Industrie 4.0
01.09.2015

Mit Praxisbezug zur Smart Factory

Auftrieb erhalten die weltweiten Smart-Factory-Initiativen vom Industrial Internet Consortium (IIC) und von den Aktivitäten rund um Time Sensitive Network (TSN) innerhalb der IEE 802.1 sowie der „AVnu“ Alliance. Rahman Jamal, Global Technology & Marketing Director bei National Instruments, nimmt dazu Stellung.

In puncto Smart Factory verfolgen Industrie 4.0 und das Industrial Internet Consortium die gleichen Ziele. Im Endeffekt geht es darum, mit einer zunehmenden Vernetzung und Digitalisierung weiteres Rationalisierungspotenzial freizulegen. Das Unternehmen National Instruments [1] begrüßt als global tätiges Unternehmen globale Initiativen wie das IIC. „Letztendlich kommt es unseren Kunden weltweit zugute“, unterstreicht Rahman Jamal (Bild) von National Instruments. Seiner Meinung nach ist es durchaus mit Industrie 4.0 in Einklang zu bringen. Es be­inhaltet neben dem Fokus auf Smart Factory weitere Anwendungsgebiete, wie Smart Energy, Smart Mobility und Smart Health.

Drei Testbeds des Industrial Internet Consortiums

Vor Kurzem wurde das erste IIC-Testbed für „Track and Trace“ unter Mitwirkung von Bosch, Cisco und Tech Mahindra sowie National Instruments etabliert. „Hier wurde gezeigt, wie sich die Position eines Funk-Akku­schraubers innerhalb einer Werkhalle sehr genau ermitteln lässt. Abhängig von dieser Position kann sodann automatisch das richtige Drehmoment für die jeweilige Aufgabe gewählt werden“, erläutert R. Jamal. Präsentiert wurden die ersten Ergebnisse auf der Bosch Connected World im Februar 2015. In diesem Sinn sieht R. Jamal für beide Initiativen – Industrie 4.0 und IIC – viel Potenzial für die Zukunft.

Das zweite Testbed mit Beteiligung von National Instruments hat die Bezeichnung „Microgrid Communication and Control Testbed“. „Hiermit soll die Machbarkeit eines sicheren Echtzeitdatenbusses für den Energiebereich nachgewiesen werden“, erklärt R. Jamal. Der Echtzeitdatenbus vereinfacht die Kommunikation zwischen Maschinen und Steuerzentrale/Leitstelle sowie zwischen Maschinen und Cloud-Daten. „Dabei sollen verteilte Datenverarbeitungs- und Steuer-/Regelanwendungen, die sich in direkter Nähe des Knotens befinden, auch als „edge-located“ bezeichnet, mit intelligenten Analyseverfahren kombiniert werden“, schließt er an. Beteiligte IIC-Unternehmen an diesem Testbed sind neben National Instruments Real-Time Innovations und Cisco. NI stellt die intelligenten Knoten für die Steuerung und Analyse der Edges auf Basis von Compactrio und dem Grid Automation System zur Verfügung.

Hintergrund hier ist, dass die zentral geregelte Architektur heutiger Stromnetze nicht dafür ausgelegt ist, verteilte und erneuerbare Energiequellen wie etwa Solaranlagen oder Windturbinen miteinander zu vernetzen. So muss das System mehr Strom, als eigentlich benötigt wird, generieren, um schnelle Schwankungen in der Stromerzeugung oder im Stromverbrauch zu kompensieren. Variable und verteilte Stromerzeugung effizient in das Netz zu integrieren, erfordert Neuerungen in der Architektur.

„Das dritte IIC-Testbed, an dem wir mitarbeiten – dieses Mal mit IBM –, läuft unter der Bezeichnung ‚Condition Monitoring and Predictive Maintenance Testbed‘“, fährt R. Jamal fort. Es nutzt Big Analog Data und Analyseverfahren, um Betriebsausfallmuster bei Anlagen und Maschinen zu erkennen. Dies soll Produktions-, Wartungs- und IT-Abteilungen ermöglichen, zu bestimmen, welchem Teil der Anlage möglicherweise ein ungeplanter Ausfall droht.

„Aufgrund des zunehmenden Alters von Produktionsstätten und der Tatsache, dass immer mehr sachkundiges Personal in den Ruhestand geht, ist es erforderlich, damit verbundene Risiken mithilfe von Daten bezüglich der Zuverlässigkeit der Anlage sowie entsprechenden Analysetools so weit wie möglich zu minimieren“, erläutert R. Jamal weiter. „Betriebszeiten, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Betriebseinrichtungen sind entscheidend, wenn es darum geht, die Leistungsfähigkeit der technischen Ausrüstung zu wahren.“ Er unterstreicht zusammenfassend: „Fakt ist, dass durch das IIC das ganze Thema Smart Factory viel stärkeren Rückenwind bekommt.“ Eine Zusammenarbeit zwischen beiden Initiativen ist also unumgänglich.

Darüber hinaus ist R. Jamal im Arbeitskreis „Sensorik in der Produktion im Kontext von Industrie 4.0“ engagiert. Hier entstand das Positionspapier für das „Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2014“ (AWK). „Die Stoßrichtungen für die Entwicklung von Sensoren werden in sogenannten Cyber-Physical Production Systems bzw. Sensor Systems vorgestellt – die wiederum die Basis für Industrie 4.0 sind.“ Schwerpunkte bilden die Entwicklung von Multisensorsystemen und die Integration einer intelligenten Signalverarbeitung in die Sensorik.

Forschungs- und Technologieprojekt bei Airbus

Eine weitere von National Instruments unterstützte Initia­tive nennt sich „Factory of the Future“. Hierbei handelt es sich um ein langfristiges, mehrphasiges Forschungs- und Technologieprojekt bei Airbus. „Dort wurde begonnen, intelligente Werkzeugfamilien zu entwickeln, die verschiedene Fertigungsprozesse ausführen: Bohren, Messen sowie hochwertiges Datenloggen und Festspannen“, fährt er fort. „Zur Entwicklung eines Flugzeugs gehören unzählige Schritte, die Bediener befolgen müssen, und auch zahlreiche feststehende Prüfungen, um die Qualität sicherzustellen.“ Eine Teilbaugruppe eines Flugzeugs kann 400.000 Stellen enthalten, die verschraubt werden müssen. Im gegenwärtigen Produktionsprozess erfordert dies über 1.100 einfache Spannwerkzeuge. Dies hat ein hohes Fehlerrisiko zur Folge.

„Ein intelligentes Spannwerkzeug begreift, welche Aufgabe der Bediener ausführen will, indem Bilderfassung und -verarbeitung zum Einsatz kommen, anhand derer das Werkzeug seine Umgebung verarbeitet und automatisch das Drehmoment festlegt“, betont R. Jamal. „Das Gerät kann das Resultat der Aufgabe in einer zentralen Datenbank speichern, um sicherzugehen, dass die Stelle korrekt verschraubt wurde.“ Airbus testete das NI SOM als Basisplattform für diese intelligenten Werkzeuge. Mit NI-Technologien werden so Entwicklungsprozesse beschleunigt und Smart-Factory-Konzepte verwirklicht.

Echtzeitfähiges Standard-Ethernet nach IEEE 802.1

Eine weitere Initiative, die ebenfalls erheblichen Einfluss auf Smart-Factory-Konzepte haben kann, sind die Aktivitäten für ein echtzeitfähiges Standard-Ethernet innerhalb der IEEE 802.1. Der Standard soll so weiterentwickelt werden, dass er auch für industrielle Automatisierungsaufgaben mit hohen Echtzeitanforderungen nutzbar ist. Gearbeitet wird an den folgenden Themen: 802.1ASbt (Zurverfügungstellen von Netzwerkzeitsynchronisierung), 801.1Qbv (Zeitliches Scheduling von über das Netzwerk versendeten Datenpaketen für garantierte Latenzzeiten), 802.1CB (Sicherstellen von Netzwerkredundanz), 802.1Qbu und 802.3br (präemptives Versenden der Pakete, um niedrigere Latenz und höhere Bandbreiten sicherzustellen). „Außerdem sind wir auch in der Arbeitsgruppe IEEE?1588 (Precision Time Protocol) aktiv“, ergänzt R. Jamal.

„TSN verspricht, die Technologien, die für die standardisierte Kommunikation über Ethernet erforderlich, jedoch bisher nicht miteinander zu vereinen sind, gleich in Silizium zu gießen – und somit deterministische High-Speed-Datenübertragung und extrem präzise Zeitsynchronisation zu ermöglichen“, erläutert der Technology & Marketing Director.

Diese Entwicklungen haben seiner Meinung nach Einfluss auf eine Vielzahl von Anwendungen und Märkten, die auch die Maschinensteuerung und die Anlagenüberwachung sowie Prüfstände und „HiL“-Anwendungen einbeziehen. Der Vorteil liegt klar auf der Hand: Für Industrial IoT kann ein Standard entstehen, der von allen Akteuren unterstützt wird und den nahtlosen Datenfluss ermöglicht.

Netzwerktechnologien der „AVnu“ Alliance

Ein weiteres Konsortium, das durch Zertifizierungen deterministische Netzwerktechnologien auf Basis offener Standards vorantreibt, nennt sich „AVnu“ Alliance. Diese Allianz schafft und erstellt in Zusammenarbeit mit anderen Standardisierungsgremien und technischen Arbeitsgruppen Zertifizierungsprogramme, die die Inter­operabilität von Netzwerkgeräten sicherstellen. Es geht um einen Standard für eine Infrastruktur für zeitkritische Gerätekommunikation. Diese Infrastruktur ist unabhängig vom Anwendungsprotokoll.

„Die zugrunde liegende Technologie ermöglicht deterministische synchronisierte Vernetzungen auf der Grundlage der IEEE-TSN-Basisstandards“, erläutert R. Jamal. Auch bei dieser Gruppe steht die industrielle Steuerung und Regelung neben dem Bereich professioneller Audio-/Videodaten sowie Automotive-Anwendungen im Fokus. Ein Standardfundament soll gleich auf einem Chip abgebildet und von vielen verschiedenen Proto­kollen genutzt werden können. „Vor allem die Anzahl inkompatibler Busse soll damit reduziert werden“, betont R. Jamal. Ein Prototyp für einen solchen Standard-Chip und entsprechende IP für Endknotenpunkte und Switches gibt es bereits. Hersteller, wie Intel, Broadcom, Marvell und Cisco arbeiten daran mit. All diese Aktivitäten sieht R. Jamal als wichtigen Beitrag, um die Bemühungen um die Smart Factory und die Digitalisierung weiterer Anwendungsgebiete voranzutreiben.

Autor: Ronald Heinze

 

Literatur

[1]    National Instruments Germany GmbH, München: www.ni.com

[2] Industrial Internet Consortium versus Industrie 4.0. etz elektrotechnik & automation 136 (2015) H. S1, S. 12–13

20 Jahre openautomation

Die Grundidee bleibt, die Dimensionen wachsen

„Eine Branche im Umbruch: Anwender fordern in aller Deutlichkeit kostensenkende, flexible und offene Automatisierungslösungen sowie Durchgängigkeit vom Sensor bis zum Management“ – dieser Grundanspruch hat sich über die letzten 20 Jahre nicht geändert, aber die Dimensionen, die neue Technologien mit sich bringen, lassen die Industrie 4.0 Wirklichkeit werden. Immer im Mittelpunkt dabei: Daten – das viel gepriesene Öl des 21. Jahrhunderts. Die Grundidee der vertikalen Integration bleibt, nur das Wording ändert sich heute.

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