Open-Source-Baukausten für die Industrie

Node-Red im Industrial IoT

Seit Projektstart von Node-Red bei IBM in 2013 scheint das Baukausten-Tool zum Hidden Champion bei der IIoT-Integration geworden zu sein. Der Blick auf die Online-Communities zeigt, was die Industrie mit dem Open-Source-Tool macht: nämlich eine ganze Menge!

Node-Red bietet einen Browser-basierten Editor, in dem sich eine Vielzahl integrierter ‚Nodes‘ während der Laufzeit per Klick miteinander verbinden lassen. Diese Verbindungen heißen ‚Flows‘. Die Software ist Open Source. Das Node-Red Projekt startete Anfang 2013 in den Forschungszentren von IBM. 2016 wurde es zu einem der Gründungsprojekte der JS Foundation. Seit der Veröffentlichung der Version 1.0 im Jahr 2019 wird die Software für die Verwendung in der Produktion als sicher erachtet. Die Erfassung qualitativer Daten darüber, wie spezielle Lösungen in der Industrie eingesetzt werden, gestaltet sich meist schwierig bis unmöglich, da nur sehr wenige Unternehmen Transparenz über die eingesetzte Technologie gewähren. Dennoch können quantitative Daten gewonnen werden, die auf eine sehr hohe Nutzung bei der Extrahierung sowie Verarbeitung von Daten in verschiedenen Industrien schließen lassen. Ein Beispiel: node-red-contrib-Modbus verzeichnete letztes Jahr im Juli 4.278 Downloads in nur einer Woche. Auch in der Community wird die Nutzung als produktionsreif beschrieben und recht häufig verwendet. In einem Thread zur Produktionsreife schrieb der Benutzer gemini86: „Ich bin auch (sehr) spät dran, aber ich arbeite in der Fertigung und benutze AB, Siemens, Codesys, etc. Ich verwende auch Node-Red für Scada und Datenbanküberbrückung. Unser Standort hat Brunnenpumpen in abgelegenen Gebieten, bei denen Daten und Befehle über 900MHz-Ethernet-Funk gesendet werden, dabei übernimmt Node-Red die MQTT<>modbusRTU-Verarbeitung. Node-Red war genauso stabil und schnell, wenn nicht sogar schneller als jede Siemens- oder AB-Installation mit vergleichbarer Netzwerkfunktionalität.“ Nicht zuletzt wird Node-Red sehr häufig in wissenschaftlichen Umgebungen eingesetzt. Allein auf Google Scholar sind über 3.000 Forschungsarbeiten über die Verwendung von Node-Red in industriellen Umgebungen zu finden. Es kann also mit Sicherheit gesagt werden, dass Node-Red eine weit verbreitete Lösung darstellt und die Zahl der Nutzer in der Industrie weiterhin wächst. Im folgenden Abschnitt sind einige Beispiele illustriert, wie genau der United Manufacturing Hub Node-Red verwendet.

Aufgaben für Node-Red

Der United Manufacturing Hub nutzt Node-Red als Werkzeug für

• • das Extrahieren von Daten von Produktionsmaschinen über verschiedene Protokolle wie OPC/UA, Modbus, S7, HTTP, TCP,
• • die Verarbeitung und Vereinheitlichung von Datenpunkten in ein standardisiertes Datenmodell,
• • Integrationen in Anwendungen wie MES oder ERP-Systeme,
• • das Zusammenführen von Daten aus Maschinen und das Auslösen von M2M-Aktionen,
• • die Erstellung interaktiver Dashboards zur Auslösung von Aktionen wie der Angabe von Stoppgründen.

Im Folgenden werden die einzelne Schritte näher erläutert.

Extrahieren von Daten

Eine zentrale Herausforderung des Industrial IoT ist die Beschaffung von Daten. In der Regel sind in der Fertigung Maschinen verschiedener Hersteller und unterschiedlichen Alters im Einsatz. Da es kaum eine Standardisierung der Protokolle oder der Semantik gibt, muss der Prozess der Datenextraktion für jede Maschine angepasst werden. Mit Node-Red stehen, wie oben beschrieben, verschiedene Protokolle als sogenannte Nodes zur Verfügung – von Automatisierungsprotokollen wie OPC/UA bis hin zu IT-Protokollen wie TCP oder HTTP. Für andere Automatisierungsprotokolle kann PTC Kepware verwendet werden, das über 140 verschiedene SPS-Protokolle unterstützt.

Standards für Datenmodelle

Node-Red wurde ursprünglich für die Visualisierung und Bearbeitung von Mappings zwischen MQTT-Themen entwickelt und wird auch heute noch dafür verwendet. Diese Datenpunkte, die von verschiedenen Produktionsmaschinen extrahiert wurden, müssen nun standardisiert werden, damit sie in das gewählte Datenmodell passen. Dies erfolgt automatisch durch den United Manufacturing Hub, um Maschinenzustände zu berechnen, den Output der Maschinen von verschiedenen Formaten in eine einfache/count-Nachricht zu konvertieren und so weiter.

Integration in Bestandsysteme

Node-Red eignet sich auch sehr gut dafür, verarbeitete Daten in andere Systeme zurückzuschieben, etwa in MES-Lösungen oder ERP-Systeme. Diese Systeme verfügen in der Regel über REST-Schnittstellen. Da die Implementierungen dieser Systeme überall anders ausfallen können, sind auch die daraus resultierenden APIs meist unterschiedlich. Node-Red ist vergleichweise effizient in der Lage, diese Schnittstellen handzuhaben.

M2M-Kommunikation

Als Ergebnis der Datenarchitektur ist die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) standardmäßig aktiviert. Die Daten aller Edge-Geräte werden automatisch an einen zentralen MQTT-Broker gesendet und stehen allen angeschlossenen Geräten, denen der Zugriff auf diese Daten gestattet wurde, zur Verfügung. Es ist demnach einfach, Daten von verschiedenen Maschinen zu sammeln und zusätzliche Aktionen auszulösen, beispielsweise um das fahrerlose Transportsystem (FTS) zu veranlassen, Material von der Produktionsmaschine zu holen, wenn eine Station leer ist. Node-Red ist ein geeignetes Werkzeug, um diese kleinen Auslöser zu setzen.

Informationen für Dashboards

Maschinenbediener sollen heute öfter auf Dashboards mit Echtzeitinformationen zugreifen, oder mit dem System interagieren können. Viele Unternehmen können oder wollen sich für solche Aufgaben nicht auf ihre Internetverbindung oder eine dezentrale Netzwerkwerkinfrastruktur verlassen. In solchen Fällen können mit Node-Red Dashboards erstellt werden, die nah an den Maschine aufgesetzt und trotzdem mit MQTT arbeiten.

Grenzen der IT-Welt

Dringend davon abzuraten ist hingegen, mit Node-Red in den Produktionsprozess einzugreifen, etwa zur Prozesssteuerung oder für den Betrieb von Sicherheitsmechanismen. IT-Tools und Systeme wie Node-Red sind nicht dafür ausgelegt, die Sicherheit von Menschen und Maschinen zu gewährleisten, etwa durch garantierte zeitabhängige Reaktionen auf einen ausgelösten Sicherheitsalarm. Die Zertifizierung und Genehmigung wären zudem fast unmöglich. Für diese Aspekte gibt es in der Automatisierungswelt bereits sehr gute und sichere Werkzeuge.