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Sensordaten global verfügbar – über die lokale Unternehmenscloud hinaus : Ausgabe 07/2018, 26.04.2018

Der Kern von Industrie 4.0

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

Bilder: Shutterstock, Leuze electronic

Sensoren sind die Augen und Ohren der Automatisierungstechnik und liefern eine Vielzahl an wichtigen Informationen zum aktuellen Zustand einer Maschine oder Anlage, wie über Position, Druck, Temperatur, usw. So unterschiedlich die Informationen sind, so umfangreich ist die Anzahl der verwendeten Quellen. Aber letztendlich geht es bei Indus­trie 4.0 immer darum: Wie gelingt es, diese Daten und Informationen aus unterschiedlichen Quellen abzurufen, sie sinnvoll miteinander zu verknüpfen, sie zu aggregieren und global verfügbar zu machen? Auf der einen Seite gibt es Informationen, die auf der Feld- oder Steuerungsebene generiert werden. Auf der anderen Seite 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 sein, sondern häufig über Standortgrenzen hinweg ausgetauscht werden müssen, um so neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Datenfluss erfolgt von einer Ebene in die nächste

Der Datenfluss in der klassischen Automatisierungspyramide erfolgt von einer Ebene in die nächste: Sensoren oder Aktuatoren der Feldebene kommunizieren ausschliesslich 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 üblicherweise Daten filtern. Diese Hürden zu überwinden und funktional auszugestalten, erfordert meist einen 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 allermeisten Produktionsprozessen wird man diese Hürden nicht zu 100 % überwinden können, da Fertigungsabläufe in einer sehr hohen Taktrate durchgeführt werden 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 zurzeit entwickelt.

Datenaustausch zwischen verschiedenen Unternehmen

Darüber hinaus wird parallel zu den existierenden Übertragungsprozessen ein zentraler Datenpool entstehen, der direkt aus unterschiedlichen Quellen heraus adressierbar ist. Viele Firmen richten sich hierfür eine «Private Cloud» oder «Edge Cloud» auf einem internen Server oder bei einem privaten Unternehmen in der Cloud ein. Auf diesem können die Zugriffsrechte zunächst einmal komplett «privat» gehalten werden. Ergibt sich im Rahmen neuer Geschäftsideen und -modelle aber die Notwendigkeit, einzelne Informationen auch anderen Unternehmen, Standorten oder Clouds zugänglich zu machen, können diese zwischen unterschiedlichen Firmen unter Berücksichtigung gezielter Nutzungsberechtigungen ausgetauscht werden.

Die Cloud-Kapazitäten sind skalierbar und erlauben es, eine Vielzahl von Daten aufzunehmen – auch solche, von denen man heute im Zweifel noch gar nicht weiss, ob und welche Erkenntnisse daraus konkret gezogen werden, oder ob sich daraus zu einem späteren Zeitpunkt ein Nutzen oder sogar Business Case generieren lassen. Primäres Ziel ist es deshalb, zunächst die Daten unterschiedlichster Quellen aufzunehmen, sie zu aggregieren und verfügbar zu machen. In einem weiteren Schritt erfolgt dann deren Vernetzung. Erst zum Schluss entstehen daraus gegebenenfalls neue Businessmodelle. Bildlich gesprochen, bauen wir momentan eine Autobahn, auf der dann später Güter transportiert, und an welche wiederum Business Cases angehängt werden können. Im Moment weiss noch niemand so ganz genau, wohin uns diese Autobahn führen wird.

Erstmals Daten aus dem Sensor direkt in die Cloud

In der Vergangenheit haben Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen der Steuereinheit und dem jeweiligen 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 (Feldbus- installation) bedient. Durch den Einsatz neuer Technologien erfolgt ein Übergang zu einer netzartigen oder sternförmigen Kommunikationsarchitektur wie wir es aus dem IT-Umfeld bereits gewohnt sind. Durch eine Verbindung von Automatisierungsnetzwerk (OT) und dem IT-Netzwerk einer Firma wird es möglich, Daten zwischen allen Ebenen in beliebigen Richtungen auszutauschen. Besonders für deren Bewertung, aber auch deren Vernetzung ist es wesentlich, dass diese aktuell bzw. mit einem dedizierten Zeitbezug versehen sind und einen spezifischen, beispielsweise geografischen, Bezug haben.

Leuze electronic ist zunächst das Thema der Datenverfügbarkeit aktiv angegangen und hat erstmalig Daten direkt, über alle Systemgrenzen hinweg, aus dem Sensor in die Cloud gebracht. Hierzu hat Leuze electronic 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 welcher der Empfänger das Datenvolumen und die Frequenz des Datenaustauschs bestimmt, wird bei der Kommunikation mit Cloud-Applikationen die Publish-Subscribe-Methodik bevorzugt, da hierbei der Empfänger (Subscriber) zwar die zu übertragenden Daten auswählt, der Produzent (Publisher) aber für die Verteilung der Daten zu den notwendigen, oder aus Applikationssicht sinnvollen Zeitpunkten verantwortlich zeichnet – ähnlich einem Newsletter. Um den Datenaustausch universell in alle Richtungen zu ermöglichen, hat Leuze electronic diese Umsetzung um den IoT Proxy von Microsoft erweitert, der es nun ermöglicht, 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.

Globale Datenverfügbarkeit versus Datensicherheit

Der Unterschied zu den klassischen Lösungen besteht darin, dass die IIoT-Ansätze auf global verfügbaren Daten aufsetzen. So können sie auch zur Interpretation und Bewertung global und über Anlagen- und Firmengrenzen hinweg, vernetzt werden. Diese globale Datenverfügbarkeit wirft unmittelbar 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 Bundesamt für Sicherheit und Informatik geprüft und bietet alle vier generell vorausgesetzten Sicherheitsmerkmale für die sichere Kommunikation: Authentification, authorisation, verification und encryption.

Hiermit werden erprobte Methoden und Verfahren aus der Welt der Informationstechnik (IT) in die Welt der Automatisierungstechnik (OT – Operations Technology) übertragen. Dies kann unter dem Ausdruck «ITgoesOT» subsumiert werden. Die zukünftige Authenti-fizierung wird über Zertifikate erfolgen. Sensoren von Leuze electronic werden daher in Zukunft neben bisherigen Identifikationsdaten wie zum Beispiel ihrer Seriennummer mit einem eindeutigen Sicherheits-Zertifikat ausgestattet werden.

Es gibt lokale und globale Discovery-Mechanismen

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 ungeschützten Zugriff zu erlauben, sondern vielmehr darum, 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, beziehungsweise in einem solchen anzumelden. Vielmehr werden technologische Mechanismen benötigt, die es dem Cloud-System von sich aus erlauben, ihm zentral zugeordnete Edge Devices zu erkennen.

Diese Mechanismen nennt man Global-Discovery-Funktionalitäten. Es gibt zwei 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 einen 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.

Augmented Reality erleichtert Inbetriebnahme

Ein Kernpunkt von Industrie 4.0 ist die ganzheitliche Informationsbereitstellung im Lifecyle eines Assets. In diesen Systemansatz fügen sich die Ideen der Augmented-Reality-Technologien nahtlos ein. Diese Technologien reichern die real sichtbare Umgebung mit virtuellen Informationen visuell auf mobilen Geräten wie Tablets mit Stereokamera oder Datenbrillen im Sichtfeld des Nutzers an. Ein entscheidender Vorteil entsteht durch die Visualisierung von Merkmalen und Eigenschaften, die bisher nur durch Grafiken in Handbüchern und WEB-Portalen verfügbar waren. Jetzt werden sie durch Überblendung im Sichtfeld an der passenden Stelle im tatsächlichen Raum sichtbar. Die Inbetriebnahme wird damit erheblich vereinfacht. Dabei beschränken sich die virtuellen Zusatzinformationen nicht nur auf passive Daten. Am Beispiel seiner Codeleser, die typischerweise an einem Förderband montiert die Barcodes eines vorbeikommenden Pakets lesen müssen, hat Leuze electronic gezeigt, dass im laufenden Prozess das optische (im Normalfall unsichtbare) Messfeld des Sensors eingeblendet werden kann. Doch damit nicht genug: Durch die Anbindung an die Cloud kann direkt nach jeder Lesung das Resultat derselben – IO, NIO, Code-Inhalt – in der Datenbrille visualisiert werden, so dass der Inbetriebnehmer oder Servicemitarbeiter sich online über den Zustand der Anlage informieren kann.

IO-Link ist nicht mehr wegzudenken

Der Einsatz der neuen Technologien beschränkt sich aber nicht auf komplexe Geräte wie Codeleser oder Positionssensoren. Auch einfache Trigger-Lichtschranken werden vermehrt in künftige Predictive-Maintenance-Konzepte integriert, um so die Maschinen- und Anlagenverfügbarkeit sicherzustellen. Mit zusätzlichen Warnmeldungen, zum Beispiel bei der Verschmutzung eines Sensors, wurde ein erster Anfang gemacht. Diese entwickelten sich schnell weiter in Richtung einer Vielfalt an Parametriervarianten der Sensoren über eine einfache Schnittstelle.

An dieser Stelle ist IO-Link inzwischen nicht mehr wegzudenken, da diese einfache 3-Draht-Schnittstelle alle Funktionen bietet, die man für neue IIoT-Ansätze benötigt und trotzdem günstig auch in kleinste Devices integriert werden kann. Besonders erwähneswert ist hier die Variante als Dual-Channel mit einem Kanal für die binären Schaltsignale für den Prozessbetrieb mit hohem zeitlichen Determinismus, oder wie häufig gesagt wird: in Echtzeit, und parallel einen zweiten Kanal für den Zugriff auf Identifikations- und Parameter- daten und Meldungen der Sensoren.

Direkter Felbuszugang der Identgeräte und Sensoren

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

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Die Datenaufnahme und deren Vernetzung lässt möglicherweise neue Businessmodelle entstehen


Vernetzung ersetzt die hierarchische Automatisierung


Sicherer Datenaustausch mittels Authentifizierung und Zertifikatsaustausch

Autor

Ingo Baumgardt, Head of Sensor Communication, Leuze electronic GmbH + Co. KG, DE-Owen