Bei Industrie 4.0 oder IIoT geht es primär um Daten und den Datenaustausch über alle Systemgrenzen hinweg. Ein Grossteil dieser Daten wird mit Hilfe von Sensoren generiert. Allein schon daher beschäftigt sich Leuze electronic intensiv mit Industrie 4.0. Grundsätzlich besteht die Aufgabe eines Sensors darin, Sensordaten aufzunehmen und über die Schnittstelle nach aussen zu übermitteln.
Es kommen weitere neue Protokolle und Schnittstellen
Bei einfachen, binär schaltendenden Sensoren ist das meist nur ein Schaltbit, bei distanzmessenden Sensoren wird als Schnittstelle oft ein Analogausgang verwendet. Bei Absolutwertgebern werden die Positionsinformationen in der Regel über serielle Schnittstellen, wie z. B. SSI übertragen. Alle diese Schnittstellen sind jedoch ausschliesslich dafür geeignet, Prozessdaten zu übermitteln. Diese Schnittstellen werden vermutlich auch längerfristig ihre Berechtigung für die Übermittlung von Prozessdaten behalten. Allerdings werden zusätzliche und neue Protokolle und Schnittstellen hinzukommen, über die Daten übertragen werden, welche nicht Prozessdaten sind.
Ein wichtiger Gesichtspunkt für einen Weg in Richtung Industrie 4.0 sind die Themen Diagnose, Predictive Maintenance, Rezepturwechsel sowie Formatumstellung bei der Parametrierung von Maschinen und Anlagen im Produktionsbetrieb. Dafür ist es nötig, Diagnose- und Parametrierdaten mit dem Sensor auszutauschen. Hierzu muss der Sensor mit Kommunikationsschnittstellen ausgestattet werden, über die komplexere Daten übermittelt werden können. Je nach Leistungsbedarf und Kostenpunkt kann dies eine Feldbusschnittstelle, wie z. B. Profinet, oder eine standardisierte serielle Kommunikationsschnittstelle wie IO-Link sein. Über diese Schnittstellen können die Prozess- und die Diagnose- und Parametrierdaten mit der Steuerung ausgetauscht werden. Eine intelligente und standardisierte Datenschnittstelle ist die Voraussetzung für eine hohe Datentransparenz und damit eine Basis für Industrie 4.0. Die Schnittstelle alleine reicht aber noch nicht, um I4.0-Systeme realisieren zu können. Das Referenzarchitekturmodell RAMI 4.0 der Plattform Industrie 4.0 liefert eine Darstellung für Industrie 4.0. In diesem Modell werden die Eigenschaften von I 4.0-Komponenten in drei Dimensionen dargestellt. In einer Richtung wird der Lebenszyklus des Produkts beschrieben. In der nächsten Dimension wird die IT-Repräsentanz beschrieben. In der dritten Dimension wird eine Hierarchie aufgezeichnet.
Das ist im Prinzip die bekannte Automatisierungspyramide, erweitert um die Punkte «Product» unterhalb der Feldebene und der «Connected World» oberhalb der Unternehmensebene. Auf der Feldebene befinden sich die physischen «Assets» wie Sensoren und Aktoren. Diese Assets werden auch häufig als «Edge Devices» bezeichnet, da sie sich aus Sicht des Datenflusses betrachtet, am Rande der Connected World befinden.
Der Webserver erlaubt eine einfache Diagnose
Industrie-4.0-Komponenten müssen sich durch das RAMI-Modell beschreiben lassen. Das bedeutet, dass ein Sensor (Field Device) über alle Ebenen des RAMI-Modells Daten austauschen können muss, wenn er als echte I 4.0-Komponente funktionieren soll. Das kann ein Sensor, der nur über eine IO-Link-Schnittstelle oder einen integrierten Feldbus verfügt, nicht leisten, da diese Schnittstellen nur mit der Steuerung kommunizieren, aber keine Daten in die oberen Ebenen der Automatisierungspyramide transportieren können. Um von ausserhalb der Steuerungsebene auf ein Asset auf der Komponentenebene der Automatisierungspyramide zugreifen zu können, braucht es einen Webserver. Der Webserver erlaubt eine einfache Diagnose, ohne auf die Steuerung zugreifen zu müssen. Verfügt ein Edge Device über eine IO-Link-Schnittstelle, ist es möglich, diese Funktionalität über einen IO-Link-Feldmaster, wie den MD700i von Leuze electronic, zu realisieren. Der Webserver ist in den Master integriert und verbindet bis zu vier IO-Link-Sensoren über einen Feldbus wie Profinet mit der Steuerung. Parallel dazu erlaubt der Webserver die Kommunikation über alle IT-Ebenen und damit eine einfache globale Diagose. So lässt sich die Insel aus mehreren einfachen Sensoren am IO-Link-Master als Realisierung eines Industrie 4.0-Systems bezeichnen.
OPC UA als künftiger Kommunikationsstandard
Eine der vielversprechendsten Realisierungen von Industrie 4.0-Systemen erfolgt derzeit sicherlich über die Nutzung des OPC UA-Protokolls. OPC steht für «Open Platform Communications» und ist ein Satz von Standards für die industrielle Kommunikation. OPC basiert auf den Microsoft-Technologien OLE, COM und DCOM. OPC UA – UA steht für «Unified Architecture» und ist eine Weiterentwicklung von OPC, welcher 2006 das erste Mal veröffentlicht wurde und stetig weiter entwickelt wird. Der grosse Fortschritt im Sinne von Industrie 4.0 besteht darin, dass OPC UA auf Embedded-Systemen wie sie in Edge Devices üblich sind, implementiert werden kann.
Sensor transportiert komplexe Daten direkt in die Microsoft Azure Cloud
Leuze electronic hat in Zusammenarbeit mit Microsoft als erster Hersteller von Edge Devices gezeigt, dass die vollständige technische Umsetzung der Möglichkeiten, die OPC UA eröffnet, bereits jetzt möglich ist. Mit dem BCL348i hat Leuze electronic einen Sensor präsentiert, der komplexe Daten parallel zu einer Feldbusschnittstelle für Prozessdaten und einem Webserver für Diagnosedaten direkt in die Microsoft Azure Cloud transportiert. In der Azure Cloud können die Daten analysiert und weiterverteilt werden um sie z. B. auf einem mobilen Device zu visualisieren. Ebenso ist der umgekehrte Weg möglich, einen BCL348i von einem beliebigen Ort auf der Welt, beispielsweise von einem mobilen Device über die Azure Cloud anzusprechen.
Welche Daten eignen sich zur Übertragung über OPC UA?
Daten von Sensoren lassen sich im industriellen Umfeld im Sinne von Industrie 4.0 in unterschiedliche Kategorie einordnen. Hier sind insbesondere die schon erwähnten Kategorien Prozessdaten, Diagnosedaten, Konfigurationsdaten und statistische Daten zu nennen. Diese Kategorien variieren stark in ihren Echtzeitanforderungen. «Predictive Maintenance» ist eines der am häufigsten genannten Beispiele für potenzielle Business Cases im Umfeld von Industrie 4.0. Als Beispiel mag der Nachlauf einer Drehbank nach dem Abschalten dienen: Verkürzt sich der Nachlauf, mag sich ein Lagerschaden an der Drehbank andeuten. Somit kann eine statistische Auswertung des Nachlaufs bei jedem Ausschalten der Drehbank Aufschluss über deren Zustand geben. Diese Art, Daten zu sammeln, ist nicht mit Diagnosedaten in der Feldebene zu verwechseln.
Von der technischen Umsetzung zu Business-Modellen
Der Kern von Industrie 4.0 ist die Erwartung, dass sich durch neue technische Möglichkeiten auch neue Businessmodelle ergeben. Allein die Bereitstellung von Daten innerhalb des gesamten RAMI-Modells ist aber noch kein Businessmodell. Über die technische Umsetzung hinaus wird es nötig sein, sich über die dadurch entstehenden Kundenmehrwerte Gedanken zu machen. Zu einem Businessmodell gehören Überlegungen, welche Kunden für welchen Mehrwehrt welchen Betrag bereit sein werden, zu bezahlen.
Viele Unternehmen fürchten eine disruptive Veränderung bestehender Geschäftsmodelle durch Industrie 4.0 – Leuze electronic sieht Industrie 4.0 und IIoT vielmehr als Chance, und stellt sich den neuen Herausforderungen daraus gerne.
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