Maschinensteuerung und vernetzte Maschinen für DX-Initiativen

Nov 21, 2023

By Lisa Eitel | January 6, 2023

Die COVID-19-Pandemie hat die Art und Weise, wie Zehntausende Unternehmen weltweit arbeiten, nachhaltig verändert. Es hat sich auch geändert, wie viele Initiativen zur Automatisierung und digitalen Transformation (DX) sehen. Letztere haben sich als hilfreich erwiesen, wenn Unternehmen die Fernarbeit für Büromitarbeiter dauerhaft einführen wollen; Schalten Sie den Betrieb schneller von „Ein“ auf „Leerlauf“ und zurück um; Ermöglichen Sie die soziale Distanzierung in der Fabrik auf bequemere Weise. und sich kontinuierlich an anhaltende Probleme in der Lieferkette anzupassen. DX-Programme erleichtern diese und andere Veränderungen in den Geschäftspraktiken geschickt.

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Kernfunktionen von DX sind intelligente Maschinen, die Befehle von entfernten Standorten akzeptieren; Vereinfachen Sie die Neukonfiguration nach Bedarf (mit Software und sogar KI-gesteuerter Umgebungskartierung); und mechanische und programmtechnische Probleme selbst diagnostizieren. Tatsächlich sind es diese Eigenschaften, die intelligente Maschinen von rein automatisierten unterscheiden. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich bei der Ausrüstung um eine herkömmliche stationäre Maschine, ein rekonfigurierbares Modul oder einen Industrieroboter handelt. Besonders einfach ist die Programmierung kollaborativer Industrieroboter (Cobots) zur Erfüllung solcher Smart-Machine-Aufgaben.

Intelligente Maschinenkommunikation vereinfacht die Datenextraktion und die anschließende Analyse, was im krassen Gegensatz zu älteren SCADA-Systemen steht, die viel Aufmerksamkeit von Anlagenmanagern erfordern.

Zu der Hardware, auf der die Kernfunktionen intelligenter Maschinen hauptsächlich für die diskrete Automatisierung lokalisiert sind, gehören Industriesteuerungen, HMIs und Motorantriebe. Zu den intelligenten Versionen dieser Komponenten gehören integrierte Diagnose- und Rückmeldungsverarbeitungsfunktionen, um die eigenen Datenanforderungen verbundener Systeme zu unterstützen. Ein typisches Beispiel: Einige Wechselrichter sind mit Sensoren ausgestattet, um korrosive oder staubige Bedingungen in der Betriebsumgebung zu erkennen; Feedback-Verkabelung des Lüfters zur Überwachung des Lüfterzustands; und Konnektivitätsports mit Schaltkreisen und Firmware, um eine breite Palette von IIoT- und KI-Kommunikationen zu ermöglichen.

Eine berechtigte Sorge der Konstrukteure im Hinblick auf intelligente Maschinen ist deren Cybersicherheit. Schließlich kann Konnektivität als Weg für Hackerangriffe, Vireneinpflanzungen, Sabotage und Datenschutzverletzungen dienen. Glücklicherweise gibt es zahlreiche Standards und Lösungen, um Sicherheit in die Komponenten intelligenter Maschinen zu integrieren. In den USA stellen die Abteilung für angewandte Cybersicherheit des Information Technology Laboratory des National Institute of Standards and Technology (NIST) sowie das National Cybersecurity and Communications Integration Center und das Industrial Control Systems Cyber ​​Emergency Response Team (ICS-CERT) des US-Heimatschutzministeriums Rahmenbedingungen dafür bereit Reduzierung des Risikos eines unbefugten Zugriffs auf Industriesysteme. Anschließend stellen die Anbieter den Endbenutzern Überwachungstools (und oft auch Abonnementdienste) zur Verfügung, um unerwartete Datendownloads und abnormales Maschinenverhalten durch böswillige Akteure zu erkennen.

Ironischerweise sind möglicherweise nicht vernetzte Geräte und intelligente Maschinen mit marginaler oder unvollständiger Konnektivität am anfälligsten. Das liegt daran, dass solche Maschinen keinen Einblick in neu auftretende oder aktive Probleme bieten, die eine sofortige Isolierung erfordern. Am stärksten von Cybersicherheitsfehlern betroffen sind Geräte, die unüberwacht laufen oder über keine Konnektivität verfügen, um regelmäßige Sicherheitsupdates zu erhalten.

Da sie immer kostengünstiger geworden sind, sind drahtlose Kommunikationsprotokolle und Sensoren heute eine wichtige Form der IIoT-Konnektivität in Smart Factorys – insbesondere für die Maschinenüberwachung. Drahtlose Technologien sind dort am besten geeignet, wo es wichtig ist, Fehler in unzugänglichen oder entfernt gelegenen Geräten so früh wie möglich zu erkennen. Eine Einschränkung besteht darin, dass Geräte mit niedriger Geschwindigkeit möglicherweise spezielle drahtlose Sensoren erfordern, um diese Funktion zu erfüllen. Funkbasierte Zustandsüberwachungsfunktionen sind auch dann gerechtfertigt, wenn der Betrieb von Geräten bis zum Ausfall inakzeptabel ist – etwa wenn eine Anlage über kein zweites Gerät zur Ausführung einer bestimmten Aufgabe verfügt. Der Vorbehalt besteht hier darin, dass andere Smart-Factory-Elemente (z. B. Aggregations- und Analysesysteme) vorhanden sein müssen, um umsetzbare Elemente zu extrahieren.

Die Eignung, Smart-Factory-Funktionen mit drahtloser Sensorik auszustatten, hängt zum Teil davon ab, wie oft Daten erfasst werden müssen. Aufgrund der Art und Weise, wie drahtlose Sensoren entweder mit Batteriestrom betrieben werden oder Energie gewinnen, können sie Messungen nur zeitweise erfassen und übertragen. Dadurch eignen sie sich am besten für Geräte wie Pumpen, die kontinuierlich im Dauerbetrieb laufen. Allerdings ist die Überwachung von Motoren an Achsen mit variabler Geschwindigkeit möglich, da einfache Analysen überprüfen können, ob Frequenz und Auflösung innerhalb der Spezifikation liegen. Wenn ein drahtloser Sensor zur Überwachung von Maschinenausfällen aufgrund von Änderungen der Betriebsvibrationen verwendet werden soll, muss er in der Lage sein, einen geeigneten Frequenzbereich zu überwachen.

Richtig eingesetzte Funklösungen bieten Vorteile, die über die Maschinenüberwachung hinausgehen. Zu diesen Funktionen gehören die Smart-Factory-Konnektivität mit Unternehmenssystemen sowie betriebliches Feedback für spontane Änderungen an Maschinenfunktionen – sogar die Ausgabe anpassbarer Produkte.

Drahtlose Produkte für diese Funktionen sind häufig mit verschiedenen Standards kompatibel. Erwägen Sie drahtlose Netzwerk-USB-Sticks, die Industrie-PCs Remote-Konnektivität ermöglichen. Einige beinhalten Optionen für WLAN und 4G/3G/2G-Mobilfunk. Die Sticks funktionieren bei mobilen Robotern und fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGVs) sowie einer Reihe anderer Arten von Geräten, die eine drahtlose Kommunikation mit einer zentralen Steuerung oder einem SCADA-System (Supervisory Control and Data Acquisition) benötigen. Benutzer können sogar antriebsbasierte Diagnosen für eine bessere vorbeugende Wartung überwachen, die auf realen Anwendungsdaten basieren, die Informationen über die Häufigkeit von Ereignissen enthalten.

In den letzten Jahren kam es zu einer Konvergenz von HMI-, Konnektivitäts- und Steuerungsfunktionen, um hochentwickelte Automatisierungs- und Unternehmensabläufe zu unterstützen.

Mobile Maschinen in der Landwirtschaft, im Baugewerbe und in Vergnügungsparkanlagen haben viele Smart-Factory-Strukturen übernommen, um Konstruktionen autonome Fähigkeiten zu verleihen, die früher einen oder mehrere Bediener benötigen. Heutige handelsübliche Automatisierungssteuerungen können in solchen Umgebungen die drahtlosen und Sicherheitstechnologien bereitstellen, die zum Schutz des Personals und zur Kommunikation mit vorhandenen Computersystemen erforderlich sind.

Insbesondere 5G ist vielversprechend für Produktionsbetriebe, die von der Cloud-Konnektivität profitieren könnten, da es über die erforderliche Bandbreite und Stabilität für Produktionsnetze verfügt – insbesondere dort, wo es als Campus-Netzwerk realisiert wird. Da jedoch in der Regel auf allen Maschineninfrastrukturen Netzwerkverbindungen verfügbar sind, rechnen einige nicht damit, dass es in absehbarer Zeit zu einer flächendeckenden industriellen Vernetzung auf 5G-Basis kommen wird. Das hat Komponenten- und Systemlieferanten jedoch nicht davon abgehalten, sich auf die Möglichkeit von 5G im industriellen Umfeld vorzubereiten. Tatsächlich prognostizieren diejenigen, die sich auf die Einführung der 5G-Technologie vorbereiten, eine gleichzeitige Ausweitung von Augmented Reality, virtuellem Design und KI. Angesichts der exponentiellen Geschwindigkeitssteigerung erwarten viele Verarbeitungszeiten, die bis zu zehnmal schneller sind als das, was derzeit mit industriellen 4G-Systemen möglich ist. Tatsächlich sind drahtlose 5G-Technologien in der Lage, die Echtzeitsteuerung komplexer Prozesse durch einen externen Server zu unterstützen – um beispielsweise so komplizierte Prozesse wie den 3D-Druck auszuführen.

Industrielle Ethernet-basierte Protokolle überholen weiterhin herkömmliche Feldbusse für die Datenübermittlung in automatisierten Anlagen … und tatsächlich werden Ethernet-basierte Protokolle mittlerweile in mehr als 40 % der industriellen Netzwerke eingesetzt. Es stimmt, dass einige Feldbusse zuverlässiger sind als herkömmliche Ethernet-Angebote, die nicht deterministisch sind, aber Ethernet-Geschwindigkeiten sind führend. Insbesondere verfügen einige alte Bussysteme ohne Echtzeitfähigkeit nur über Datenraten von 1 bis 20 Mbit und haben daher langsam Marktanteile an Ethernet-basierte Optionen mit Raten von mindestens 100 Mbit verloren. Natürlich sind Busprotokolle für viele einfache industrielle Aufgaben ausreichend und werden daher noch über Jahrzehnte hinweg im Einsatz bleiben.

Ethernet-Datenraten unterstützen die Verfolgung und Verarbeitung von Daten in Echtzeit. Und im Gegensatz zu Feldbus- und Gerätenetzwerken, die verschiedene physikalische Schichten erfordern, arbeitet Ethernet auf einer einzigen physikalischen Schicht … und nun ermöglicht das bereits erwähnte Power over Ethernet (PoE) Konstrukteuren, diese einzelne physikalische Schicht weiter zu nutzen. Insbesondere an der Schnittstelle von IIoT und Bewegungssteuerung sind PoE-Verbindungen führend. Es war schwierig, über PoE-Verbindungen ausreichend Energie für den Antrieb eines Motors zu erhalten … aber die schnelle Einführung von IEEE-Standards mit höherer Leistung in industriellen Ethernet-Switches unterstützt die Expansion hier. Der 802.3at-Standard stellt beispielsweise 25 W Leistung für angeschlossene Geräte bereit – was ausreicht, um einen NEMA-14-Schrittmotor mit voller Leistung zu betreiben. Einige integrierte Motoren für solche Anordnungen akzeptieren Strom und Kommunikation über eines von zwei Standard-Ethernet-Kabeln (RJ45 oder X-codiertes M12) und unterstützen gängige Netzwerkprotokolle wie Modbus TCP und EtherNet/IP. Tatsächlich erfolgt die Ethernet-basierte Konnektivität oft in Form von EtherNet/IP. Dieses Protokoll auf Anwendungsebene ermöglicht die Kommunikation zwischen Steuerungen und E/A; Bestimmte Anpassungen ermöglichen eine synchronisierte und deterministische mehrachsige Bewegungssteuerung.

Auch wenn das Internet der Dinge für Laien in Verbrauchergeräten am sichtbarsten ist, ist das IIoT riesig. Die meisten Anwendungen finden in Unternehmen, Fabriken und im Gesundheitswesen statt … und mehr als ein Drittel des fast 6 Billionen US-Dollar schweren IoT-Marktes entfällt auf die Fertigung.

Hier abgebildet: ETHERLINE ACCESS PROFINET Switches von LAPP sind über eine Weboberfläche konfigurierbar. Sie helfen dort, wo hohe Übertragungsraten über große Entfernungen erforderlich sind … und verfügen über RJ45-Ports sowie Small Form-Factor Pluggable (SFP)-Ports für Glasfaserkabel und schnelles Gigabit-Ethernet. Einige wandeln die Lichtsignale von Glasfasern in elektrische Signale für 100 Mbit/s oder 1 Gbit/s und Singlemode- oder Multimode-Übertragung um. Ansonsten verfügt ein ETHERLINE ACCESS U04TP01T-Switch dieser Linie (robust für die Montage von Nahfeldgeräten) über vier RJ45-Ports mit Power over Ethernet (PoE) und einen Port für Fast Ethernet. Lesen Sie hier mehr über diese Angebote.

Auch das Serial Realtime Communications System (SERCOS) III, das Industrial-Ethernet-Kabel zur Verbindung von Antrieben, Bewegungssteuerungen, Sensoren, E/A, Motoren und anderen Aktoren verwendet, erfreut sich großer Beliebtheit. Mit SERCOS III ist eine deterministische bidirektionale Echtzeit-Bewegungs- und Steuerungskommunikation möglich. Weitere Protokolle, die sich die Vorteile von Ethernet zunutze machen, sind Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT), PROFINET und CC-Link.