PLCnext-basiertes IIoT-Framework für die digitale Fabrik

So verstehen sich OT- und IT-Ebene

Das Industrial Internet of Things (IIoT) bildet die Voraussetzung, um auf Basis von Fertigungsdaten einen echten Mehrwert im Produktionsbereich zu generieren. Doch im industriellen Kontext des IIoT gelten andere Anforderungen als im Konsumentenumfeld. Hier steht nicht die Konnektivität im Vordergrund, sondern die Sicherheit der Daten sowie deren ständige Verfügbarkeit.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

In den Fertigungshallen und Anlagen steuern und regeln SPSen, Industrie-PCs sowie zahlreiche Embedded Controller die technischen Prozesse zuverlässig und effizient. Als Kommunikationswege zwischen den Geräten fungieren Feldbusse, die in puncto Geschwindigkeit und Robustheit optimiert sind. In dieser heterogenen Welt der Operational Technology (OT) entstehen die Daten, die dem Anwender gemäß Industrie 4.0 und IIoT neuen Nutzen bringen sollen. Das Industrial Internet of Things stellt dabei die Brücke zwischen den einzelnen Technologieebenen dar, die durch unterschiedliche Anforderungen und Schnittstellen gekennzeichnet sind.

Die Herausforderung für eine IIoT-Lösung besteht deshalb darin, ein möglichst breites Spektrum dieser Anforderungen zu erfüllen: Produktionsaufträge bis zur Losgröße 1, vorausschauender Service oder die automatisierte Verknüpfung der Projekte bis in das Auftrags- und Bestellwesen. Damit dies gelingt, müssen die Daten die OT-Ebene verlassen und in die homogene Welt der Information Technology (IT) transformiert werden, wo Qualitätsanalysen, Fertigungsstatistiken, Manufacturing-Execution-Systeme (MES) und Enterprise-Resource-Planing-Anwendungen (ERP) angesiedelt sind. Als Vermittler zwischen den beiden Welten dienen IoT-Gateways, deren Installation an der Nahtstelle zwischen OT und IT – der sogenannten Edge – erfolgt. Sie bieten Konnektivität in Bezug auf die Hardware-Schnittstellen und die Software-Protokolle.

 Die eingebaute PLCnext-Steuerung ermöglicht die nachträgliche Installation des IIoT-Frameworks von Phoenix Contact zur 
Verbindung von OT- und IT-Ebene.
Die eingebaute PLCnext-Steuerung ermöglicht die nachträgliche Installation des IIoT-Frameworks von Phoenix Contact zur Verbindung von OT- und IT-Ebene.Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Bislang oft schwieriger Datenzugriff

Zugriff auf die Daten einer Maschine zu erhalten, erweist sich selbst in Zeiten von Industrie 4.0 als Herausforderung. In vielen Fällen kann ein Maschinenbauer nicht zuverlässig voraussagen, welche Daten der Maschinenbetreiber für einen optimalen Produktionsprozess benötigt. Daher ist es erforderlich, für jede Maschine individuelle Datensätze bereitzustellen. Bei Bestandsanlagen tritt darüber hinaus oftmals das Problem auf, überhaupt Daten zu bekommen, weil diese meist nur über herstellerspezifische Protokolle verfügbar sind. Ist ein solcher Maschinenzugang nicht vorgesehen, muss entweder in die Ablaufsteuerung der Maschine eingegriffen oder es müssen zusätzliche Sensoren verbaut werden. Ein solches Szenario könnte größere Aufwände für neue Approbationen der Maschine oder Anlage nach sich ziehen.

Vor genau dieser Herausforderung stand auch die elektronische Gerätefertigung von Phoenix Contact am Standort Bad Pyrmont. Hier finden sich zahlreiche verschiedene Produktionsanlagen von unterschiedlichen Herstellern. Das Spektrum der Fertigungsschritte reicht dabei von Handarbeit bis zur Vollautomatisierung.

 Unabhängig ob bestellfertige oder individuell zusammengestellte Data Collection Boxen: die (Energie-)Datenerfassung lässt sich schnell und effizient umsetzen.
Unabhängig ob bestellfertige oder individuell zusammengestellte Data Collection Boxen: die (Energie-)Datenerfassung lässt sich schnell und effizient umsetzen.Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Einfache Zustandsüberwachung durch Messung und Korrelation des Energieverbrauchs

Die einfachste Möglichkeit zur Zustandsüberwachung von Maschinen stellt die Analyse der Energieverbräuche dar. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass das Monitoring rückwirkungsfrei durchgeführt werden kann, also keine weitere Sensorik in die Maschinen eingebaut werden muss und folglich alle Approbationen und Gewährleistungsansprüche der Maschinen bestehen bleiben. Phoenix Contact bietet seit Jahren ein umfangreiches Portfolio an Energiemonitoring-Systemen, Sensorik sowie Automatisierungs- und Software-Komponenten an. Zudem verfügt das Unternehmen über umfassende Erfahrungen im Schaltschrankbau. Deshalb ist es in der Lage, eine ganzheitliche eigene Lösung bereitzustellen.

2020 haben die Automatisierungsspezialisten während der Corona-Pandemie im Zuge der Entwicklung von Konzepten für eine Digital Factory eine Plug-and-Play-Lösung aus den oben genannten Komponenten erarbeitet, die in der Produktion in Bad Pyrmont erprobt worden ist. Das Tochterunternehmen Phoenix Contact Combinations hat zu diesem Zweck verschiedene Varianten der sogenannten Power Monitoring Box konzipiert. In den Boxen werden die Energieverbräuche der Fertigungsanlagen hochfrequent aufgenommen und mit bereits vorhandenen Sensordaten korreliert. Das Ergebnis steht den unterschiedlichen Datenbanksystemen dann über verschiedene Protokolle zur Verfügung. Die von der jeweiligen Maschine benötigte Energie wird direkt vom eigenen Facility Management über einen CEE-Stecker durch die Data Collection Box geleitet und mit einer zweiten CEE-Steckerverbindung an die Maschine geführt.

 Analog zur Microservice Architecture basiert das IIoT-Framework von Phoenix Contact auf einem 
Basisprogramm mit individuellen Konnektoren.
Analog zur Microservice Architecture basiert das IIoT-Framework von Phoenix Contact auf einem Basisprogramm mit individuellen Konnektoren.Bild: ©Panchenko Vladmir/shutterstock.com

Hochfrequente Erfassung und Korrelation des Energieverbrauchs

Das Herzstück der Data Collection Box bildet eine PLCnext-Steuerung, die einen hoch performanten lokalen Bus beinhaltet. In der Box erfasst ein an die SPS angereihtes Leistungsmessmodul die verbrauchte elektrische Energie der Maschine. Des Weiteren lässt sich über die kompakten Module der Baureihe Axioline Smart Elements eine individuelle Anzahl unterschiedlicher Sensoren in die Lösung einbinden. Die für den Betrieb der Box notwendige Leistung wird vor dem Messgerät entnommen, um keine Störgrößen zu generieren.

PLCnext Technology schafft die Software-Grundlage für den Betrieb der Data Collection Box. Das Ecosystem bietet aufgrund seiner Offenheit eine weitreichende Flexibilität und erfüllt gleichzeitig die hohen IT-Sicherheitsstandards. Die PLCnext-Steuerungen umfassen sämtliche Vorteile einer klassischen SPS, etwa Determinismus und die direkte Integration von industriellen Bussystemen. Ferner lassen sich parallel große Datenmengen, wie sie beispielsweise für Anwendungen der künstlichen Intelligenz erforderlich sind, asynchron berechnen. Auf Basis dieser Technologie hat das Vertical Market Management Factory Automation von Phoenix Contact eine Software entwickelt, mit der der Anwender seine eigene IoT-Lösung konfigurieren kann. Das IIoT-Framework befindet sich auf der Steuerung und lässt sich über deren Webbrowser einstellen. Zur Konfiguration einer industriespezifischen, individuellen IoT-Lösung benötigt der Anwender somit keine Programmierkenntnisse. Daten können deterministisch und in Echtzeit aufgenommen, mit einem auf die Millisekunde genauen Zeitstempel versehen und danach in den verschiedenen Datenbanksystemen archiviert und weiterverarbeitet werden.

 Aufgrund der kompakten Bauweise lässt sich die Data Collection Box problemlos in Zwischenböden installieren.
Aufgrund der kompakten Bauweise lässt sich die Data Collection Box problemlos in Zwischenböden installieren.Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Richtige Interpretation durch Normalisierung der Datenpunkte

Zu Projektbeginn hat das Team festgelegt, dass zur Datenspeicherung eine MS SQL-Datenbank genutzt wird. Im weiteren Verlauf und mit steigender Anzahl an Messpunkten stellte sich heraus, dass sich bei der Datenanalyse eine MQTT-Schnittstelle in Verbindung mit einer Influx-Datenbank als deutlich leistungsfähiger erweist. Bei einer durchschnittlichen Fertigungsauslastung werden pro Data Collection Box in 24 Stunden rund 600.000 Messwerte erzeugt und in der Datenbank abgelegt. Das bedeutet viele Terrabyte Daten pro Tag aus nur einem Produktionsstandort.

Der richtigen Interpretation der Daten kommt anschließend eine wesentliche Bedeutung zu. Um dies sicherzustellen, findet bereits im Eingangsprogramm eine Normalisierung der Datenpunkte statt. Hier werden dem eigentlichen Messwert Begleitwerte wie Name, Quelle, Zeitstempel, Einheit und Datentyp als String hinzugefügt, die im Klartext lesbar sind. Damit sich die Apps auch für andere IoT-Lösungen möglichst einfach wiederverwenden lassen, gibt es neben der händischen Programmierung ebenfalls die Option, die Datenpunkte über die Visualisierungsschnittstelle zur Laufzeit zu konfigurieren. Stehen bei der Planung der IoT-Lösung eventuell noch nicht sämtliche Datenpunkte fest, zeigt sich dieses Vorgehen als flexibelste Methode. Für wiederkehrende Schnittstellen mit zahlreichen Datenpunkten gestaltet sich eine Eingabe der Datenpunkte im Quellcode respektive eine Konfiguration über den Web Server als wenig effizient. Zu diesem Zweck erlaubt eine dritte Möglichkeit die App-Erstellung über eine Code-Generierung. Alle Verfahren lassen sich ebenfalls kombiniert in IoT-Lösungen einsetzen.

Phoenix Contact Deutschland GmbH

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