Grundlagen intelligenter Fabriken und diskreter Fabriken

Oct 07, 2023

By Lisa Eitel | January 6, 2023

Intelligente Fabriken sind Einrichtungen, die alle Aspekte der Fertigung oder Produktion digitalisieren, die eine Digitalisierung ermöglichen. Solche Vorgänge zeichnen kontinuierlich Daten über angeschlossene Geräte und Systeme auf – und verbreiten diese Daten dann, damit Maschinen selbstoptimierende Routinen ausführen können. Solche Programme könnten dazu beitragen, die Produktion eines bestimmten Endprodukts zeitlich zu verkürzen. mechanische Probleme proaktiv verhindern; und rationalisieren Sie miteinander verbundene Fertigungsaufgaben. Umfassende Ansätze zum Aufbau intelligenter Fabriken nutzen Cloud-Tools, KI, IIoT und Big-Data-Analysen, um Lieferkettenprognosen zu überwachen und (zunehmend anpassungsfähige) Produktionslinien zu reagieren.

Kommen wir nun zu den Besonderheiten der Smart-Factory-Konnektivität. Industrieprotokolle, die Smart-Factory-Funktionen unterstützen, erfordern in der Regel eine Zertifizierung physischer Komponenten; Weitere Informationen hierzu finden Sie im Artikel „Motion Control Tips“:Trends bei Ethernet, PoE, IO-Link, HIPERFACE und Einkabellösungen . CAT5e- und CAT6- sowie Power-over-Ethernet-Konnektivität (PoE) wird in automatisierten Maschinen und in der Robotik immer häufiger eingesetzt. Andernorts unterstützen flexible CAT5e- und CAT6-Kabel CC-Link Industrial Ethernet (IE)-Netzwerke und werden in Kabelträger-gebündelten Baugruppen mit UL-Zertifizierung für nordamerikanische Märkte geliefert.

Erwägen Sie Industriesteuerungen, die das Industrienetzwerk CC-Link IE Field unterstützen und einen Datenaustausch von bis zu 1 ms für die Gerätesteuerung in Echtzeit ermöglichen. Einige dieser Controller nutzen das Netzwerk auch für Fernüberwachung, Edge-Computing, Datencomputing und die Integration von Hardware und Software. Typischerweise ist auf diesen Controllern Windows 10 IoT installiert, allerdings können auch das Betriebssystem VxWorks sowie die offene Plattform Edgecross zur Verarbeitung und Verteilung von Daten verwendet werden. Einige dieser Industriecomputer verfügen sogar über Touchscreens, die gleichzeitig als Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) dienen.

Intelligente Fabriken maximieren den Einsatz digitaler Werkzeuge. Bild: Phuttaphat Tipsana

Der Hauptvorteil von HIPERFACE DSL besteht darin, dass es die Weiterleitung von Motorleistung und Positionsrückmeldung über ein einziges Kabel ermöglicht – was wiederum Komplexität und Kosten senkt. Darüber hinaus verfügen intelligente HIPERFACE DSL-Encoder über einen internen Speicher zum Speichern von Motorinformationen. So kann ein Servoantrieb diese Informationen beim ersten Anschluss abfragen, um die Motorinbetriebnahme zu automatisieren.

Auf die gleiche Weise verbessern Einkabellösungen auf Basis von Ethernet oder sogar DSL-Kabeln (Digital Subscriber Line) Maschinen mit integrierten Linearantrieben – oft bieten sie Kompatibilität mit Verstärkern verschiedener Hersteller für eine schnelle und nahtlose Integration von Controller und Aktor.

Einkabel-IO-Link wird auch zunehmend für die industrielle Konnektivität eingesetzt. Einige Anbieter intelligenter Motoren haben damit begonnen, IO-Link-Primäre in das Kernangebot zu integrieren, um anschließbare Sensoren für dezentrale Automatisierungskonzepte zu unterstützen. Natürlich müssen Motoren, die über Industrial Ethernet oder CAN-Bus kommunizieren können, nicht sekundär an IO-Link-Netzwerke angeschlossen werden.

IO-Link kann auch ältere analoge Anschlüsse an Komponenten digitalisieren, um bidirektionale Kommunikation und schnellere Inbetriebnahmezeiten zu ermöglichen. Kein Wunder, dass einige auf der Steuerungsseite die IO-Link-Konnektivität für die Unterstützung mehrerer Protokolle und die Verbindung mit seriellen Schnittstellen eingeführt haben.

Berücksichtigen Sie die verschiedenen Protokolle und Kommunikationen, die bei der IIoT-Konnektivität zum Einsatz kommen – zum Beispiel SCADA-, MES- und ERP-Architekturen (Enterprise Resource Planning). Diese sind am stärksten in die Konvergenz von IT/OT (Betriebstechnologie) involviert – oft mit Aufgaben auf Unternehmensebene, Gateways und anderen Konnektivitäten, um die Systemkonfiguration über Standard-Webbrowser zu ermöglichen … sowie betriebliche Anpassungen und zusätzliche Managementmaßnahmen.

In intelligenten Fabriken dominieren Komponenten und Geräte mit Feldbus-, kabelgebundenem Ethernet-, Wireless- und Cloud-Konnektivität.

Um es klar zu sagen: Umfassende SCADA-Installationen zeichnen sich (trotz ihrer Komplexität und erheblichen Installationsanforderungen) durch die Erfassung und Verarbeitung großer Datenmengen aus. Pflege und Nutzung historischer Daten; und Ausführung von Analyseroutinen. Smart-Factory-Lösungen ermöglichen jedoch eine schnellere Einrichtung von Fernzugriffsnetzwerken, Edge-Computing-Systemen und eine zentrale oder maschinenseitige (HMI) Steuerung relevanter Maschineneinstellungen und -daten.

In vielen IIoT-Installationen kommt die Structured Query Language (SQL) zum Einsatz – eine Programmierung, die die Synchronisierung von Daten und Ereignisprotokollen mit MySQL- und MS SQL-Datenbankservern ermöglicht. Der Vorteil hierbei ist, dass der Zugriff des IT-Personals einfacher implementiert werden kann als bei Alternativen, die auf Kontrollen basieren. Dies gilt unabhängig davon, ob die Systeme grundlegende Steuerungen wie Raspberry Pis oder komplexe PC-basierte IoT-Datenbankschnittstellen verwenden (die in der Regel zusätzliche Hardware und Software erfordern).

Auch Infrastruktur-, Plattform- und Software-as-a-Service- (IaaS, PaaS bzw. SaaS) oder Cloud-Services erfreuen sich großer Beliebtheit bei der Unterstützung vielschichtiger IIoT-Designansätze (einschließlich Software, Hardware und Konnektivität). Dazu gehören Alibaba Cloud, Tencent Cloud, Google Cloud, IBM Cloud und Oracle Cloud. Allerdings sind in den USA heute die beiden führenden öffentlichen (Offsite-, nicht Unternehmens- oder Maschinennetzwerk-)Cloud-Service-Anbieter für die Maschinenautomatisierung:

Solche Cloud-Dienste unterstützen in erster Linie die Nutzung von Datenbanken (durch Produkte wie Amazon Simple Storage Service oder S3 Buckets und Amazon DynamoDB Managed Database Services), Online- und lokalen Anwendungen sowie bedarfsgesteuerter Rechenleistung. Mit letzterem verwandt sind AWS Lambda-Dienste, die die Ausführung von Python-, Node.js-, Java- und C#-Programmierungen auf den Servern des Dienstes ermöglichen. Mit HMIs können Endbenutzer diese IIoT-Funktionen optimal nutzen.

Der Mitsubishi Electric MELFA ASSISTA Cobot erweitert die Roboterfunktionen durch einfache Steuerung, einfache Programmierung und einfache Konnektivität. Es ist kein Programmierhandgerät und keine Kenntnisse in der Roboterprogrammierung erforderlich.

Natürlich erfüllen Cloud-Dienste auch andere Funktionen. Ein Grund für die Einführung von AWS und Azure für IIoT liegt unter anderem darin, dass sich immer mehr Ingenieure mit dem Aufbau ihrer eigenen Infrastruktur auf diesen Plattformen vertraut machen. Schließlich befreien cloudbasierte Datendienste Ingenieure von zusätzlicher Designarbeit für die zugrunde liegende Hardware und Software, da der Anbieter die IT-Aufgaben ausführt. AWS und Azure ermöglichen auch die Verwendung von Software, die Datenflüsse und Kommunikation abstrahiert – was einige Designarbeiten vereinfacht, indem Entwicklungsumgebungen über attraktive GUIs verfügen, um Ingenieure davon abzuhalten, sich mit Programmierdetails zu befassen.

Cloud-Dienste erleichtern auch fortgeschrittenes Engineering mit virtuellen Maschinen, auf denen Betriebssysteme und Anwendungen ausgeführt werden … über die Konstrukteure die Kontrolle behalten. Darüber hinaus können Cloud-Dienste verschiedene Kommunikationsdienste auf Protokollen unterbringen, die das Publish-Subscribe-Prinzip nutzen – und so der Master-Dienst für alle sein. Dadurch entfällt die aufwändige Adressierung bei der Systemeinrichtung.

Alle diese Funktionen können erweiterte Funktionen ermöglichen, einschließlich maschinellem Lernen zum Kategorisieren und Destillieren von Daten … und zum Treffen von Vorhersagen, um Maschinen- und Produktionsanpassungen zu veranlassen.

Ein damit verbundener Trend ist die zunehmende Nutzung vorgefertigter Cloud-Portale von Lieferanten. Bei diesen Portalen (die Ingenieuren einen einfachen Einstieg in das IIoT ermöglichen) handelt es sich um Online-Dienste, die eine Verbindung zu den Steuerungen und Touchscreen-HMIs der Benutzer herstellen. Dann können Ingenieure HMI-Bildschirme und Dashboards mit Trends anpassen … und HMI-E-Mail-Benachrichtigungen mithilfe einer Regel-Engine konfigurieren, die über das Cloud-Portal verwaltet wird. Die Liste der Funktionen geht weiter. Einige Vereinbarungen ermöglichen Remote-Softwareaktualisierungen der Komponenten – und die Remote-Anzeige der Webvisualisierungen der Komponenten.

Für AWS GreenGrass Core zertifizierte Touchscreen-HMIs und -Controller nutzen im Wesentlichen AWS (einschließlich AWS Lambda und Things Graph), um angeschlossene Edge-Geräte (wie Sensoren und Aktoren) lokal auf die von ihnen generierten Daten reagieren zu lassen – und die Cloud für die Datenverwaltung, -speicherung usw. zu nutzen Analytik. Mit AWS IoT Greengrass können angeschlossene Geräte auch Docker-Container des Containerisierungsdienstes von Docker Inc. ausführen.

„Wir sind stolz darauf, dass MachineMetrics dem Elite-Pool der AWS Partner Network Competency-Partner für das Industriesoftware-Segment beitritt. MachineMetrics nutzt fortschrittliche AWS-Services wie Lambda und Kinesis, um ihre Architektur aufzubauen und zu skalieren, um das phänomenale Wachstum des Unternehmens zu unterstützen. Dadurch kann sich MachineMetrics konzentrieren.“ auf den Aufbau von geistigem Eigentum und generativem Design, anstatt Zeit mit der Verwaltung von Speicher und Datenbanken zu verbringen, und gleichzeitig die Rechenkosten zu senken und ihnen die nötige Leistung zu geben, um sie für unseren gemeinsamen Kundenstamm auszuführen und zu liefern“, sagte Dr. Josef Waltl, Global Segment Lead für Industriesoftware bei Amazon Web Services. Lesen Sie hier den Artikel zu dieser Anwendung.

Denken Sie daran, dass ein Container im Kontext der industriellen Programmierung ein Stück ausführbare Software ist, das die Codes, Systemtools, Laufzeiten, Bibliotheken und Einstellungen enthält, die für die eigenständige Ausführung einer Anwendung erforderlich sind. In vielen Maschinendesigns sind Container so konzipiert, dass sie Daten mit anderen Systemen kommunizieren und synchronisieren oder verschiedene Vorhersagen ausführen – selbst wenn keine Verbindung zum Internet besteht. Zu den Vorteilen von Bauanwendungen in Containern gehören:

Einige HMIs und auf DIN-Schienen montierbare Controller akzeptieren die Installation von Docker … und tatsächlich veröffentlichen einige Lieferanten regelmäßig vorgefertigte Container, um Dienste auf diese Produkte auszudehnen.

Überall dort, wo ein HMI mit der Cloud verbunden ist, arbeitet es wahrscheinlich in gewisser IIoT-Kapazität, um Unternehmensanalysen und kontinuierliche Betriebsverbesserungen zu unterstützen. Das gilt für automatisierte Installationen mit einer bis Hunderten von Maschinen. Zu den Protokollen, die IIoT-Funktionen einschließlich verschiedener Formen der Datenkommunikation und HMI-Konnektivität mit Edge-Geräten unterstützen, gehören:

MQTT – ein zentraler Bestandteil vieler IoT-Konnektivitätsstrukturen – ist ein Protokoll, das skalierbare Kommunikation zwischen Sensoren und mobilen Geräten unterstützt. Jede integrierte Geräteunterstützung für MQTT ist nützlich, da sie in Amazon AWS IoT-Diensten anwendbar ist. Darüber hinaus ist MQTT (wie AMQP) schlank und standardisiert … und MQTT kann auf Gateway-HMIs implementiert werden, die Feldgerätedaten für Onsite- und Cloud-Systeme verarbeiten. HMIs, die die meiste MQTT-Unterstützung bieten, sollen mit Mehrwertdiensten zur Bereitstellung von Daten verbunden werden, die in Drittsystemen Edge-verarbeitet wurden – und über Cloud-Dienste laufen. Solche HMIs können sich als MQTT-Herausgeber verbinden (und Nachrichten an einen Broker senden), als Abonnent (und Nachrichten von einem Broker anfordern) oder als Broker (und Daten und Verbindungen mit Herausgebern oder Abonnenten verwalten).

Auch der Interoperabilitätsstandard OPC UA ist unverzichtbar, um das Potenzial der vernetzten HMI-Technologie voll auszuschöpfen. OPC UA umfasst Publish-Subscribe-Kommunikation in seinen Spezifikationsdefinitionen und kann daher als Alternative zu MQTT für den Datentransport in die Cloud dienen. In der Bewegungssteuerung schätzen vor allem das standardisierte Kommunikationsprotokoll OPC UA, ergänzt durch Time Sensitive Networking (TSN), als herstellerunabhängigen Feldbus für die dezentrale Automatisierung. OPC UA mit TSN kann sogar zusätzliche SPSen überflüssig machen – beispielsweise bei Maschinen mit integrierten Servomotoren. Schließlich profitieren heute mehr Systeme als je zuvor von verteilten Architekturen mit intelligenten Motoren und anderen Komponenten, die in der Lage sind, Befehle zu verarbeiten und Aufgaben (Bewegung und andere) auszuführen und gleichzeitig mit anderen Geräten in Echtzeit zu kommunizieren. In einigen Fällen können letztere HMIs umfassen, die als Edge-Gateways dienen, um einen Teil der Prozesslogik der Achsen (sowie Verbindungen zu ERP-Systemen und der Cloud) zu verwalten.

In vielen IIoT-Installationen kommt das bereits erwähnte SQL zum Einsatz. Dieses relationale Datenbankverwaltungssystem ist kostenlos, Open Source und wird umfassend unterstützt. Es ist auch sicher – also sicher integriert in Steuerungs-HMIs und Panel-PCs. Ein SQL-Vorteil ist der Zugriff des IT-Personals, der einfacher implementiert werden kann als Alternativen, die auf Kontrollen basieren (und in der Regel zusätzliche Hardware und Software erfordern). Das gilt für so einfache Systemsteuerungen wie Raspberry Pis oder so komplexe wie PACs mit IoT-Datenbankschnittstellen.

Der Omron NX1-Controller für IIoT-Anwendungen bietet OPC UA- und SQL-Konnektivität.

Tatsächlich funktioniert SQL auch mit einigen Controller-HMIs, die Maschinendaten sammeln und anzeigen, um die Überwachung und Analyse zu erleichtern. Beispielsweise ermöglicht die Verbindung solcher HMIs mit einer MySQL-Datenbank die Datenerfassung, -organisation und -speicherung in flexiblen und vertrauenswürdigen Datenbanken für einen einfachen Zugriff und optimierte Geschäftsabläufe.

Einige Design-Softwareanbieter unterstützen Ingenieure dabei, MySQL über intelligente HMIs zu verwenden und Daten in Excel-Tabellen (und tabellarische Daten in den Dateien anderer gängiger Software) einzugeben, um:

Dann können Ingenieure MySQL und MS Excel verwenden, um die Daten zu sammeln, zu analysieren und darauf zu reagieren, um fundiertere Entscheidungen und optimierte Abläufe zu treffen.