Interview mit Dipl.-Ing. Klaus Rupprecht, Sys Tec Electronic GmbH

Standards in der IoT-Ära

Sys Tec Electronic GmbH ist Ihr Premiumanbieter für Elektronikdienstleistungen, spezialisiert auf die Entwicklung und Fertigung von kundenspezifischen Elektroniklösungen für eingebettete Systeme und verteilter Automation. Im Interview erläutert Dipl.-Ing. Klaus Rupprecht Strategien und Technologien zur Einbindung von bestehenden Maschinen und Anlagen in das Industrielle IoT.


Herr Rupprecht, welchen Stellenwert nimmt freie Hardware (OS-Hardware) und Open-Source-Software im Kontext der Entwicklung des IoTs ein?

Bild: SYS TEC electronic GmbH

Klaus Rupprecht: Aus unserer Erfahrung müssen die Einstiegshürden zu konkreten Lösungsansätzen so niedrig wie möglich gehalten werden. Dies gilt technisch genauso wie kommerziell. Bevor eine Investitionsentscheidung in Richtung IoT getätigt wird, werden in der Regel Pilotanlagen installiert, um den Nutzwert begreif- und kalkulierbar zu machen. Somit ist die Verwendung von offenen Standards in Hard- und Software ein probates Mittel, um die Kosten und die Erstellungsdauer für Pilotanlagen niedrig zu halten. Ein weiterer Aspekt ist, den Wissens- und Erfahrungshorizont von jungen, angehenden Ingenieuren urbar zu machen. An den Hochschulen werden diese quasi mit den offenen Standards groß. Somit wäre es töricht diesen vorhandenen und durchaus wertvollen Schatz nicht auch in professionellen Lösungen zur Anwendung zu bringen. Die Qualität der offenen Standards hat sich meines Erachtens auch dadurch stark verbessert, dass nicht mehr nur ambitionierte Hobbyisten diese für private Applikationen verwenden, sondern auch sehr professionelle Entwicklergruppen ihre Ergebnisse publizieren und somit die Standards sowohl in der Breite als auch in funktionalen Details beachtenswert sind. Grundsätzlich sehen wir uns als Systemintegrator in der Pflicht die offenen Standards für unsere Industriekunden vor Einsatz auf Herz und Nieren zu prüfen. Die meisten Kundenapplikationen bestehen daher in der Regel aus einer Mischung von offenen Standards gepaart mit sehr veritablen Komponenten, die von Spezialisten für Spezialisten entworfen und vermarket werden.

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Wie können heute Bestandsmaschinen am besten nachgerüstet werden?

Rupprecht: Um Bestandsmaschinen in die IoT Welt zu überführen braucht es heterogene und minimal invasive Lösungen. Minimal invasiv meint dabei im Besonderen, dass wir z.B. an einer Produktionsmaschine, die jeden Tag sicher Ihren Dienst verrichtet, keine Komponente installieren, die die Verfügbarkeit der Maschine negativ beeinflusst. Es ist erkennbar, dass die Zeitfenster zur Installation von zusätzlichen Komponenten während des Produktionsablaufes knapp bemessen sind. Zudem kann eine Veränderung an der Maschine möglicherweise den Verlust von Gewährleistungsansprüchen gegenüber dem Maschinenlieferanten darstellen. Für einen Teil unserer Kunden ist eine Nachrüstung dann akzeptabel, wenn wir ein paralleles System installieren, das nicht in die originäre Steuerungssoftware und damit in die Abläufe eingreifen kann. Wir bieten zudem Batterie-betriebene Sensoren an, die noch nicht einmal einen Anschluss an die Versorgung der Maschine benötigen, was gleichbedeutend ist mit der Tatsache, dass wir i.d.R. ohne zusätzliche Kabelinstallation auskommen. Diese Lösungen sind sehr individuell auf die jeweilige Maschine projektiert und bieten auch Zugang zu Messwerten, die mit der Steuerung der Anlage bisher nicht erfasst werden konnten. Wir sehen hier insbesondere Anwendungsfälle von vorausschauender Wartung von Verschleißteilen an schnell drehenden Teilen einer Maschine. Kurz und knapp: Wie wäre es eine permanente Überwachung für Achs-Lager auf etwaige Frühausfälle zu installieren? Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang, dass wir die IoT-Daten über separate Übertragungskanäle senden können. IT-Verantwortliche fordern meist den Zutritt zu Shopfloor-Daten nur über besondere Gateways zuzulassen und vom Datenfluss zum Server (Cloud) strikt zu trennen. Der eingangs erwähnte heterogenen Lösungsansatz ist der Tatsache geschuldet, dass ebenso eine technische Möglichkeit angeboten werden muss, die direkt auf die Daten der Maschinensteuerung zugreift. Hierzu ist Expertise notwendig, wie die unterschiedlichen Steuerungshersteller Zugriff auf Daten zulassen. Wir ergänzen in diesem Fall unsere Geräte um eine Art Treibersoftware, die individualisiert mit der Anlage kommuniziert. Aufgrund der Vielzahl von Herstellern und Modellen ist das eine echte Herausforderung, der wir uns mit Komponenten aus unserem Partnernetzwerk gerne stellen. Wir sehen: Die eine optimale Anbindung von Bestandsmaschinen gibt es nicht, obwohl wir die Installation eines parallelen Systems präferieren würden.

Welche offenen Standards und Austauschformate gibt es derzeit und was entwickelt sich hier?

Rupprecht: Es ist sehr interessant, dass es oftmals in der technischen Welt Entwicklungen gibt, die offenbar Ihrer Zeit vorauseilen. So ein Beispiel ist für mich das MQTT-Protokoll, das bereits 1999 definiert wurde und nun in der heutigen IoT-Ära zu einem anerkannten Austauschformat für Sensor to Cloud-Anbindungen geworden ist. Referenziert man die heutigen IoT-Lösungen auf Machine to Machine (M2M)-Kommunikation der letzten 20 Jahre, stellen wir fest, dass die heutige Digitalisierung meist auf einer logischen Weiterentwicklung von etablierten Bestandteilen beruht. Wirklich neu ist für mich die Kombination von verschiedenen Hardware- und Softwaretechnologien zu IoT- oder besser IIoT-Lösungen. Größter Treiber für die IoT-Welt ist nach wie vor die Entwicklung und Verbreitung von Smartphones. Die Infrastrukturelemente, die bedingt durch die Masse der schlauen Telefone heute zur Verfügung stehen, waren vor zwei Dekaden noch undenkbar und eine Datenübertragung über Provider eine kostenintensive Mühsal. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ist ein offenes Nachrichtenprotokoll, das von den meisten Cloudanbietern unterstützt wird. Als Client-Server-Protokoll senden die Clients an den Server Nachrichten mit einem sogenannten Topic. Die Clients abonnieren ergo Informationen, die dann von dem Server (mit Verwendung eines sogenannten Brokers) an die interessierten Clients weitergegeben werden. Da MQTT in der Breite über TCP benutzt wird, können klassische Ethernet Übertragungskanäle genutzt werden. Sensor to Cloud-Kommunikation ist mit der Verwendung von MQTT robust im industriellen Umfeld nutzbar. Unser Ökosystem arbeitet mit diesem Protokoll, insbesondere zwischen Sensoren und der Instanz Edge-Controller. Wir sehen zudem einen enormen Vorteil darin, dass die Clients hardwareunabhängig sind, also nahezu jedes heute verfügbare Endgerät (Smartphone, Tablett, PC, … ) verwendet werden kann, auch in beliebigen Kombinationen untereinander. Aus unserer Sicht bleiben die klassischen Feldbus-Protokolle wie z.B. Profibus und CANopen noch lange erhalten; lediglich der Trend zur Verwendung von Ethernet basierter Hardware könnte sich weiter verstärken, sind doch durch Verwendung dieser Physik fast alle gängigen Protokolle übertragbar, bis hin zu echtzeitfähiger Datenübertragung von kritischen Messstellen.

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Was kann mit dem offenen Standard OPC UA erreicht werden und sehen Sie noch weitere sich etablierende Standards?

Rupprecht: OPC UA ist wie MQTT ein Beispiel einer ausgereiften, guten technischen Basis, die gerade dabei ist ihren Weg in die Applikationen zu finden. Ebenfalls im Zeitalter der M2M-Kommunikation geboren, wächst sich OPC UA zu einer wichtigen Schlüsselkomponente. Im Zentrum dabei steht die Aufgabe Kommunikationsprotokolle zu definieren und zu verwenden, die branchenneutral und hardwareunabhängig arbeiten. Bereits 2013 wurde in einer Umfrage zur Plattform Industrie 4.0 (Quelle: Forschungsunion, acatech2013) die Standardisierung als größte Herausforderung von Branchenkennern benannt. Daran hat sich nach unserer Meinung nichts geändert. Die Vernetzung unterschiedlichster Systeme untereinander (z.B. Steuerung zu Steuerung, Steuerung zu Visualisierungsgeräten usw.) führt über firmenspezifische, heterogene Ansätze ins Nirwana, einhergehend mit einer Verschwendung von Ressourcen von kostbaren Software-Entwicklern, von denen es bekanntermaßen zu wenige gibt. Somit ist es nicht verwunderlich, dass immer mehr Firmen der Automatisierungs-Industrie mit OPC UA basierten Lösungen aufwarten. Als Mitglied der OPC Foundation haben wir auf unseren Edge-Controllern einen eigenen OPC UA Stack implementiert, in erster Linie mit der Funktion sogenannte HMI (Human Machine Interface) von Drittanbietern verwenden zu können. Wir planen die Konnektivität Schritt für Schritt zu erweitern und OPC UA als Bindeglied zu Steuerungsgeräten unterschiedlichster Hersteller anzubieten. Ziel könnte es sein, OPC UA perspektivisch auch bis auf die Sensorebene zu bringen um Daten von Messstellen direkt aus der Feldebene in die Managementebene oder gar auf den Enterpriselevel zu bringen. Warum sollte nicht auch die ERP-Software direkt Statusinformationen der Maschine bekommen und verarbeiten? Wir sehen hier Vorteile und verbinden heute schon MES-Funktionen mit Zustandsdaten aus der Maschine. Wir überwachen hiermit die Verfügbarkeit unserer Bestückungsanlagen und können im Falle von Störungen schneller reagieren und die gestörte Fertigung sofort neu planen. Schauen wir uns Anwendungsfelder an, in denen IoT und IIoT besonders großen Nutzen für den Anwender bringen, kommen wir zwangsläufig, lokal betrachtet, auf die Bereiche vor, zwischen und hinter der Produktionsmaschine. Wir sprechen über Logistik und Materialfluss. Überwachen wir unsere Produktionsanlagen perfekt und steigern hier die Verfügbarkeit und damit die Produktivität, ist es doppelt fatal, wenn Material nicht zur rechten Zeit am richtigen Ort ist. Was liegt also näher den Materialfluss zu überwachen durch ein sogenanntes Asset Tracking System. Bewegliche Objekte (z.B. Transportkisten) werden lokalisiert auf Ort und Menge. Somit benötigt man Funksignal-Standards die auf Consumer-Standards wie Bluetooth aufsetzen. Kombiniert man diese Hardware-Standards mit speziellen Software-Stacks, können vermaschte Kommunikationsnetze realisiert werden, die als mobile Knoten untereinander oder übereinander zu einem Gateway kommunizieren. Hier etablieren sich zunehmend spezielle Lösungen zu Standards, sodass es in naher Zukunft möglich sein wird, unterschiedliche Anwendungsfälle mit einer Systemarchitektur zu bearbeiten. Eine Kombination von Maschinenüberwachung und Asset Tracking ist heute schon Stand der Technik, eine Kombination mit intelligenten Beleuchtungssystemen innerhalb der Werkhalle ist ebenso denkbar. Auch hierbei hilft uns indirekt die Entwicklung der Smartphones weiter. Viele, sehr gute Funk-Lösungen zur standardisierten Vernetzung kommen von Startup-Unternehmen aus Finnland - kein Zufall.

Warum benötigt Industrie 4.0 eine semantische Beschreibung von Maschinen- und Produktionsanlagen?

Rupprecht: Wie bereits im Zusammenhang der OPC UA-Technologie erörtert, ist auch hier die Standardisierung die zentrale Herausforderung. Stellen wir uns vor, wir würden keine semantische Beschreibung anstreben. Als Ergebnis wäre der Zoo von eigentlich gleichen Maschinen über die individuelle Darstellung der Hersteller nicht beherrschbar. Somit muss eine generische Beschreibung der Anlagen entstehen, die die Maschine, um am Beispiel der Automationspyramide zu bleiben, in der Management- und Enterpriseebene eindeutig definiert. Schließlich wollen Sie sich nicht mit dem Kauf der Maschine auf einen Anbieter von MES-Software festlegen, nur weil die Schnittstelle individuell gestaltet ist, gleiches gilt für die Anbindung des führenden ERP-Systems. Aus einer anderen Blickrichtung würde eine heterogene, nicht harmonisierte Darstellung der Maschinen und Anlagen zu ständigen Anpassungen auf (fast) allen Ebenen der Datenverarbeitung führen. Welche Kosten dies verursachen würde, ist schlecht einschätzbar, könnte allerdings den Nutzen (Einsparung durch Verwendung von IIoT) deutlich runterschmelzen. In diesem Zusammenhang sollte man auch daran denken, dass Maschinen und Anlagen installiert und gewartet werden müssen. Es wäre ein Graus, würden wir in Zukunft weiterhin auf rein manuelle Konfiguration setzen. Die Instandhaltungs-Abteilungen wären sicher schnell überlastet. Die semantische Beschreibung meint die Vereinheitlichung von Daten. Die Vereinheitlichung oder Harmonisierung der Daten wird sinnvoller Weise bereits auf der Komponentenebene einer Maschine oder Anlage durchgeführt. Ähnlich der Funktionsweise der USB-Schnittstelle meldet sich ein Anlagenteil mit einer Beschreibung oder Kennung, die die Software erkennt und zuordnet. "Plug&Play" hieß es mal in der PC-Welt, heute wandelt sich der Begriff zum Ziel "Plug and Work". Neben reinen Parametern, die den Anlagenteil definieren, ist es erstrebenswert, auch die grafische Darstellung von Prozessen zu harmonisieren. Werden die Geometrie- und Topologiedaten des Anlagenteils bereitgestellt, kann unter Verwendung von Software wie AutomationML die entsprechende Visualisierung zur Laufzeit generiert werden. Das heißt, dass sich auf unterschiedlichen HMI-Geräten die Grafik kongruent aufbaut. So essentiell die Aufgabe der semantischen Beschreibung sicher ist, so ist diese nicht leicht umzusetzen und bedarf zentraler Entwicklung. (kbn)n

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