Smarte Verbindungstechnik Intelligente Brücke von der Automatisierung zur IT

Im Zuge der mit Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge (IoT) einhergehenden Digitalisierung der Fabrik muss die Verbindungstechnologie nicht nur immer kleiner und leistungsfähiger werden, sondern auch intelligenter. Mit anderen Worten: Komponenten wie Steckverbinder werden zu aktiven Teilnehmern, die etwa Informationen zum Energieverbrauch in einem Netzwerk weitergegeben. Um schließlich einen detaillierten Einblick in die Prozesse zu erhalten, müssen die Daten aggregiert und so aufbereitet werden, dass sie sich in IT-Systemen analysieren lassen.

Praxistauglichkeit bewiesen

In Pilotprojekten von TE zur Steigerung der Overall Equipment Effectivness (OEE) konnten Verbesserungen, die bislang rund ein Jahr benötigt hatten, innerhalb von nur drei Monaten erreicht werden. Dazu war es allerdings nötig, dass in den Fabriken zunächst eine digitale Infrastruktur geschaffen wurde. Neben der Vereinheitlichung von Manufacturing Execution-Systemen (MES) sowie der Erweiterung der Netzwerk­infrastruktur beinhaltet das auch die Anbindung von Maschinen an IT-Systeme. Bei der Implementierung müssen Hürden überwunden werden, die es nicht nur in Fabriken von TE gibt, sondern mehr oder weniger in allen:

• Größere Anlagen wie Stanzmaschinen sind zwar an ein Netzwerk angebunden und damit auch an ein MES- oder SCADA-System (Supervisory Control and Data Acquisition) angebunden, viele Peripheriemaschinen, wie beispielsweise Reeler, die Bänder ab- und aufrollen, aber nicht.

• Nur einen Bruchteil der in den Maschinen vorhandenen Informationen stehen auch wirklich für Auswertungen zur Verfügung – nach Erkenntnissen von TE werden im Schnitt lediglich fünf Prozent der Sensordaten in den Steuerungen verarbeitet. Um an die übrigen Daten zu gelangen, muss ein großer Aufwand betreiben werden, das reicht von der Umprogrammierung von Steuerungen bis hin zur Erweiterung der Kapazität des Netzwerks.

• Die Datenmodelle der Maschinen sind meistens nicht einheitlich, weswegen sie individuell angepasst werden müssen. Das führt dazu, dass in den Pilotprojekten über 60 Prozent der Kosten in die Manpower gingen, die aufgewendet werden musste, um die Daten zu interpretieren und in Strukturen zu speichern. Neben den enormen Kosten, die das zur Folge hat, begrenzt auch die Menge an Mitarbeitern mit dem nötigen Skillset aus Produktions- und IT-Know-how das Ausrollen solcher Lösungen.

• Automatisierungstechnik und IT sind, salopp gesagt, zwei Paar Schuhe. Erstere basiert auf deterministischen Prozessen und verwendet Software, die mit qualitätsorientierten Methoden wie dem V-Modell den gesamten Lebenszyklus einer Maschine überdauern soll. In der digitalen Fabrik wird sich die Software dagegen ständig verändern, beispielsweise durch neue Funktionen oder Security-Updates, die aufgrund der mit der Cyberwelt vernetzten Produktionsprozesse einen immer höheren Stellenwert bekommen. Das lässt sich mit einer deterministischen Maschinensteuerung schlechterdings nicht machen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um Teilnehmer an ein Netzwerk anbinden und eine Vielzahl von Daten erfassen, übertragen und analysieren zu können, ohne dass die Kosten geradezu explodieren.

Die erste besteht darin, zusätzliche Sensoren in die Maschinen einzubauen, die einzig und allein für Anwendungen, die nichts mit Steuerungsaufgaben zu tun haben, gedacht sind. Das wird heute beispielsweise schon beim Zählen von Gutteilen praktiziert, wozu ein MES einen Auftrag platziert und sobald dieser erledigt worden ist, die Maschine sofort wieder anderweitig eingesetzt werden kann. Aber auch spezielle Aufgaben wie etwa eine vorausschauende Wartung, beispielsweise bei Lagern von Motoren oder Pressen, können auf diese Weise durchgeführt werden.

Umfassende Analysen

Zweitens lassen sich Gateways installieren. Jedoch stehen dann normalerweise nur die Daten zur Verfügung, die von den Steuerungen angeboten werden. Deshalb wird dieser Ansatz hauptsächlich verwendet, um den Status von Maschinen zu überwachen. Die dritte Möglichkeit lautet, Maschinen mit smarten Feldgeräten auszustatten, mit denen sie in IT-Systemen detailliert abgebildet und die Performance mit Methoden wie SPC (Statistical Process Control) exakt analysiert werden können.

Ein Beispiel dafür ist ein I/O-Modul von TE, in das ein Mini-Computer integriert wurde. I/O-Module erfassen Daten von Sensoren und Aktoren und leiten diese über ein übergeordnetes Bussystem an die Steuerungen weiter. Mit dem smarten I/O-Modul, das als sogenannter Edge Computer fungiert, kann zusätzlich zu diesem Echtzeit-Kommunika­tionspfad ein weiterer Pfad eingerichtet werden, über den sich Daten für intelligente Anwendungen im Sinne von Industrie 4.0 und dem IoT in der Maschine aggregieren und dann an IT-Systeme übertragen lassen.

Welche Vorteile bietet dieser Ansatz? Da I/O-Module bereits heute in Maschinen vorhanden sind, können sie einfach ausgetauscht werden, ohne dass deren Architektur und Schnittstellen verändert werden müssen. Außerdem kann die Semantik der Datenmodelle, mit denen die Automatisierungskomponenten beschrieben sind, benutzt werden, um neue Datenbanken zu erstellen. Dadurch muss man Veränderungen nicht jedes Mal neu überlegen, wie die Daten bestimmter Komponenten abgespeichert werden sollen.

Um das smarte I/O-Modul, das TE als Prototyp auf der SPS IPC Drives 2016 erstmals vorstellen wird, zu konfigurieren, gibt es ein Cloud-basiertes Software-Tool. Mit ihm lassen sich unter anderem die Kompatibilität zu der Software der Sensoren und Steuerungen herstellen und IP-Schnittstellen generieren, über die die erfassten Daten in strukturierter Form an andere Anwendungen, wie etwa ERP-Systeme, weitergeleitet werden können. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, die Daten von verschiedenen Orten abzufragen, und zum anderen haben sie immer das gleiche Format, wodurch die Arbeit sehr erleichtert wird.

Fürs Brownfield geeignet

Smarte Verbindungstechnologie ist ein zentraler Baustein zur Digitalisierung der Fabrik. TE Connectivity entwickelt zurzeit Lösungen, mit denen die Daten von Maschinen erfasst, aggregiert, aufbereitet und anschließend in Cloud-basierte IT-Systeme weitergeleitet werden können. Dadurch lassen sich Probleme frühzeitig erkennen und Stillstandszeiten oder Kosten, beispielsweise wegen eines zu hohen Energieverbrauchs, vermeiden. Darüber hinaus können mit smarter Verbindungstechnologie auch ältere Maschinen ohne ein teures Redesign – etwa die Umprogrammierung von Steuerungen – an IT-Systeme angebunden werden.

Lesen Sie dazu auch das Interview mit Mark Maas, Industrial Digital Factory & Innovation Lead bei TE Connectivity: „Für Industrie 4.0 fehlen noch Bausteine“