen Tageszeiten und in unterschiedlichen Konstellationen geben Hinweise auf Einsparpotenziale beim Energieeinsatz oder den Betriebskosten. Fertigungsaufträge lassen sich so kosteneffizienter auf die Produktionsanlagen im Konzern verteilen. Im Falle eines defekten Werkteils kann das Steuersystem einer Produktionsstraße von der betriebswirtschaftlichen Anwendung autonom die zugehörige Bestellnummer anfordern. Wird der Bestell-Button geklickt, kann das Steuerungssystem weitere Informationen etwa zu möglichen Ausfallzeiten an das ‚zuständige‘ Beschaffungsprogramm übermitteln, wo im Anschluss unter Abwägung von Dringlichkeit, Verfügbarkeit und Preis automatisch der beste Lieferant den Auftrag erhält. Bei Verdichtungsmaschinen zur sachgerechten Entsorgung großer Abfallmengen und wiederverwertbarer Rohstoffe kann das Steuerungssystem automatisch den Füllstand an einen Cloud-Service übermitteln. Auf dieser Datenbasis lässt sich ein Dienstleister mit der Abholung betrauen, die sich zudem punktgenau in Hinblick auf Fahrzeug- und Wegeführung planen lässt.

Grenzen etablierter Systeme



Die IoT-Gateway-Serie NIO 100 dient als ‚missing link‘ zwischen lokalen E/A-Daten und Cloud-Services im Internet.
Bild: Spectra GmbH & Co. KG

Viele verfügbare Infrastrukturen können die genannten Ansprüche nur bedingt erfüllen. In den gewachsenen industriellen Produktionsumgebungen begegnet man heute Komponenten, die eine unterschiedlich starke Verarbeitungslogik und Interoperabilität bereitstellen. Typischerweise werden für die Messaufgaben einfache E/A-Module eingesetzt. Sensoren wie Thermoelemente, Widerstandsthermometer und Dehnmessstreifen lassen sich direkt an die Module anschließen, die über präzise Messverstärker die physikalische Größe berechnen und die Daten über ein Feldbus-Protokoll an die übergeordneten Steuerungssysteme kommunizieren. Die Daten der E/A-Module oder Sensoren werden von SPS-Systemen mit frei programmierbarer Steuerungslogik empfangen, verarbeitet und lösen abhängig vom Wert regelbasiert Aktionen aus. Häufig tauschen sich mehrere dieser speicherprogrammierbaren Steuerungen über das Geschehen mit einem übergeordneten Scada-System (Supervisory Control and Data Acquisition) aus. Ansonsten verlässt kaum eine Information ihre direkte Feld- und Steuerungsebene – weder horizontal in Richtung benachbarter Fertigungsinseln noch vertikal in Richtung MES/ERP-Leitebene.

Die Kommunikationsanforderungen der neuen Industriekonzepte stoßen in etablierten Infrastrukturen folglich im Wortsinne an Grenzen. Das liegt nicht zuletzt daran, dass sich auf der Steuerungsebene viele Feldbus-Protokolle wie Profibus, Ethernet/IP oder Ethercat etablierten. Eine Verbindung der proprietären Systeme und Protokolle untereinander, wie es in einer Industrie 4.0-Umgebung zu realisieren sei, wäre auf direktem Weg kaum wirtschaftlich. Industrieunternehmen stehen vor der Herausforderung, die bislang in ihrer proprietären Anlagen-Welt ‚verborgenen‘ Informationen der standardisierten Ethernet-basierten Kommunikation zuzuführen und allgemein sichtbar zu machen.

Geräte zur Feldbusintegration



Die Spectra-Modelle Powerbox 3.000 sind für Feldbusintegration und Datenaufbereitung ausgelegt. Bild: Spectra GmbH & Co. KG

Die Ausgabe können Embedded-Systeme übernehmen. So sind die Schnittstellen der Spectra-Powerbox-Serie 3.000 besonders für die Feldbusintegration und Datenaufbereitung ausgelegt. Ausgestattet mit Mehrkernprozessoren von Intel (Bay-Trail und Skylake) sollen sie auch Aufgaben von SPS und Scada-Systemen sowie die Verarbeitung von Informationen aus den Feldbusebenen übernehmen können. Zugleich lassen sich Arbeits- und Kommunikationslasten in einem System konsolidieren. Für Auswertungen können die Daten der lokalen Ebene in ein passen-des Format für den Standard-Ethernetbasierten Datenverkehr aufbereitet werden. Für die globale Sichtbarkeit und Verwertbarkeit der Informationen hat das Unternehmen Nexcom das IoT-Gateway NIO 100 im Portfolio. Das Gateway, das auf Intels IoT-Plattform mit dem verbrauchsarmen Prozessor Intel Quark SoC X1021 basiert, dient als ‚missing link‘ zwischen lokalen E/A-Daten von Maschinen, Anlagen oder Sensoren und den im Internet befindlichen Cloud-Services zur Verwaltung und Analyse dieser Daten. Die Erfassung der Sensor-Rohdaten, aber auch der vom IPC aufbereiteten Informationen erfolgt über die Multi-Protokoll-Schnittstellen des NIO 100, die Kommunikation der Daten in die Cloud wird entweder über die normale Internet-Verbindung des Anlagenetzwerks oder über 3G-Mobilfunk realisiert. Der Datentransport in eine Public-Cloud-Umgebung wie IBM Bluemix erfolgt über den Industrie-Standard Message Queue Telemetry Transport (MQTT). Das IoT-Protokoll arbeitet ressourcenschonend nach dem Publish-Subscribe-Prinzip. Systemkomponenten oder Programme veröffentlichen oder abonnieren Informationen über eine Broker-Instanz. Zu der Lösung gehört das Nexcom IoT Studio auf Basis von IBMs Node-Red, eine Plattform zur Entwicklung eigener IoT-Anwendungen. Integrierte Funktionsblöcke, sogenannte ‚flows‘, werden mittels Drag&Drop auf der grafischen Oberfläche platziert und mit Datenflusslinien der Produktionskomponenten und Sensoren verbunden.

Wertvoller Beitrag

Die IoT-Gateway-Technologie kann einen wichtigen Beitrag dazu leisten, der Industrie 4.0- und Industrial IoT-Idee gerade in etablierten Produktions- umgebungen zum Durchbruch zu verhelfen. Sie stellt ein einfaches und bezahlbares Bindeglied zwischen den lokalen Daten auf der einen Seite und den im Internet befindlichen Cloud-Services auf der anderen Seite dar. Bislang unsichtbare Daten der Produktionskomponenten werden damit über die Cloud-Dienste für autorisierte Systeme sichtbar. So kann durch intelligente Kombination und Analyse der Informationen der verborgene Mehrwert der Daten gehoben werden.

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