Smart Factory – eine neue Ära mit Open Automation

Open Automation bedeutet, dass Digitalisierung auch einfach geht – zusammen mit einer frei erweiterbaren Cloud-Plattform für die Fabrik. Sie integriert die offenen Programmierschnittstelle für Smart Manufacturing. So lassen sich auch Anwendungen aus der Fertigungs- und Wägetechnik wie Kontrollverwiegungen, Reglerfunktionen oder Qualitätskontrolle einfach integrieren.

Die Verwendung smarten Sensoren, Wägezellen und smarten Messverstärker ist für die Umsetzung von Open Automation unerlässlich. Intelligenz muss schon direkt in der Komponente vorhanden sein, z.B. in Form von „offenen Schnittstellen“ oder „Edge-Computing“, um Daten effizient und gezielt verarbeiten zu können. In diesem Artikel werden die Anforderungen an solche Systeme, insbesondere mit Schwerpunkt auf Softwareintegration, behandelt.

Prozesse optimieren, Kosten reduzieren und damit Umsätze steigern

Mit dem Einzug der Industrie 4.0 bzw. des Industrial Internet of Things ergeben sich weitreichende neue Möglichkeiten in Produktionsumgebungen. Mit besserer Prozesskontrolle können die Erträge und die Qualität der hergestellten Produkte zugleich gesteigert werden. Ein frühzeitiges Erkennen und Beheben von Qualitätsproblemen vermeidet kostspielige Ausschusswaren. Ebenso lassen sich mögliche Qualitätssteigerungen durch die effizientere Überwachung der Produktion einfacher erkennen, somit kann die Produktwertigkeit schneller verbessert werden. Im Bereich Verwiegung und Verpackung können Produktionszeiten minimiert werden und gleichzeitig die gesetzlichen Vorgaben an Genauigkeit überwacht und dokumentiert werden.

Intelligente Messketten machen den Zustand einzelner Maschinen ersichtlich und ermöglichen die Prognose von anstehendem, kritischen Materialverschleiß. So können notwendige Teile frühzeitig bestellt, kurze Wartungszeitfenster für die Arbeiten eingeplant und längere Maschinenstillstände vermieden werden.

SPS-Anwendungen werden in heutigen Produktionsumgebungen zunehmend von software- oder gar cloudbasierten Anwendungen abgelöst. So wie das Internet der Dinge (Internet of Things) nun von Plattformen wie Amazon, eBay, Facebook, Google, Instagram, LinkedIn, Spotify, Twitter oder WhatsApp bestimmt wird, hat der Trend zur Plattform jetzt auch das industrielle Internet der Dinge, das IIoT, ergriffen.

Sprachsteuerung, Integration in E-Mail-Programme, Apps und andere Beispiele für die Unabhängigkeit innovativer Lösungen

Mit dieser neuen Offenheit ergeben sich innovative und nutzerfreundliche Lösungen wie die Sprach- und Chatsteuerung oder die Integration in E-Mail-Programme. Mit der offenen IIoT-Plattform geben Sprach- und Chatsteuerungen wie Alexa oder Cortana auf Wunsch Auskunft über Maschinenzustände in Fertigungsmaschinen. Auch können Infofenster in Outlook und anderen E-Mail-Programmen integriert werden, die den Status der Produktion anzeigen oder direkt auf Reports zugreifen können. Dazu kommen mögliche Alarmbenachrichtigungen auf Basis von hinterlegten Grenzwerten bzw. in Fall von Fehlern und Stillständen. Ähnlich auch die Möglichkeit, sich per Fabrik-App mit Push-Nachrichten in Echtzeit über alle wichtigen Ereignisse wie z.B. über mangelhafte Teile oder einen Maschinenstillstand, benachrichtigen zu lassen.

Einsatz von intelligenter Hardware – Edge-Computing

Ein grundlegender Aspekt der modernen Messtechnik und Industrie 4.0 Smart-Factory ist, dass Intelligenz bereits in den direkten Messkomponenten wie dem Sensor oder der Messelektronik steckt. Diese Komponenten können dann bereits eine Vorverarbeitung der Daten vornehmen.

Obwohl die Begriffe Industrie 4.0 und IIoT meist direkt mit Cloud-Lösungen assoziiert werden, kann folglich auch die Hardware nicht vernachlässigt werden. Bei modernen Lösungen steht die einfache Handhabung im Zentrum. So werden bei zeitgemäßen Geräten nicht mehr tiefgehende Programmierkenntnisse zur Erstellung von Tasks vorausgesetzt, sondern diese einfach einstellbar implementiert. Dieser Wandel ist vergleichbar mit dem der Mobiltelefone – vom anfänglich sonderfunktionslosen Gebrauchsgegenstand mit eingeschränkt bequemer Bedienbarkeit zum vielseitig einsetzbaren Allrounder mit intuitiver und leichter Bedienung. Ebenso wird ein Wandel vom Programmieren von Tasks zum einfachen Parametrieren vollzogen. Ein Beispiel hierfür bilden die internen Berechnungskanäle „Edge-Computing“ der smarten Messverstärker ClipX, DSE-HIE, PMX und WTX von HBK. Sie besitzen eine große Auswahl an vorimplementierten Funktionen, die lediglich durch den Nutzer parametriert werden müssen. Dadurch lassen sich der erforderliche Zeitaufwand und mögliche Fehlerquellen bei der Implementierung reduzieren.

Verarbeitung der Daten an den anwendungsspezifisch richtigen Stellen

Grundlegend gilt: Daten sollten dort verarbeitet werden, wo es am sinnvollsten ist. Historische Daten und Daten, die rein der Langzeitanalyse eines Systems bedürfen, wofür sowohl Speicher- als auch Rechenleistung notwendig sind, sollten durch eine Cloud-Lösung abgedeckt sein.

Doch trotz all der Vorteile ist die Cloud nicht für alle Anwendungen der richtige Weg. Insbesondere zeitkritische Daten, die auf sehr geringe Latenzzeiten des Systems angewiesen sind, sollten weiter dezentral verarbeitet werden, um eine schnelle Reaktion, wie die Einleitung eines Maschinenstopps, zu gewährleisten. Lösungen dieser Art werden als „Edge-Computing“ bezeichnet und stehen im klaren Kontrast zum Cloud-Computing.

Gewährleistung der Interoperabilität durch geeignete Protokolle

Um effiziente Systeme zu erstellen, die auch in Zukunft einfach zu erweitern sind, ist es wichtig, dass ein geeignetes Protokoll verwendet wird. Lösungen eines Herstellers mit einem eigenen oder nicht verbreiteten Protokoll mögen anfangs günstiger sein, zahlen sich jedoch auf lange Sicht nicht aus. Hierfür hat die OPC Foundation den plattformunabhängigen Standard für Datenaustausch OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) entwickelt, der den Datenaustausch für die industrielle Kommunikation, unabhängig von Hersteller, Programmiersprache des Gerätes und Betriebssystems, vollzieht. Ebenfalls ermöglicht dieses Protokoll den Austausch in maschinenlesbar semantischer Form.

Arbeitskreise in der OPC-Foundation definieren zudem spezielle Profile für Applikationen aus der Fertigungs- und Prozessindustrie. So wurde z.B. für wägetechnische Anwendungen ein Profil entwickelt, daß den speziellen Anforderungen und Arbeitsweisen sowie die gesetzlichen Vorgaben abbildet. Damit wirkt die Software wie ein Baukasten der optimal in die Gesamtanwendung eingebaut werden kann und enorm Zeit einspart.

Durch Userlevel-basierte Ebenen und Mechanismen zur Authentifizierung und Verschlüsselung im Zugriff wird ein hohes Maß an Sicherheit geboten, um die gesendeten Daten zu schützen. Dieses Protokoll bietet sowohl ein TCP- oder HTTPS-basiertes Client-Server-Modell als auch mittels UDP, AMQP oder MQTT ein Publisher-Subscriber-Modell für verschiedene Anwendungsbereiche. Somit muss sich jeder Hersteller nur um die gesicherte Bereitstellung der Daten des Gerätes kümmern.

Mit offenen Schnittstellen zur Gesamtlösung – API und Treiber

Ein weiterer Trend im IoT stammt von der Open-API-Initiative in den USA, die sich zum Ziel gesetzt hat, durch offene Anwender-Programmierschnittstellen (API – Application Programming Interfaces) den freien Datenaustausch zwischen Applikationen und Anwendungen unterschiedlicher Hersteller zu fördern.

HBK Industrie-Messverstärker bieten ein im Gerät implementiertes Objektverzeichnis an. Mittels einer Schlüssel- bzw. Befehlsliste lassen sich hiermit alle Objekte des Gerätes bspw. über eine TCP/IP-Socket-Verbindung oder Feldbuskommunikation auslesen oder verändern. Somit wird eine solide Basis zu Parametrierung und vollständigen Fernsteuerung des Gerätes geboten, ohne den integrierten Webserver zu nutzen.

Geräte-API zur Einbindung in C/C++ und C#

Auf Basis des Objektverzeichnisses wurde, um auch die Integration in kleinere oder kundenspezifische Softwareapplikationen zu ermöglichen, unter anderem für den Messverstärker ClipX eine API in Form einer .dll-Datei entwickelt, die es mittels eines soliden Funktionsgerüsts ermöglicht, den Verstärker einfach in neue Umgebungen, wie beispielsweise C, C++ und C#-Anwendungen einzubinden. Diese ist sowohl für Windows in Form einer .dll-Datei als auch für Linux in einer speziell kompilierten Variante in Form einer .so-Datei kostenlos über die HBK-Website verfügbar. Da die.dll/.so-Datei in der Programmiersprache C++ entwickelt wurde, erfordert die Einbindung in ein C-Projekt die Verwendung des ebenfalls enthaltenen C-Interfaces. Somit kann auch in selbstgeschriebenen Programmen ohne Mühe auf die Geräte zugegriffen und diese nach Belieben gesteuert werden. Alle Parameter des Gerätes können ausgelesen oder verändert werden.

Anwendungsbeispiel: Wägezellen in der web-basierten Qualitätskontrolle

Wie können heterogene Maschinenparks möglichst unkompliziert an neue IIoT-Plattformen angeschlossen werden? Diese Frage ist für Werksleiter zentral, folglich müssen Plattformlieferanten einfache Lösungen bieten können. Beispielsweise darf der Anschluss von Pilot-Maschinen nicht länger als drei Tage dauern und das inklusive der Vernetzung mit der Planungsebene (ERP) via Adapter. Um anschließend Big Data aus den Maschinen in Echtzeit in nutzbare Smart Data zu verwandeln, ist eine performante Datenverarbeitung via Edge oder Cloud Computing notwendig. Denn Ziel ist, auf allen benötigten Computern im Shop-floor digitale Spiegelbilder zu erzeugen, mit denen Fertigungsleiter und Werker Betriebszustände virtuell analysieren und real optimieren können.

HBK selbst automatisiert zunehmend Arbeitsschritte in der eigenen Fertigung. Ein Beispiel für die intelligente Umrüstung von manuellen Arbeiten ist die Qualitätskontrolle, wie z.B. das Sicherstellen der korrekten Temperatur in Ausheizöfen für Ring-Torsions-Wägezellen (RTN).

Vor der Automatisierung wurde die Temperaturkurve mittels eines analogen Linienschreibers zu Papier gebracht und musste anschließend von einem Mitarbeiter unter Zuhilfenahme einer Schablone mit dem Sollwert abgeglichen werden. Um diesen Arbeitsschritt zu automatisieren und somit auch menschliche Fehler im Abgleich zu vermeiden, wurden die Öfen mit fünf Pt100-Temperatursensoren ausgestattet, die jeweils mit einem ClipX verbunden sind. Alle ClipX-Verstärker sind über den internen ClipX-Bus untereinander verbunden, was eine Synchronität der Signale garantiert.

Zur Auswertung werden die Daten mittels REST-Protokoll an den Bosch Nexeed Production Performance Manager (kurz: PPM) gesendet und dort automatisch mit einer Sollkurve verglichen. Bei Abweichungen oberhalb eines eingestellten Deltas wird ein Alarmsignal ausgelöst und ein eventueller Fehler kann umgehend behoben werden.

Fazit – aus Daten Mehrwert generieren

Richtig eingesetzt hilft IIoT Unternehmen dabei, Ihre Daten gewinnbringend einzusetzen. Dazu benötigen sie eine vernetzte Infrastruktur, effizientes Datenmanagement und unterstützende Cloud-Anwendungen. Der Einfluss von Softwareapplikationen in der Automatisierungsbranche wird zunehmend größer. Open-Automation und offene Schnittstellen bringen die große Freiheit: Programmierer können auf Wunsch sowohl bestehende IT-Systeme als auch Systeme wie Anwendungen für Werkzeugdatenmanagement, Qualitätssicherung oder vorhersagende Wartung (Predictive Maintenance) nahtlos integrieren.

Unternehmen werden mit solchen integrierten offenen Schnittstellen (wieder) zu unabhängigen Bauherren ihrer ganz individuellen IT-Architektur. Durch Vernetzung, Steuerung, Analyse und Datenverarbeitung mittels Software können ganze Komponenten eingespart werden. Hierfür ist eine umfassende Kompatibilität und Interoperabilität der verwendeten Hardware mit Softwaretools unabdingbar. Produktions- und Kalibrierprozesse werden mit diesen Industrie-4.0-Implementierungen sicherer und lassen sich über Intranet und Internet fabrik- und weltweit vernetzen.

HBK bietet hier ein breit gefächertes Spektrum von Anbindungsmöglichkeiten der eigenen Hardware an eine Vielzahl von namhaften Softwareapplikationen. Das sind Sensoren, Wägezellen und Messelektroniken mit offenen Schnittstellen zur individuellen Einbindung in vielfältige Cloud-Anwendungen. Messverstärker von HBK sind kompatibel mit einer großen Auswahl an Protokollen und lassen sich daher sowohl einfach in bestehende Netzwerke als auch in neue Anwendungen und Netzwerke implementieren.

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