Fachartikel
Januar 2017
Das Internet der Dinge samt Industrie 4.0 steckt noch in den Kinderschuhen, doch ein Blick auf aktuelle Entwicklungen lohnt. IoT Analytics aus Hamburg hat Hunderte von IoT Projekten im B2B-Bereich durchforstet und davon 640 Projekte, bei denen sowohl der IoT Kunde als auch mindestens ein Lieferant öffentlich bekannt waren, genauer unter die Lupe genommen. Alle öffentlich verfügbaren Informationen wurden gesammelt und strukturiert. Entstanden ist eine aufschlussreiche Ranking-Liste, in welchen Bereichen die Anwendungen dominieren. Global gesehen und an der Anzahl von Projekten gemessen führen die USA in neun von zehn Segmenten, gefolgt von Europa. Die Asien-Pazifikregion hat über alle Bereiche hinweg das größte Wachstumspotenzial. Insgesamt liegen die Themen Industrie 4.0 mit 141 Projekten und Smart City (128 Projekte bei denen Europa mit Städten wie Barcelona, London und Wien die Vorreiterrolle spielt) mit deutlichem Vorsprung auf den ersten beiden Plätzen. Darauf folgen Anwendungen im Energie- und Automobilsektor, der mit kommunizierenden Fahrzeugen den am weitesten entwickelten Bereich darstellt. Im Mittelfeld liegen vernetzte Anwendungen in Landwirtschaft, Gebäuden und im Gesundheitswesen. Handel und Logistik bilden knapp darauf das Schlusslicht. Basierend auf dieser Liste wurden von IoT Analytics weitere Datenpunkte herangezogen und die gesamte Anzahl von aktuellen Projekten weltweit, inklusive noch nicht bekanntgegebener, auf etwa 7.000-10.000 extrapoliert.
Bild: IoT Analytics
Doch was bedeutet die grundsätzlich steigende Vernetzung für Hersteller von Komponenten wie Sensoren, Aktuatoren und I/O Modulen?
Schlank und energiesparend mit Standard-Schnittstellen
Die wachsende Zahl an Komponenten, die mit Steuereinheiten verbunden werden, verlangt nach intelligenten und kostensparenden Konzepten. Installationsaufwand gilt es zu minimieren, Inbetriebnahmen einfach und schnell zu realisieren und den Betrieb mit hoher Verfügbarkeit zu gewährleisten.
Bild: Balluf
Komponentenhersteller wie Balluf bieten daher zum einen Hubs an, um die Verkabelungen stark zu reduzieren. Der IO-Link Sensorhub mit 8 Ports für 16 Ein- und Ausgänge bietet dabei eine Signalreichweite von bis zu 20 Meter. Für mehr Flexibilität lässt sich ein zweiter Hub oder Ventilinselstecker anschließen und so die Gesamtreichweite verdoppeln. Steckplatz 7 des Hubs wird dazu einfach als Erweiterungs-Port parametrisiert. Durch die Plug-and-Play-Verdrahtung von Sensoren mit vieradrigen Standard-Leitungen können Installationskosten teilweise halbiert werden, da über den IO Link auch eine automatische Übernahme der Parameterdaten aus dem Steuerungssystem erfolgt. Zum anderen wird die Sicherstellung des Betriebs von Anlagen beispielsweise durch eine kontinuierliche Überwachung der Stresslevel mit Heartbeat®-Netzgeräten möglich. Neben der Strombelastung für eine Maschine, deren Anstieg ein Indiz für einen bevorstehenden Ausfall sein kann, zeigt das Netzgerät auch die erwartete verbleibende Lebensdauer des Geräts an. Über einen M12-Steckverbinder oder Federkraftklemmen an das I/O Modul angeschlossen, können alle relevanten Parameter und Daten zu Überlast, Temperatur oder aktueller Stresslevel und Betriebsdauer an Diagnosesysteme zur Auswertung gesendet werden. Je nach Umgebungsbedingungen können Netzgeräte mit Schutzgrad IP20 im Schaltschrank oder mit IP67 direkt im rauen Umfeld eingesetzt werden. Die Ausgangsspannung lässt sich dabei über den IO-Link ein- und ausschalten, um Energie zu sparen, sobald Teile der Anlage nicht in Betrieb sind.
Installationskonzepte
Auch in Schaltschränken muss Platz gespart werden. Eine Lösung stellen dezentrale Installationskonzepte dar.
Bild: Murr Elektronik
Um unterschiedlichen Schutzanforderungen gerecht zu werden, liefert Murr Elektronik seinen Anlagenkunden zwei Varianten von Feldbusstationen. Cube 20 wird im staubgeschützten Schaltschrank eingesetzt. Die kompakten und widerstandsfähigen Cube67 Module, deren M8 oder M12-Steckplätze sich frei für den Empfang von Signalen oder die Ansteuerung von Aktuatoren parametrieren lassen, können direkt an den Maschinen montiert werden. Im Systemkabel sind sowohl Daten- als auch Energieleitung gebündelt, was eine platzsparende Montage von bis zu 32 Modulen mit nur einer Knotenadresse bei Stranglängen von bis zu 2 x 30 Metern erlaubt. Über das „Machine Option Management (MOM)“ von Cube67 können jeweils nur die aktuell im Einsatz befindlichen Komponenten aktiviert werden. Auch Weidmüller setzt mit den „u-remote“ I/O Modulen auf verteilte, modulare und werkzeuglose Installationskonzepte sowie Condition Monitoring. Die Versorgung für Sensoren und Aktoren ist durch zwei hoch belastbare 10A Strompfade getrennt, was Einspeisemodule spart. Ein interner Versorgungspfad ermöglicht den Betrieb on 64 Modulen mit einer einzigen Einspeisung am Koppler. Zusammen mit einer Modulbreite von nur 11,5 mm erlaubt dies eine flexiblere Auslegung von Schaltschränken. Schnittstellen bestehen über Feldbuskoppler für Profibus, Profinet, EtherCat, Modbus IDA und EtherNet/IP sowie DeviceNet und CANopen. Je nach Marktanforderung können die feldbusunabhängig ausgelegten I/O-Module durch Tausch des Kopplers einfach von einem auf einen anderen Feldbus im System migriert werden. Ein integrierter Web-Server vereinfacht die Inbetriebnahme. Wartungsarbeiten wie etwa ein Komponententausch können im laufenden Betrieb erfolgen, ohne Busanbindung und Spannungsversorgung zu unterbrechen. Die Kommunikation der I/O Module mit Sensoren und Aktoren ist über ein IEC61131-0 konformes System gewährleistet.
Hart im Nehmen
Durch die Vernetzung von Maschinen mit Sensoren und Aktoren unterschiedlichster Funktion wachsen die Anforderungen an die Steuerungsperipherie.
Bild: Bosch Rexroth
Neben der Verringerung von Engineering-Aufwänden setzt Bosch Rexroth bei den E/A-Familien IndraControl auf Integration auch unter extremen Umgebungsbedingungen. Alle Module lassen sich bei Inbetriebnahme und Wartung über ihre elektronischen Typenschilder eindeutig identifizieren. Die Diagnose von System-, Bus- oder Peripheriefehlern erfolgt vor Ort per Diagnose- und Statusanzeigen. Zusätzliche kanalspezifische Diagnosemeldungen können über die Engineering-Umgebung IndraWorks sowie das SPS-Programm abgerufen werden. Die S67 Module mit Schutzklasse IP67 werden über M8- und M12-Stecker direkt an die Maschine oder über Adapter auf Hut- oder Profilschienen montiert. Das optimierte Versorgungsspannungskonzept erlaubt Abstände von bis zu 50 Metern zwischen den Modulen in Anlagen mit maximal 500 Metern Gesamtlänge je Station. Alle E/A-Module sind in einem Temperaturbereich von -25 bis +60 Grad Celsius einsetzbar. Die robuste elektromechanische Ausführung der vollvergossenen S67 Module fängt Dauerschocks bis 30 g ab. Die Buskoppler unterstützen die Kommunikation mit dem international standardisierten Automatisierungsbus Sercos, über den der Systembus je nach Ausführung Update-Raten in nur 1 Mikrosekunde pro Modul liefert. PROFINET, PROFIBUS und Ethernet/IP sowie die sichere Signalverarbeitung über PROFIsafe on PROFINET und PROFIBUS und CIP Safety on Sercos werden ebenfalls unterstützt. Externe Gebermess-Systeme können so kabellos in den Regelkreis eingebunden werden.
Überwachung am Rand der Datenwelt
Mit zunehmender Anzahl von Geräten zur Steigerung der Produktionseffizienz wächst die Flut an erhobenen Daten. Doch wie gewinnt man effizient Ergebnisse daraus? Bei Beckhoff können Sensorinformationen wie beispielsweise Messdaten zum Rohstoffverbrauch über EtherCAT an die SPS geliefert und dort direkt mit den entsprechenden Condition-Monitoring-Bibliotheken der Engineering- und Steuerungssoftware TwinCAT abgeglichen werden. Bei verteilten Maschinensteuerungen können die Prozessdaten einzelner SPS-Module zusätzlich zyklussynchron auf einem lokalen Server oder in der Cloud aggregiert und weiter ausgewertet werden, um Stillstandzeiten zu minimieren. Die Kommunikation mit der Cloud erfolgt dabei über die gängigen Protokolle wie MQTT, AMQP oder OPC UA. Doch mit zunehmender Komplexität wächst auch das zu übertragende Datenvolumen in die Cloud. Hohe Latenzzeiten im Netzwerk sind bei Anwendungen wie dem autonomen Fahren kritisch, da es nicht nur um Prozessoptimierung, sondern um Vermeidung lebensbedrohlicher Situationen geht. Daher macht es Sinn, Daten direkt am Entstehungsort zu analysieren. Diese Edge Computing genannte Datenverarbeitung ermöglicht eine effiziente Nutzung der Netzwerke, da nur definierte und rechtlich vorgegebene Datensätze an das Rechenzentrum übertragen werden. Doch dafür benötigen lokale I/O Module zusätzliche Rechenleistung. Hardwarehersteller wie HPE und DELL passen ihre Gateways bereits an. Auch Software-Anbieter sind gefragt.
Bild: PTC
PTC wird zukünftig hybride Modelle unterstützen, bei denen die Communication-Plattform Kepware als Schnittstelle zwischen Steuerungssystemen und der Technologie-Plattform Thingworx fungiert. Dort können Anwender über das sogenannte Rapid Application Development (RAD) mithilfe modellbasierter Entwicklung und Mashup-Tools IoT Anwendungen zu Visualisierung der gesamten Wertschöpfungskette erstellen. Acme hat über ihre Smart Farms Anwendung sofort alle Details eines Anbaulandes wie Feuchtigkeit und Saatkorn- oder Düngemitteldichte im Blick. Produktions-, Wartungs- und Servicepläne sowie Ausfallzeiten in der Produktion lassen sich mit dem automatisch lernenden ThingWatcher optimieren. Dieser liest ohne Unterbrechung den Datenstrom eines Sensors 30.000 Mal pro Sekunde ab, erlernt so den Normalzustand und erkennt Anomalien in Echtzeit, ohne Daten speichern zu müssen.
House of Clouds
Bei der Konzeption von IoT-Plattformen spielen die Schnittstellen zur Cloud eine maßgebliche Rolle. Unterschiedliche Standards und Plattformen erschweren die Umsetzung, insbesondere im Mittelstand. Um dem entgegenzuwirken, baut die Telekom eine flexible Multi-IoT-Plattform und vereint in ihrem Cloud-Rechenzentrum die Lösungen verschiedener Anbieter.
Bild: Telekom
Im sogenannten House of Clouds in Biere, das bis 2018 von derzeit 2 auf insgesamt 5 Rechenzentren mit jeweils 30 Petabyte Rechnerleistung anwachsen soll, werden Microsofts Azure als erstes gefolgt von Cisco Fog (geplant 2016) und Huaweis IoT-Suite (geplant in 2017) zusammengeführt. Damit wird für Anwender die übergreifende, endgeräteunabhängige Nutzung von IoT-Lösungen möglich. Plug-and-Play-Starterpakete innerhalb der skalierbaren Plattform sollen mittelständischen Unternehmen den Einstig in IoT-Anwendungen vereinfachen. Daten, die von verschiedenster Hardware wie Sensoren oder Maschinen stammen können und die dem deutschen Datenschutzrecht unterliegen, werden mit einer Empfangskapazität von 259 Terabyte pro Sekunde auf der Multi-IoT-Plattform gesammelt, über Gateways an die präferierte Plattform geleitet und dort verarbeitet. Nur T-Systems als Betreiber der Multi-IoT-Plattform und die Nutzer selbst können auf die Daten zugreifen. IoT-Komplettpakete, die beispielsweise von Aufzugherstellern zur vorausschauenden Wartung genutzt werden, erlauben die Darstellung der Daten über ein Webinterface.
Bild: Weidemüller
Nachgefragt bei Andreas Hoffmann, Leiter Produktmanagement u-remote bei Weidmüller
Welche Märkte verzeichnen aktuell die größten Wachstumsraten bei I/O-Modulen?
Asien und insbesondere China befinden sich auf einem gedämpften Wachstumskurs, wenn auch prozentual gesehen noch auf einem hohen Niveau. USA ist konstant und in Europa liegt der Maschinen- und Anlagenbau auf einem soliden Niveau mit leichtem Wachstumsplus. Für das kommende Jahr rechnen die Firmen mit einer leichten Belebung der Märkte und Umsätze. Mit ausschlaggebend hierfür ist die rund sechs Prozent hohe Innovationsintensität des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus, der damit zu den innovationsstärksten Industriebranchen zählt.
Welche neuen Anwendungsfälle haben sich in den letzten Jahren entwickelt?
Neben der klassischen Verbindungstechnik mit Reihenklemmen, Steckverbindern und I/O-Modulen, die für uns weiterhin von großer Bedeutung sind, gewinnt das Thema Fernwartung von Maschinen und Anlagen sowie Condition Monitoring an Bedeutung. Durch den wachsenden Wettbewerbs- und Kostendruck auf produzierenden Unternehmen des Maschinenbaus steigen auch die Anforderungen an die Instandhaltung. Am besten lässt sich die kontinuierliche Zustandsüberwachung über eine abgestimmte Systemlösung realisieren, die Netzwerkkomponenten wie Industrial Security Router und Ethernet Switches, ein Remote I/O-System mit integriertem Webserver für detaillierte Systemdiagnosen und kommunikationsfähige Automatisierungskomponenten zu einer webbasierten Fernwartungs-Lösung wie unserem u-link-System verbindet.
Wie hat sich das Anforderungsprofil an I/O-Module in den letzten Jahren geändert?
Im Gegensatz zu früher steht anstelle der Module selbst nun der Anwender im Mittelpunkt. Für ihn sind effiziente Planung mit niedrigem Bauraumbedarf, eine einfache, werkzeuglose Installation und schnelle Inbetriebnahme ebenso wichtig wie die Minimierung von Fehlerquoten zur Vermeidung von Stillständen. Bei den I/O-Modulen selbst gilt es, offene Schnittstellen zu bieten, damit verschiedenste Feldbusumgebungen unterstützt werden können. Normseitig muss neben der Kommunikation nach IEC 61131-9 berücksichtigt werden, dass die UL508 durch die UL 61010 abgelöst wurde.
Welchen Einfluss haben die geänderten Anforderungen auf Entwicklung und Service?
Der aktuelle Trend geht von einer durchgängigen Kommunikation zwischen Feld- und Leitebene mit Warenwirtschaftssystem eines Unternehmens aus. Dieser ganzheitliche Ansatz einer Kommunikation von der Office-Welt bis hin zur Maschine wirkt sich konstruktiv auf die Ausstattung der I/O-Module aus. Technisch gesehen ist ein durchgängiger Datenstrom von den verschiedenen Sensoren bis zum ERP-System zu gewährleisten – und zwar von allen beteiligten Komponentenherstellern.
Gibt es besondere Anforderungen, die stark zugenommen haben?
Das Thema Sicherheit hat im Maschinen- und Anlagenbau stark zugenommen. Um Maschinen in einem sicheren Zustand zu betreiben oder bei einem Fehler in einen sicheren Zustand zu überführen, werden separate busfähige Sicherheitsmodule, die über PROFIsafe und Fail-Safe-over-EtherCAT (FSoE) Protokolle kommunizieren, in eine Station integriert. Das reduziert den Aufwand, da Standalone-Module eingespart werden können. Zusätzlich ist es wichtig, Einspeisemodule mit Drahtbruch- bzw. Kurzschlusserkennung einzubinden, mit denen sich Not-Aus-Kreise integrieren lassen. Durch das gefahrenlose Abschalten der nachfolgenden Ausgangsmodule erreichen die Einspeisemodule maximale Sicherheit bei optimaler Kontrolle. Gleichzeitig werden Wartungs- und Servicezeiten verringert und Reaktionszeiten im Notfall verbessert.
Kurz zusammengefasst
Im großen Feld des Internet der Dinge spielt die Vernetzung von Industrieanlagen heute die Vorreiterrolle. Die Haupteinflussfaktoren sind vielfältig: Steigerung der Produktionseffizienz und Kosteneinsparungen bei Anschaffung und Installation gepaart mit gleichzeitiger Senkung von Betriebs- und Wartungskosten sowie der Erhöhung der Sicherheit. Dies führt zum wachsenden Einsatz von Sensoren und Aktuatoren, die Maschinendaten zur Zustandsüberwachung erfassen.
Die I/O-Modullandschaft muss an die wachsende Menge von Ein- und Ausgangskomponenten bei gleichzeitiger Forderung nach Verkabelungsminimierung und geringerem Bauraum angepasst werden. Auch unter harschen Bedingungen wie in der Öl-und Gasbranche, bei der Energiegewinnung über Windräder oder in der Landwirtschaft muss dies gewährleistet sein. Die generierten Datenströme gilt es auf Relevanz zu analysieren, möglichst in Echtzeit auszuwerten, übersichtlich darzustellen und an beliebigen Orten der Welt verfügbar zu machen.
Dies verlangt nach einer durchgängigen Vernetzung unterschiedlichster Hard- und Software Komponenten von dem intelligenten Netzteil oder Sensor an der Maschine bis zum Überblick über den Zustand der kompletten Anlage im Vorstandbüro. Offene und standardisierte Schnittstellen über die Grenzen der einzelnen Systeme und sogar ganzer IoT-Plattformen sind gefordert. Zur Bewältigung der riesigen Datenmengen sowie der kostensparenden und effizienten Nutzung von Netzwerkressourcen geht der Trend hin zur lokalen Verarbeitung der gewonnenen Rohdaten.
Zur Unterstützung dieses sogenannten Edge-Computing, bei dem nur relevante oder rechtlich erforderliche Daten an übergeordnete Systeme und die Cloud übertragen werden, müssen I/O Module mit zusätzlicher Rechenleistung ausgestattet werden.
Dieser Artikel wurde auch im Magazin ke-next (verlag moderne industrie – Mediengruppe des Süddeutschen Verlag) veröffentlicht.
