Industrie 4.0
11.01.2017

Cloud-Services halten Einzug in die Automatisierungslandschaft

Im Zuge der Industrie-4.0-/Industrial-IoT-Debatte stolpert man zwangsläufig über Cloud Computing. Die Prognosen rund um die Indus­trie 4.0 und das IoT lassen (vor-)schnell annehmen, dass künftig jede Aufgabe und Funktion als Internet- bzw. Cloud-Service bereitgestellt wird – selbst in der Automatisierung und Maschinensteuerung. Eine differenzierte Betrachtung der technischen Rahmenbedingungen verdeutlicht den realen Nutzen, aber auch Grenzen virtueller Internet-Services.

Produktionsumgebungen und Cloud-Services wachsen zusammen (Bild: Spectra)

Zwei Trends prägen die Entwicklungen rund um innovative Automatisierungsansätze, wie sie mit Industrie 4.0 und IIoT (Industrial Internet of Things) angestrebt werden:

  • Die schrankenlose Interoperabilität und Kommunikation der „beteiligten“ Komponenten untereinander sowie
  • die Umsetzung der Automatisierungs- und Steuerungssysteme als „reine“ Softwarelösung.

Das Konzept des Cloud Computing forciert diese Entwicklung, da es „unendliche“ IT-Ressourcen als Internet-Services bereitstellt und damit der Virtualisierung physischer Geräte Vorschub leistet. Gleichzeitig lassen sich Cloud-Umgebungen als Kommunikationsplattformen einsetzen, um gemäß der IoT-Idee den Datenaustausch von und zu Aktoren, Sensoren und Geräten zu organisieren und ebenso den Fernzugriff. Die kühnsten Prognosen rund um Cloud und Industrie 4.0/IIoT suggerieren, dass sich künftig jede Funktion eines Steuerungs- und Regelprozesses als Internet/Cloud-Service realisieren lässt.

Ist ein solches Szenario aber realistisch? Ein differenzierter Blick auf die heutige Praxis und das technisch Machbare hilft an dieser Stelle, Fakten und Fiktionen aufzufächern.

Cloud und Echtzeit

Fakt ist, dass vermehrt auf Cloud Computing gesetzt wird. Laut einer repräsentativen Umfrage, die Bitkom Research im Auftrag der KPMG AG regelmäßig durchführt, bezogen 2015 eine Mehrheit der Firmen in Deutschland erstmals IT-Leistungen als Internet-Service. Den größten Zuwachs gab es hier im Übrigen bei Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, von denen mittlerweile mehr als 65 % mindestens einen Cloud-Service nutzen. Zum Vergleich: 2014 betrug der Anteil 45 %.

Fakt ist aber ebenso, dass der Bezug von Steuerinformationen als Internet-Service unter harten Echtzeit-Bedingungen aktuell eine Fik­tion ist. Der Grund hierfür ist, dass die Gesetze der Physik auch für das Cloud Computing gelten. Die Lichtgeschwindigkeit ist mit 300.000 km/s eine prinzipielle Obergrenze zur Übertragung von Information. Cloud-Server dürfen folglich maximal 300 km entfernt sein, wenn eine Reaktion innerhalb 1 ms bis 2 ms erforderlich ist. Das im Zuge des kommenden Mobilfunkstandards und LTE-Nachfolgers 5G diskutierte Konzept des taktilen ­Internets verspricht an dieser Stelle jederzeit eine Latenzzeit von 1 ms bis 5 ms. Der Kniff ist, dass eine mehrstufige Hierarchie von ­Cloud-Plattformen die Entfernung „schrumpfen“ lässt. Dazu werden in der ersten Stufe örtliche Mobilfunkstationen vor Ort kleineren, lokalen Rechenzentren zugeordnet, die als Mini-Cloud die zentrale Cloud in ihrer Arbeit unterstützen. In der zweiten Stufe wird im Rahmen der sogenannten mobilen Edge Cloud ein Steuerrechner direkt in den Mobilfunkstationen bereitgestellt, wobei die Mehrfachübertragung über parallele Kommunikationskanäle inklusive der Einbindung benachbarter Funksta­tionen für einen unterbrechungsfreien Betrieb sorgt. Selbst bei mobiler Nutzung bleibt das virtuelle Steuersystem auf diesem Weg stets in direkter Nähe, da es quasi in den „Randwolken“ mitwandert.

Prozessdaten werden durch das NIO-Gateway von Spectra über Cloud-Plattformen, wie IBM Bluemix, für Anwendungen im IIoT-Umfeld nutzbar gemacht

Das Konzept des taktilen Internets klingt spannend. Zu beachten ist jedoch, dass es sich um ein Forschungsvorhaben mit vielen neuen technischen Herausforderungen handelt. Auf allen Ebenen finden aktuell noch Grundlagenforschungen statt. Erst wenn die Ergebnisse dieser Forschung zu industriell einsetzbaren Technologien und Massenprodukten führen, wird sich die Automatisierung mit dieser Innovation praktisch auseinandersetzen. Wann, wie und wo ein Internet mit 1 ms Latenzzeit in der Fertigung, Robotik oder bei mobilen Anwendungen wie autonomes Kfz von Nutzen sein kann, und ob es dann überhaupt für „normale“ Automatisierungsanwendungen finanzierbar ist, lässt sich folglich frühesten in einigen Jahren verlässlich bewerten.

Anwendungen für harte Echtzeitbedingungen bleiben deshalb auch künftig physischen Systemen, wie Industrie-PC, SPS oder kleineren Steuerungsautomaten, vorbehalten. Für niedriglatente Applikationen, bei denen der Zeitaspekt keine dominante Rolle spielt, eröffnet die Einbindung von Cloud-Plattformen in Produktions- und Fertigungsumgebungen reale Vorteile. Als Kommunikationsdrehscheibe ermöglichen sie Produktionsanlagen, Sensoren, Feldsysteme etc. Daten allgemein sichtbar beziehungsweise verfügbar zu machen.

Bereits kleine, überschaubare Szenarien bestätigen nachdrücklich den Wert einer intelligenten Kombination von Daten aus unterschiedlichen Ebenen. Die Produk­tionsparameter und Statusinformation (Auslastung, Materialverbrauch, Stillzeiten usw.) aus der Steuerungsebene der Produktion lassen sich beispielsweise mit den Messwerten der Temperatursensoren sowie Daten zum Energieverbrauch zusammenführen. Die Analyse der Verbrauchsdaten zu verschiedenen Tageszeiten und in unterschiedlichen Konstellationen geben wertvolle Hinweise auf Einsparpotenziale für Betriebskosten, etwa in Produktionen mit hohem Energieverbrauch. Mit dem Wissen aus der Analyse lassen sich Fertigungsaufträge kosteneffizient auf die Anlagen im Konzern verteilen. Einen direkten Mehrwert bieten die Cloud-Services ebenso für die vo­rausschauende Wartung. Die für die Instandhaltung wichtigen Daten sind in der Regel nicht ausschließlich über einen einzigen Kanal zugänglich. Vielmehr wird die Be­triebs­temperatur über ein Thermometer mit seriellem Anschluss geliefert. Die Vibrationsmessungen erfolgen über einen Schwingungsmesser mit Ethernet-Interface und die Informationen zur Rotationsgeschwindigkeit stammen aus der Steuer-SPS. Für die vorausschauende Wartung ist es daher erforderlich, die Daten aus den unterschiedlichen Kanälen zusammenzuführen. Die Analyse der über die Zeit gesammelten Daten ermöglicht es, typische Muster für Wartungssituationen zu identifizieren. Sobald in der kontinuierlichen Auswertung der aktuellen Werte eine vergleichbare Konstellation entdeckt wird, würde automatisiert ein Wartungsprozess eingeleitet und damit die Gefahr eines ungeplanten Stillstands reduziert.

Brückenbauer

Die Cloud-Services kommen an dieser Stelle aufgrund von Aufwandsüberlegungen ins Spiel. Ein Datenaustausch zwischen den Komponenten auf direktem Wege verbietet sich schon aus Kostengründen. Die Verbindung zu den Internet-Diensten übernehmen daher kleine „Brückenbauer“-Komponenten, wie das IoT-Gateway Nexcom NIO 100 oder der lüfterlose Mini-PC Power-Box 100. Die Systeme arbeiten als Bindeglied zwischen Produktionsdaten und übergeordneter Auswertelogik auf Servern im eigenen Rechenzen­trum und/oder Cloud-Umgebungen, wie Microsoft Azure oder IBM Bluemix. Die Systeme sammeln hierzu die Daten in unterschiedlichen Feldbus-Formaten ein, bereiten diese für die Standard-Ethernet-Kommunikation auf und transportieren sie über den Internet-Zugang eines Unternehmens oder per Mobilfunk an die Cloud-Services weiter. In kleineren Modbus-Szenarien lässt sich diese Aufgabe auch an einfache IoT-Controller, wie den Wise-5231 von ICP DAS, übertragen. Die Sensordaten von bis zu 32 Modbus-RTU-Slave-Feldbussystemen oder bis zu 16 Modbus-TCP-Feldbussystemen können hierüber regelgestützt über das IoT-Protokoll MQTT (Message Queue Telemetry Transport) an eine Cloud-Plattform übertragen werden. Für eine korrekte Auswertung ist es entscheidend, dass der Kontroller aktive Sendemechanismen (Modbus TCP Master, SNMP Trap und MQTT Publish) unterstützt, um ereignisbezogen, etwa bei Schwellwert-Überschreitungen oder in festen Zeitintervallen, ­Daten zu melden. Mit diesen ­Eigenschaften unterstützt der Wise-5231 ähnlich wie die mit mehr Verarbeitungsintelligenz ausgestatteten NIO 100 und Spectra-Power-Box 100 die zeitsynchrone Kombination der Daten aus unterschiedlichen Kanälen, wie sie für eine übergeordnete Analyse benötigt werden.

Die Samba 3.5, eine SPS mit einer 3,5-Zoll-Farb-Touchscreen-Anzeige (links), der lüfterlose Mini-PC Power-Box 100 und der Multifunktions-IoT-Controller Wise 5231 arbeiten als Bindeglied zwischen Produktionsdaten und übergeordneter Auswertelogik auf Servern

Fazit

Ähnlich wie im IT-Bereich gewinnen Cloud-Services auch für Automatisierungslösungen im Maschinen- und Anlagenbau an Gewicht. Der Weg zur vollständigen Übernahme einer Maschinensteuerung in die Cloud ist jedoch im Wortsinne noch zu weit. Anwendungen für harte Echtzeitbedingungen müssen auch künftig nahe an der Maschine arbeiten. Für weniger zeitkritische Aufgaben gilt diese Einschränkung nicht. Insbesondere die Einbindung von Cloud-Services als Informations- und Analysedrehscheibe verspricht einen erfreulichen Zugewinn. Spezialisierte Gateways und kleinere Industrie-PC helfen dabei, die Daten der unterschiedlichen Feldbus-Komponenten mit überschaubarem Aufwand einer gemeinsamen Auswertung durch Internet-Services zuzuführen.

Autor: Uwe Hollarek ist Produktmanager Automa­tion/Kommunikation bei der Spectra GmbH & Co. KG.

www.spectra.de

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