Wenn technische Systeme immer intelligenter werden, wird immer mehr eine Verkabelungsinfrastruktur mit leistungsfähigen Steckverbindern benötigt.
Mit Industrie 4.0 können individuelle Produkte auf hochflexiblen Maschinen und Anlagen gefertigt werden, die sich schnell auf geänderte Marktanforderungen einstellen lassen. Dies rückt die Machine-to-Machine-Kommunikation stärker in den Fokus von Automatisierungslösungen.
Wenn Kunden neue Anforderungen haben, neue oder veränderte Produkte hergestellt werden oder Maschinen und Software in der Produktion umgerüstet werden müssen, braucht man neben dynamischen Produktionssystemen auch eine leistungsfähige und schnelle Kommunikation zwischen allen Maschinen und Systemen und eine entsprechende Informationsaufbereitung entlang der gesamten Wertschöpfungskette.
„So werden beispielsweise alle Elemente und Komponenten der Smart Factory im Sinne von Industrie 4.0 zukünftig mit einem kleinen, smarten Server ausgestattet“, sagt Professor Detlev Zühlke vom Forschungsbereich Innovative Fabriksysteme am DFKI. Auf diese Weise können Unternehmen künftig ihre Maschinen, Lagersysteme und Betriebsmittel durch digitale Systeme weltweit vernetzen. Voraussetzung dafür sei, dass die daraus resultierenden großen Datenmengen auch durch geeignete IT-Infrastrukturen übertragen werden können.
Kommunikation mit M
“Die Netze müssen schon jetzt für zukunftssicher, erweiterbar, modular und für immer höhere Datenraten ausgelegt sein.” Bernd Horrmeyer, Phoenix Contact
Bisher standen die Buchstaben B (Business) und C (Consumer) für die Kommunikationsmöglichkeiten B2B, B2C, C2C und C2B außerhalb der Produktion. Mit dem Konzept von „Industrie 4.0“ und dem „Internet der Dinge“ kommen Kombinationen mit M (Machine) hinzu: M2C, C2M, M2B und B2M vernetzen die Kommunikation mit der Produktion. Der M2M-Kommunikation werden dabei die größten Wachstumsraten eingeräumt.
Bisher war die M2M-Kommunikation hauptsächlich eine Domäne der Geräte und Systeme in der Feld- und Automatisierungsebene zur Überwachung und Steuerung fest installierter oder mobiler Maschinen in der Produktion. Aber mit dem Nutzen von öffentlichen Infrastrukturen und drahtlosen Netzen erschließen sich neue Anwendungsfelder.
„Die M2M-Kommunikation wird sich in den nächsten Jahren zum entscheidenden Wettbewerbsfaktor für die deutsche Industrie entwickeln“, resümiert der aktuelle Report „M2M – Vom Hypertrend zum Geschäftsmodell“ vom eco-Verband der deutschen Internetwirtschaft. So sind 61 Prozent der befragten IT-Experten überzeugt, dass einheitliche Branchenstandards für den weiteren Erfolg von M2M entscheidend sind, 30 Prozent schreiben ihnen zumindest eine tragende Rolle zu. Sieben Prozent der Befragten sehen hier nur eine geringe Relevanz.
Doch zunehmende Teilnehmerzahlen in einem Netzwerk und die vertikale Integration mit MES- und ERP-Systemen verursachen mehr Traffic. Höhere Anforderungen hinsichtlich der Prozessführung und Dokumentation von Qualitätsdaten für jedes Produkt bei jedem Fertigungsschritt bedingen größere Aufwendungen in den industriellen Kommunikationsnetzwerken.
„Deshalb begrüßen wir das Gesamtkonzept Industrie 4.0 mit seiner offenen Netzwerkstruktur, die mit ihrer Flexibilität und Transparenz, mit leichter Änder- und Erweiterbarkeit sowie mit der Einbindung von Betriebsmitteln mit hohen Datenraten erst die Möglichkeit zur Selbstorganisation schafft,“ sagt Bernd Horrmeyer, Fachreferent für Standardisierung bei Phoenix Contact und fügt hinzu, dass „die Netze schon jetzt zukunftssicher, erweiterbar, modular und für immer höhere Datenraten ausgelegt sein müssen.“
Standardisierung als Schlüssel zum Erfolg
Damit der Zugang zu den Daten und deren Verarbeitung einfach und sicher ist, braucht es die Standardisierung. „Offene konsensbasierte Standards sind heute der Schlüssel zum Erfolg der Automatisierer, wie man am Beispiel Profibus sieht. Sie werden es auch an der Nahtstelle zur IKT-Technik sein“, erklärt Gunther Koschnick, Geschäftsführer des ZVEI-Fachverbands Automation.
“Offene konsensbasierte Standards sind der Schlüssel zum Erfolg der Automatisierer.” Gunther Koschnik, ZVEI
Er bezieht sich dabei auf die Nahtstelle zwischen Shopfloor und Officefloor (IKT-Anwendungen), die bearbeitet werden muss, um Industrie-4.0-Anwendungen Wirklichkeit werden zu lassen: „Der ZVEI hat sich zur Aufgabe gemacht, gemeinsam mit VDI/VDE-GMA und DKE diese Nahtstellen zu definieren und anhand von sogenannten Use Cases, also konkreter Fallstudien zur praktischen Anwendbarkeit von Industrie-4.0-Technologien, mit Informationstechnologie und Anwendern zu teilen.“
Als Standard für den Datenaustausch in der Produktion könnte sich OPC UA durchsetzen. Dieser Standard erlaubt die herstellerrunabhängige Kommunikation sowohl horizontal über alle Steuerungsgeräte als auch vertikal vom einfachen Sensor bis hinauf zum ERP-System. „Wir haben bei der Smart Factory auf der Hannover Messe gesehen, dass OPC UA funktioniert. Man kann an der Demoanlage innerhalb von zwei Minuten die Module umstellen und weiter arbeiten“, sagt Peter Seeberg, Market Segment Manager Factory Automation bei Softing. „Weitergedacht in Richtung Semantik bietet OPC UA auch die Möglichkeit für andere Standards wie ISO 95, PLC Open, NetSys Automation ML, darauf aufzubauen.“
Ähnlich sieht es auch Professor Detlef Zühlke, wenn er sagt, dass man sich gemäß des ISO-OSI-Modells in den untersten vier Layer-Schichten – also von der Physik bis zur Adressierung – auf zwei, drei Standards verständigen solle. „Darüber sehe ich OPC UA, sonst keine weitere Alternative. Allerdings fehlt in der Schicht 7+ noch die standardisierte Interoperabilität.“ Bei der Demoanlage der Smart Factory auf der HMI 2014 griffen die beteiligten Firmen einfach auf Webservices mit SOA zu.
Inzwischen entwickelten Mitarbeiter der Smart Factory der Hochschule Ostwestfalen-Lippe und des Anwendungszentrums Industrial Automation (IOSB INA) des Fraunhofer Instituts in Lemgo einen vollständig interoperablen OPC UA-Server nach Spezifikation, den man auf Geräten mit nur 15 kB Speicherbelegung implementieren kann. Damit ist erstmals eine durchgängige, herstellerunabhängige Kommunikation vom Sensor bis ins Internet oder mittels einer App auf einem Smartphone möglich.
Fernwartung und Diagnose
Was fehlt, war bisher die Anbindung an die Telekommunikation. Laut des „Cisco Visual Networking Index“ (VNI) wird die Anzahl der Wireless-Verbindungen zwischen Maschinen bis zum Jahr 2016 nahezu zwei Milliarden betragen. Hierzu gehören auch mobile GPS-Systeme oder Tracking-Plattformen in den Bereichen Fertigung und Transport. Laut Studie lagen 2013 die größten Treiber für den Wertzuwachs in den Bereichen Lieferkette und Kundendienst.
Die Telekommunikationsbranche rechnet nach Angaben des Vodafone-M2M-Adoption-Barometers in den nächsten Jahren mit einem jährlichen Umsatzanstieg von 20 bis 25 Prozent im M2M-Markt. Für die Einführung von M2M-Lösungen sieht Vodafone die Gründe in Wettbewerbsvorteilen und der Kostenreduktion. Als Beispiel hierfür führt das Unternehmen einen deutschen Maschinenbauer an, der die Kosten für die Wartung seiner Anlagen in Singapur und auf den Philippinen durch ein auf M2M-basiertes Monitoring-System erheblich senken und auch die Ausfallzeiten deutlich verringern konnte.
Ein anderes Beispiel ist der Aufzugbauer Kone, in dessen Aufzügen künftig M2M-SIM-Karten von Vodafone eingebaut werden. Sie senden Betriebsdaten der Fahrten automatisch über das Mobilfunknetz. So kann Kone Trends ausmachen und erkennen, wo Handlungsbedarf besteht, noch ehe Störungen auftreten und die Aufzüge für längere Zeit ausfallen. Wartungsarbeiten lassen sich damit planen, die Servicequalität für die Kunden steigern.
Fernwartung ist schon seit Jahren ein Instrument, mit dem Maschinen- und Anlagenbauer ihre Kunden unterstützen. Das Konzept Industrie 4.0 sieht in diesem Zusammenhang Remote Services vor, bei dem die Spezialisten situationsabhängig gerufen werden. Sie führen dann mithilfe integrierter Wissensplattformen, verbesserter Engineering-Methoden und Virtual-Reality-Tools die Fernwartung durch. Bosch zeigte auf der Hannover Messe 2014 eine Wissensplattform mit den entsprechenden Regelmodulen.
„Am besten wäre es, wenn der Maschinenbauer dieses Regelwerk selbst in die Maschine bringt, und die Software über die Schnittstellen erkennt, ob das Förderband links und der Roboter rechts angebaut sind. Gleichzeitig erkennt dann dieses Regelwerk auch, wenn etwas schief läuft“, sagt Martin Schäffler, Manager Industry 4.0 bei Bosch Software Innovations. „Durch die immer stärkere Vernetzung können wir Maschinenausfälle viel präziser als bisher vorhersagen.“
Dynamische Produktionssysteme
Steckverbinder für Industrie 4.0 müssen mit hohen Datenmengen bei wachsenden Übertragungsgeschwindigkeiten zurecht kommen.
Produktionssysteme müssen dynamisch reagieren können, weil Kunden neue Anforderungen haben, neue oder veränderte Produkte hergestellt werden oder Maschinen und Software in der Produktion umgebaut oder umgestellt werden. Die entsprechende Wandlungsfähigkeit – bezogen auf den mechanischen Aufbau einer Fabrik – existiert heute schon, zum Beispiel durch standardisierte Steckverbindungen zwischen modularen Maschinen. Künftig soll es eine standardisierte USB-ähnliche Schnittstelle – bezogen auf die Software-Anteile einer Fabrik – geben.
„Was wir brauchen, sind Standards zur Bildung von komplexen Einheiten aus cyber-physischen Systemen, und diese Standards beschränken sich nicht auf eine einfache Maschinenkommunikation. Wir müssen beim Layer Null, also auf der elektromechanischen Seite ansetzen, wenn wir CPS miteinander verbinden wollen“, sagt Andreas Huhmann, Strategy Consultant Connectivity & Networks bei Harting.
„Nur so können wir unterschiedliche Automatisierungsmodule unterschiedlicher Hersteller an beliebigen Stellen innerhalb eines Fertigungsprozesses per „plug & produce“ einstecken. Wir brauchen neben der standardisierten Kommunikation auch eine entsprechende Topologie-Erkennung. Dazu müssen alle Lebensadern betrachtet werden, auch die 400-V-Versorgung und die Energieverbräuche.“ Hierzu brauche es einheitliche Regeln, die in die bis in die charakteristischen Layer 2 und 3 reichen.
Wenn neue Komponenten oder Maschinen in das Produktionssystem eingebracht werden oder Änderungen an ihnen erfolgen, sollen auch alle erforderlichen Softwarebausteine und -systeme von der Feldebene bis zur MES-Ebene mit möglichst geringen manuellen Konfigurationsarbeiten aktualisiert werden können. Deshalb packt Harting die „Treiber“ für die Kommunikation in einen Stecker, der alle Komponenten verbindet. In ihm befinden sich der SPS-Code beispielsweise für einen Schrauber, die Daten- und Signalverarbeitung, die Stromversorgung und die Netzwerktechnik. „Der Maschinenbediener braucht beim Anschluss der Maschine gar nicht mehr zu wissen, wie der Schrauber gesteuert wird. Er gibt nur die Parameter Drehmoment, Drehzahl und Einschraubtiefe ein – fertig“, sagt Christopher Dreyer vom Core Lab der Universität Bielefeld. „Auf diese Weise kann die Anlage sehr flexibel auf Änderungswünsche reagieren, was das Produkt angeht.“
Nach Ansicht des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) sollen neben den zukünftigen Entwicklungen der cyber-physischen Systeme auch aktuelle technische Entwicklungen wie die Nutzung von Mobilgeräten und Social Media in den Produktionsbereich einziehen. Nach dem Willen der Fraunhofer Forscher werden demnächst Mitarbeiter verstärkt mobile Endgeräte nutzen, die sie mit maßgeschneiderten Informationen versorgen, um schnell und effizient komplexe Entscheidungen fundiert zu treffen.
Sicherheit und Zuverlässigkeit
Mobiler Zugriff auf Produktionskennzahlen und Remote-Eingriffe in den Fertigungsprozess mit Simatic WinCC/WebUX V7.
Doch bis dahin ist noch ein weiter Weg, denn die Anforderungen in der Produktion bezüglich Sicherheit, Verfügbarkeit und Echtzeitfähigkeit sind wesentlich höher als in der Bürowelt. Die Informations- und Daten-Sicherheit muss integriert betrachtet werden, um Know-how zu schützen und das Eindringen Unbefugter zu Spionage- oder Sabotagezwecken in das Fabriknetz zu verhindern.
Sicherheit ist neben den Kosten der entscheidende Erfolgsfaktor von M2M-Anwendungen. So haben viele Unternehmen Furcht vor dem Ausspähen vertraulicher Daten, vor zu großer Transparenz und vor Angreifbarkeit. Dies hemmt die Einführung von Industrie-4.0-Anwendungen. Abhilfe schafft beispielsweise eine mehrschichtige Sicherheitsstruktur, bei der Sicherheitsmechanismen des Mobilfunkbetreibers und der Firmware des GSM-Moduls beziehungsweise der Applikation wie IPsec VPN-Tunneling vom Modul bis zum Backend sowie eine leistungsfähige SSL-Verschlüsselung ineinandergreifen.
Für die Hersteller von Baugruppen, Geräten und Maschinen ist es wichtig, dass ihre Komponenten nicht gehackt werden, und die auf ihnen abgelegten Daten unbefugt genutzt oder manipuliert werden. So kann jede Komponente ein eigenes Zertifikat erhalten, das es mit der Hardware verbindet; und die Übermittlung der Daten wird verschlüsselt. Damit ist auch gesichert, dass nur authentifizierte Bauteile als Ersatzteile eingebaut werden können und nicht Plagiate ungekannter Billiganbieter.