Maschinen- und Anlagenbau

IP-basierte Fernwartung über Mobilfunknetze

Drei Viertel der Maschinen- und Anlagenbauer bieten heute bereits Leistungen wie Fernwartung oder Condition Monitoring. Mit Blick auf Industrie 4.0 stellen sich hierfür zusätzliche Anforderungen. Mehr datengetriebene Serviceangebote erfordern eine stärkere Vernetzung, höhere Datenübertragungsraten, standardisierte Schnittstellen und einen höheren Sicherheitsstandard. Dabei wird die Datenkommunikation über Mobilfunknetze zur bestimmenden Infrastruktur.

Bild: MC Technologies GmbH

Laut VDMA werden Geschäftsmodelle, die auf Daten basieren, 2020 mehr als zehn Prozent zum Umsatz beitragen, gegenüber bisher nur drei Prozent. Der Vorteil: Gegenüber dem reinen Absatz von Maschinen und Anlagen erzielen Dienstleistungen im Anschluss an den Verkauf deutlich größere Gewinnmargen und tragen zur besseren Kundenbindung bei. Die größte Hürde bei der Ausweitung von Dienstleistungen sind heute Sicherheitsbedenken der Anlagenbetreiber. Sicherheitstechnisch ist der Zugriff fremder Servicetechniker auf das eigene Produktionsnetzwerk für viele Betreiber höchst problematisch. Deshalb ist eine vom lokalen Netzwerk getrennte Fernwartung von Außen per Datenkommunikation über die Mobilfunknetze für viele Unternehmen eine bevorzugte Alternative. Weitere Herausforderungen bei der stärkeren Vernetzung sind die Nachrüstung alter Anlagen, technisch zu komplexe Lösungen sowie eine fehlende Unterstützung gerade für mittelständische Unternehmen ohne große IT-Abteilungen.

Flexibel und kostengünstig

Für eine höchstmögliche Anlagenverfügbarkeit und eine schnelle Hilfe bei Störungen werden Anlagen heute mit einem Teleservice-Modul ausgestattet. In der Vergangenheit wurden dafür vor allem kabelgebundene Analogmodems genutzt. Mit der großen Verbreitung breitbandiger Mobilfunknetze und drastisch gesunkener Preise ist die Datenkommunikation über Mobilfunknetze inzwischen auch für ortsfest installierte Anlagen zu einer besseren Alternative geworden. Durch die Unabhängigkeit von Kabelnetzen werden jetzt auch solche Standorte erreichbar, die nicht über eine entsprechende Kabelinfrastruktur verfügen. Die Anbindung von Maschinen und Anlagen wird dadurch einfacher umsetzbar, da man unabhängig von meist fremden Datennetzen am Aufstellungsort der Anlage agieren kann. Andere Funktechniken vor allem für den Nahbereich sind in Erprobung (Lora, Sigfox) oder bereits etabliert (Wifi, Bluetooth), sollen hier aber nicht näher betrachtet werden. Die Mobilfunk-Bitrate hat sich mit jeder Entwicklungsstufe des Mobilfunkstandards bei drastisch gesunkenen Kosten nahezu um den Faktor 20.000 erhöht. Während die zweite Mobilfunkgeneration mit GPRS (2G) noch mit 55 Kilobit pro Sekunde auskommen musste, sind bei LTE (4G) bis zu 100 Megabit pro Sekunde und bei LTE Advanced (4,5G) bis zu einem Gigabit pro Sekunde möglich. Das ab 2020 schrittweise kommende 5G-Netz soll noch höhere Raten bis zu zehn Gigabit pro Sekunde ermöglichen.

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Bild: InterSystems GmbH

Reparatur, Instandhaltung und digitale Dienste

Schon jetzt erspart die Fernwartungstechnologie den Maschinenbauern während der Gewährleistungsphase umfangreiche Kosten. Bis zu 80 Prozent der Störungen können mittlerweile per Teleservice beseitigt werden. Ist dennoch der Einsatz eines Mitarbeiters vor Ort an der Maschine erforderlich, kann der Fehler per Fernwartung bereits eingegrenzt und beispielsweise das richtige Ersatzteil schon vorab beschafft werden. Auch Software-Updates erfolgen inzwischen weitgehend online. Dabei erfolgt der Fernzugriff auf die Anlage per Funkanbindung getrennt vom vorhandenen Produktionsnetzwerk. Ein wichtiges Sicherheitsargument für Maschinenbetreiber. Gemäß der Studie ‘Industrial Internet of Things: Unleashing the Potential of Connected Products and Services’ des Weltwirtschaftsforums könnten durch vorbeugende Instandhaltung bei geplanten gegenüber ungeplanten Reparaturen zwölf Prozent und bei den Wartungskosten fast 30 Prozent eingespart werden. Darüber hinaus könnte der Anteil ungeplanter Stillstände um 70 Prozent zurückgehen. Dafür werden systematisch große Mengen an Betriebsdaten erfasst, übertragen und ausgewertet. Diese Daten sind die Basis für neue Dienstleistungen wie Predictive Maintenance, Prozessüberwachungen oder optimierte Produktionssteuerungen.

Sensordaten problemlos übertragen

Aktuell findet eine Debatte darüber statt, wie mit der ständig steigenden Datenflut aus Sensoren und Feldgeräten umgegangen werden sollte. Dienstleister und Betreiber von Cloud-Rechenzentren plädieren für die ungefilterte Übertragung aller Daten in die Cloud. MC Technologies rät den Anwendern, nur die Daten zu übertragen, die tatsächlich an anderer Stelle zur Entscheidungsfindung gebraucht werden. Das grobe Filtern und Vorverarbeiten der Daten am Entstehungsort erfordert zwar etwas mehr dezentrale Intelligenz, rechnet sich aber innerhalb kürzester Zeit. Statt aller Temperaturwerte können beispielsweise nur die Werte außerhalb vorgegebener Grenzwerte übertragen werden. Je weniger Daten übermittelt werden, umso geringer sind die Kosten und umso kleiner ist die Problematik von Netzunterbrechungen, störenden Latenzzeiten oder auch das Risiko, dass sensible Daten in falsche Hände gelangen. Was erst gar nicht in der Cloud ist, kann auch nicht dort ausgespäht werden.

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Ältere Anlagen für IP-Standards nachrüsten

Bis zur vernetzten Smart Factory unter Industrie 4.0 ist es allerdings noch ein weiter Weg. Während neue Maschinen bereits mit einer Ethernet-Schnittstelle ausgerüstet sind, müssen vorhandene Geräte und Anlagenteile nachgerüstet werden. Bei Anlagen mit vielen Untereinheiten besteht zudem die Anforderung, alle Komponenten einzeln adressierbar und erreichbar zu machen. Hier sind unterschiedliche Teleservice-Komponenten verfügbar. Einfachere Modems – heute zunehmend als Gateways bezeichnet – sorgen für die Verbindung einer einzelnen Maschine zu einem Server, um beispielsweise Daten abzuliefern. Mit zunehmender Vernetzung werden leistungsfähigere, teilweise sogar programmierbare, Router erforderlich. Sie sind in der Lage, auch komplette Netzwerke per Netzwerkkopplung miteinander zu verbinden. Jetzt kann jede Komponente, egal ob Steuerung oder Antrieb, auch aus der Ferne genauso angesprochen werden, als ob sie sich im lokalen Netz befinden würden.

Schnittstellen und ISDN-Abschaltung

In der Praxis sind ältere Steuerungen oder Antriebe lieferantenabhängig mit unterschiedlichsten Schnittstellen ausgestattet, wie CAN-Bus, Modbus, Profinet, RS 232, RS485 oder auch analogen und digitalen allgemeinen Ein- und Ausgängen (GPIOs) mit anlagenspezifischen, nicht genormten, Pegeln. Hier müssen ‘Übersetzer’ für die Verständigung mit IP-basierten Netzwerken auf Ethernet-Basis eingerichtet werden. Aus einer Vielzahl von Fernwartungsprojekten sind solche Schnittstellenumsetzungen nach den Erfahrungen von MC Technologies inzwischen normales Tagesgeschäft geworden. Durch die generelle Umstellung der Übertragungsnetze zum Beispiel der Deutschen Telekom AG auf IP-basierte Netze gibt es bei Maschinen und Anlagen einen unmittelbaren Handlungsbedarf. So soll das ISDN-Netz in 2018 unwiderruflich abgeschaltet werden. Vor dem Start einer Umrüstungsaktion sollte zunächst ein Migrationsplan entworfen werden, denn mit dem reinen Zusammenfügen einzelner IP-fähiger Komponenten wird es nicht gelingen. Alle Kommunikationskomponenten müssen aufeinander angestimmt sein, es bedarf eines integrierten Schnittstellenmanagements, eines in sich schlüssigen Security-Konzepts und eines erfahrenen Projektmanagements bei der Einführung. Aus den Erfahrungen mit einer Vielzahl von Projekten können hier Best-Practice-Konzepte genutzt werden.

Datum:10. Oktober 2016

Autoren:

Themen: Hardware und Infrastruktur, Industrie 4.0 / IoT, Industrielle IT

Schlagwörter: Condition Monitoring und Diagnose, Datenkommunikation, Fernwartung, Industrie 4.0, Wireless Technologies

Webseite: www.mc-technologies.net

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