Vom Sensor bis in die Cloud

25.02.2016 13:23

Vom Sensor bis in die Cloud

Wer in den letzten Monaten die Fachmagazine und auch die Automatisierungs-Portale im Netz verfolgt hat, ist mit großer Wahrscheinlichkeit immer wieder den Begriffen „Industrie 4.0“ und „Internet of Things / IoT“ begegnet. Beide sind weltweit in aller Munde, angetrieben von Organisationen wie zum Beispiel der Industrie 4.0 Initiative in Deutschland, dem Industrial Internet Consortium (IIC) in USA oder auch der Industrial Value Chain Initiative (IVI) in Japan.

Vom Sensor bis in die Cloud

Wer in den letzten Monaten die Fachmagazine und auch die Automatisierungs-Portale im Netz verfolgt hat, ist mit großer Wahrscheinlichkeit immer wieder den Begriffen „Industrie 4.0“ und „Internet of Things / IoT“ begegnet. Beide sind weltweit in aller Munde, angetrieben von Organisationen wie zum Beispiel der Industrie 4.0 Initiative in Deutschland, dem Industrial Internet Consortium (IIC) in USA oder auch der Industrial Value Chain Initiative (IVI) in Japan.

Sie zeigen, dass Industrie 4.0 und IoT in den meisten Unternehmen als strategisch wichtig angesehen wird. Und dass sich die Industrie davon zum einen die Erweiterung bestehender Märkte und zum anderen Zugang zu neuen Märkten und Geschäftspotentialen verspricht. Gerade für die MES-Hersteller ist es jetzt eine wichtige Aufgabe, die Daten der unteren Feldebene, bis hinunter zu den einzelnen Sensoren einlesen zu können, um eine umfassende Lösung für die Produktionssteuerung, vorbeugende Wartung und Traceability realisieren zu können.

Hilscher, seit über zwanzig Jahren der Spezialist für die Feldbus- und Industrial-Ethernet-Kommunikation in der Feldebene, hat sich jetzt dieses Themas angenommen und mit netIOT eine Kommunikationsplattform entwickelt, die die Daten von den Feldgeräten, sprich, der Sensorik und Aktorik zu überlagerten MES- und Cloud-Systemen transportiert.

„Was ist eigentlich IoT?“

Wenn man einmal hinter die Kulissen schaut, erkennt man schnell, dass sich hinter den Schlagwörtern Industrie 4.0 und IoT zwei reale Forderungen verbergen. Allen voran der Wunsch, Geräte der Automatisierung an eine Cloud anzubinden und alle Geräte miteinander zu vernetzen. Dabei wird der Begriff Cloud stellvertretend für verschiedene Formen benutzt, wie z.B. die private Cloud, bei der die IT-Dienste lokal in der Firma bereitgestellt werden, die öffentliche Cloud, die Ihre Dienste offen über das Internet für jedermann anbietet, oder daraus resultierende Mischungen.

Das heißt, nicht jede Cloud hat etwas mit dem „Internet“ zu tun. In der Fabrikautomation finden sinnvollerweise private Clouds oder Hybridformen Anwendung.

Der zweite Wunsch ist es in den Automatisierungsgeräten Daten zu generieren, die über reine E/As hinausgehen, wie z.B. Diagnose-, Analyse- und Zustandsdaten des Geräts. Diese Informationen werden in einer gewissen Semantik in Objekten zusammengefasst, die anschließend von der Cloud-Applikation ausgewertet werden können. Speziell die Semantik hat einen hohen Stellenwert und wird in allen Gremien und Organisationen heiß diskutiert, mit dem Ziel einen einheitlichen Standard zu definieren. Die so gebildeten „Big Data“ sind damit die Basis für alle weiterführenden Dienste und Geschäftsmodelle, wie beispielsweise vorbeugende Wartung, Warenflusskontrolle oder Prozessoptimierung.

IoT-Kommunikation fängt im Feldgerät an

In allen Beiträgen und Diskussionen ist man sich einig, dass die interessanten Daten, aus denen später ein Mehrwert generiert werden soll, also die Big Data, in den Sensoren der Feldgeräte erzeugt werden. Auch hinsichtlich der IoT-Kommunikation gibt es grobe Einigkeit und mit OPC UA und MQTT bieten sich vor allem in Europa und USA bewährte Technologien an.

Aus der Sicht von Hilscher beginnt die IoT-Kommunikation bereits im Feldgerät.

Dank TCP/IP-Kanal erfolgt sie parallel zur Real-Time-Ethernet Kommunikation über das gleiche physikalische Medium – an der SPS vorbei und rückwirkungsfrei ohne Auswirkungen auf die Echtzeiteigenschaften.

Auch muss bereits im Feldgerät ein Objektmodell etabliert sein, um eine homogene Informationsstruktur vom Sensor bis in die Cloud gewährleisten zu können. Ideal wäre, wenn die Objektdarstellung unabhängig vom benutzten Echtzeitprotokoll bereits in der Kommunikationseinheit des Geräts bekannt ist.

Trotz aller Euphorie und dem Willen Standards und Technologien voranzutreiben, muss im gesamten Szenario auch an Bestandsanlagen gedacht werden. IoT-Kommunikation wird sich erst sukzessive in der Fabrikautomatisierung etablieren. Die Durchdringung wird sich zum einen von "oben nach unten“ per neuartigen Cloud-Applikation und zum anderen von „unten nach oben“ durch IoT-fähige Feldgeräte einstellen. D.h. das erfolgreiche IoT-Gerät bringt neben der gewünschten IoT-Kommunikation auch einen Upgrade-Pfad für Bestandsanlagen mit.

Neu in der Fabrikautomation ist, dass der Anlagenplaner auch über Security und Privacy für seine Feldgeräte nachdenken muss. In den meisten Fällen mag die Standardsicherheit durch die Firmeneigene IT-Infrastruktur ausreichen. Ob ein „Mehr“ an Sicherheit gefordert ist, muss wohl überlegt sein und sinnvoll in das Anlagenkonzept integriert werden. Ideal wäre, wenn bereits grundlegende Security Mechanismen im Feldgerät integriert sind.

Um den Wünschen und Ideen gerecht zu werden, hat Hilscher sein DIL Kommunikations-IC netIC weiterentwickelt und mit zentralen IoT-Funktionen ausgestattet. Das neue IoT-fähige netIC basiert auf dem Multiprotokoll-Chip netX und ist so konzipiert, dass es dem Gerätehersteller das höchste Maß an Flexibilität bei gleichzeitig einfachster Handhabung bietet.

Mittler zwischen Feldgerät und Cloud 

Die neue Serie von IoT-Edge-Gateways bietet als zweite Komponente des Gesamtsystems die Funktion, die Daten, die vom netIC der Feldgeräte über Profinet, Ethernet/IP oder Ethercat bereitgestellt werden, mit parallel zum Buszyklus laufenden Telegrammen einzusammeln und in ein Cloud-System zu transportieren.

Es gibt verschiedene Cloud-Ansätze von Herstellern wie IBM, Microsoft, Google, SAP. Daran wird sich nichts ändern und hier wird es eine Multi-Cloud-Landschaft geben. Als erste Ankopplung für die IoT-Edge-Gateways gibt es eine Ankopplung an die weltweit verfügbare Cloudlösung Bluemix-Cloud von IBM, die im Einsatz auf der SPS IPC Drives gezeigt wird. Die IoT-Edge-Gateways werden per Software konfiguriert und sind in der Lage, zukünftig auch weitere akzeptierte Cloud-Infrastrukturen unterstützen.

Offen für die Cloud aber trotzdem sicher

Da für Hilscher IoT-Kommunikation und Sicherheit eng miteinander verknüpft sind, bietet netIOT die Möglichkeit weiterführende Sicherheitsmechanismen, wie zum Beispiel ein „Secure Boot“, zu nutzen. Da die Edge-Gateways einen zentralen Sammelpunkt für alle Daten der einzelnen Feldgeräte bis hinunter zu den Sensoren darstellen, wurde hier ein Sicherheitslevel auf höchstem Standard produziert.

Fazit

Auch wenn die eigentliche Funktion und Wertschöpfung durch die Funktionen der MES- und der Cloud-Software realisiert wird, kann das gesamte System erst echten Mehrwert generieren, wenn es in die Lage versetzt wird, unabhängig von laufenden Steuerungszyklen, wahlfrei auf die Daten der Feldgeräte in den Maschinen und Anlagen zuzugreifen.

Daher ist die netIOT-Lösung zum standardisierten Datentransfer von Hilscher, das von vielen Automatisierungsgeräte-Herstellern mitgetragen wird, die logische Ergänzung für die Umsetzung von MES- und Cloud-basierten Automatisierungskonzepten heute und in der Zukunft.

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