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INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2020

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2020

STEUERN UND ANTREIBEN

STEUERN UND ANTREIBEN Informationsmodelle der Zukunft Daten-Gateway der Maschine wird zum zentralen Element im Industrie-4.0-Zeitalter Die Steuerung wird in Zeiten von Industrie 4.0 zum Kernbaustein, der Know-how in der Automatisierung intelligent mit der IT verbindet. Mit IoT-Standards wie OPC UA und MQTT sowie flexiblen Informations- modellen wird die Steuerung zum sicheren Daten-Gateway der Maschine und erschließt so die Vorteile von mehr Interoperabilität und Vernetzung. Bei der Einführung von Industrie 4.0 sind die ersten notwendigen Schritte die prozessübergreifende Vernetzung aller Maschinen sowie das Sammeln, Aufbereiten und Anreichern von Daten mit wertvollen technologischen Kontext-Informationen. Dabei stellt die Steuerung einen der Kernbausteine dar – ist sie doch das Daten-Gateway der Maschine. Neue Maschinensteuerungen mit integriertem OPC-UA-Server wie die E°EXC 89 von Eckelmann erlauben die direkte Ein- Matthias Schad ist Vertriebsleiter Maschinenautomation bei der Eckelmann AG in Wiesbaden bindung von Maschinen in die digitale Fertigung. Doch auch ältere Bestandsmaschinen müssen eingebunden werden, denn nur eine möglichst umfassende Datenbasis erlaubt es, Vorteile aus der Digitalisierung zu ziehen. Informationsgewinn durch Vernetzung aller Maschinen Wie wichtig die übergreifende Vernetzung von Prozessen und Maschinen ist, zeigt sich daran, dass es zwei verschiedene Sichtweisen auf die Produktion gibt. Zum einen die maschinen-zentrierte Betrachtung: Hierbei geht es um die einzelne Maschine. Wie lange hat diese produziert, wie viel Stillstand oder Fehler gab es? Ebenso wichtig ist aber die produkt-zentrierte Betrachtung: Auf welchen Maschinen wird ein einzelnes Produkt gefertigt? Welche Werkzeuge wurden wann und wie lange verwendet? Welche Prüfschritte haben stattgefunden? Wie lange hat die Fertigung gedauert? Diese Informationen kann man nur gewinnen, wenn alle Maschinen vernetzt sind. Falls sich kein OPC UA Server auf der Steuerung nachrüsten lässt, können ältere Bestandsmaschinen über Multi IO-I4.0 Gateways eingebunden werden, z. B. die E°EXC 880 von Eckelmann. Dabei werden über digitale und analoge Schnittstellen oder eine einfache Kommunikation über serielle Schnittstellen Maschinendaten aus der Maschine ausgekoppelt und per OPC UA zur Verfügung gestellt. OPC UA Modellierung in der Praxis der Maschinenautomation OPC UA ist eine Schlüsseltechnologie für Industrie 4.0 und setzt auf den klassischen Internet-Protokollen TCP/IP und UDP auf. Deshalb erfordert es keine spezielle Infrastruktur und kann auch in heutigen Büronetzwerken ohne Probleme genutzt werden. Die Daten sind typisiert und mit semantischen Informationen angereichert wie der Einheit oder auch einer mehrsprachigen Beschreibung des Datenwerts. Sowohl ein lesender als auch ein schreibender Zugriff auf Echtzeit-Daten sind möglich, Alarme und Meldungen können ebenso übertragen und quittiert werden. Die semantische Struktur der OPC UA Informationsmodelle erschließt sich intuitiv, da die Daten, ähnlich wie auf dem PC, in hierarchischen Baumstrukturen abgelegt werden. Aktuell zeichnet sich ab, dass die Maschinensteuerung die Aufgabe eines zentralen Daten-Gateways übernimmt, weil sie die Daten direkt vorverarbeiten und aggregieren kann. Die komplexe Aggregation geht dabei über die Daten des einzelnen Sensors/Aktors weit hinaus. Leider definiert OPC UA selbst keine standardisierten Informationsmodelle. Daher soll zunächst ein kurzer Blick auf das offene Netzwerk- 30 INDUSTRIELLE AUTOMATION 03/2020 www.industrielle-automation.net

STEUERN UND ANTREIBEN protokoll MQTT geworfen werden, dem zweiten wichtigen IoT Standard. MQTT oder OPC-UA? Vor allem Sensoren oder Geräte mit geringen eigenen Ressourcen werden häufig per MQTT in Cloud-Anwendungen integriert. Anders als das konsequent semantisch orientierte OPC UA ist MQTT nicht an hierarchische Objektmodelle gebunden, ist robust und leichtgewichtig. Das Netzwerkprotokoll kann seine Vorteile dort ausspielen, wo Verbindungen unzuverlässig sind, beispielsweise bei der Übertragung über lange Strecken oder per Funk. Überall dort, wo man mit einer leistungsfähigen Steuerung als OPC-UA-Datenserver arbeiten kann, sollte man jedoch besser direkt auf semantisch strukturierte Daten zurückgreifen. Dies spart Ressourcen, vermeidet Fehler, z. B. falsche Einheiten, falsche Zuordnung von Daten, und erlaubt eine schnellere und umfangreichere Implementierung von Industrie-4.0-Diensten. Da die Datenverbindungen innerhalb eines Produktionsnetzwerks darüber hinaus stabil sind und ausreichend Bandbreite zur Verfügung steht, spricht bei dieser Anwendung alles für OPC UA. Die Vernetzung über OPC UA steht und fällt mit den Informationsmodellen, die für semantische Interoperabilität und volle Transparenz zwischen allen miteinander Der Trend geht dahin, dass Maschinensteuerungen die Aufgabe eines zentralen Daten-Gateways übernehmen Aktuelle Steuerungsgeneration mit integriertem OPC UA Server vernetzten Systemen sorgen. Diese Informationsmodelle werden in branchenspezifischen Arbeitskreisen definiert und häufig als Begleitung zu OPC UA als OPC UA Companion Spezifikation veröffentlicht. Für Werkzeugmaschinen arbeitet der VDW an einem entsprechenden Schnittstellenstandard für Werkzeugmaschinen. Erklärtes Ziel von UMATI (universal machine tool interface) ist es eine „universelle Schnittstelle (bereitzustellen), die Werkzeugmaschinen und Anlagen sicher, naht- und mühelos in kunden- und anwenderspezifische IT-Ökosysteme integrieren kann.“ Bei der Implementierung von Industrie-4.0-Lösungern sind solche Standards wie UMATI oder relevante Companion Specifications auf jeden Fall zu berücksichtigen. Bei der Digitalisierung geht es nicht um ‚Big Data‘, sondern um ‚Right Data‘. Bei einer Gasesteuerung an einer Plasmaschneidmaschine z. B. interessiert es für die spätere Auswertung weniger, ob das Ventil im Moment auf oder zu ist, sondern wieviel Durchfluss es hatte. Dies ist ein Aspekt, der bei Vorüberlegungen zu Industrie 4.0 häufig übersehen wird. Hierfür benötigt man vor allem ein Know-how der Prozesse in der Fertigung und der Daten, die z. B. eine CNC oder ein Antriebsregler liefern kann. Hier helfen Experten wie die Firma Eckelmann, die mehr als 40 Jahre Erfahrung in der vernetzten Fertigung mitbringt, da das mittelständische Unternehmen seit der Gründung sowohl Anbieter von Automatisierungslösungen für Maschinen ist, als auch Leitsysteme für große Fertigungen entwickelt. Kein Prozess wird allein durch Digitalisierung besser Wichtig ist, dass man Daten sammelt, die einen hohen Informationsgehalt bieten, um so Maßnahmen zur Verbesserung ableiten zu können. Dazu müssen die in der Maschine generierten Daten aggregiert und vorverarbeitet werden. Diese Aufgabe kommt der Steuerung zu, da sie die Signale aller Sensoren und Aktoren intelligent zusammenführt. Ebenso wichtig ist es, möglichst alle für den Fertigungsprozess relevanten Maschinen einzubinden. Ältere Maschinen können über Multi IO-I4.0-Gateways wie die E°EXC 880 von Eckelmann nachgerüstet werden. OPC UA etabliert sich als Protokoll der Wahl bei der Vernetzung von Produk tionsanlagen. Bilder: Eckelmann www.eckelmann.de www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 03/2020 31

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