Kommunikationstechnik für das Industrial Internet of Things IIoT

Zukunftsfähige Datenkommunikation als Fundament für IIoT und Industrie 4.0

Gastbeitrag

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Kommunikation ist das Fundament des Internet of Things (IoT)  Grafik: HMS Industrial Networks
Kommunikation ist das Fundament des Internet of Things (IoT)
Grafik: HMS Industrial Networks

Das Internet der Dinge (IoT) und sein industrielles Äquivalent Industrie 4.0 sind heute in aller Munde. Doch was bedeutet es wirklich bzw. was müssen Automatisierungsgerätehersteller beachten, um ihre Produkte zukunftsfähig zu machen? Eines ist klar: Die Kommunikationsschnittstelle wird zur Schlüsselfunktion. Auch wenn die für den Anwender nutzbaren Funktionen der einzelnen Bussysteme sehr ähnlich sind, haben die Busprotokolle im Detail wenig gemeinsam. Da es keinen Standard gibt, werden zunehmend Multiprotokollschnittstellen eingesetzt. Hersteller können so ihre Geräte mit der ganzen Vielfalt der industriellen Netzwerke verbinden. Die Anybus CompactCom 40er-Serie von HMS punktet hier durch Unterstützung aller führenden industriellen Netzwerke, eignet sich insbesondere für Industrial Ethernet im High-End-Bereich, für TCP/IP-basierte Applikationen mit großen Datenmengen sowie für Feldbusanwendungen mit schnellen Netzwerkzyklen. Anybus-CompactCom-Kommunikationsschnittstellen der 40er-Serie gibt es als embedded Modul-, Brick- oder Chip-Lösung. Da die 40er-Serie praktisch „Null Verzögerung“ zwischen Applikation und Netzwerk hat, ist sie hervorragend für hoch performante, taktsynchrone Applikationen wie Servo-Antriebe geeignet. Durch zwei klar getrennte und voneinander unabhängige Kanäle wird dem Thema Security dabei bereits auf unterster Ebene Rechnung getragen.

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Das Internet der Dinge (IoT) und sein industrielles Äquivalent Industrie 4.0 sind heute in alle Munde. Doch was bedeutet es wirklich bzw. was müssen Automatisierungsgerätehersteller beachten, um ihre Geräte wirklich zukunftsfähig zu machen?
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Einschätzung der Marktanteile aus Sicht von HMS für 2015 auf Basis der bisher von HMS weltweit verkauften rund 3 Millionen Feldbus- und Ethernet-Anschaltungen im Bereich der Fertigungsautomation sowie einer Auswertung von aktuellen Marktstudien bekannter Marktforschungsinstitute. Grafik: HMS Industrial Networks
Einschätzung der Marktanteile aus Sicht von HMS für 2015 auf Basis der bisher von HMS weltweit verkauften rund 3 Millionen Feldbus- und Ethernet-Anschaltungen im Bereich der Fertigungsautomation sowie einer Auswertung von aktuellen Marktstudien bekannter Marktforschungsinstitute.
Grafik: HMS Industrial Networks

Eines ist klar: Die Kommunikationsschnittstelle wird zur Schlüsselfunktion. Datenvolumen und -geschwindigkeit steigen rasant und Security spielt eine immer wichtigere Rolle. Zukunftsfähige Automatisierungskomponenten müssen heute sowohl die bewährten industriellen Feldbus- und Industrial-Ethernet-Netzwerke für die Prozessdatenübertragung als auch die TCP/IP-basierten Protokolle der IT-Technik unterstützen. Die Herausforderung für Gerätehersteller liegt insbesondere darin, alle Kommunikationsfunktionen über eine einzige leistungsfähige Kommunikationsschnittstelle abzuwickeln. Geräte, die diese Forderungen erfüllen, sind gut gerüstet für die Zukunft mit Industrie 4.0 und dem industriellen Internet der Dinge.

Die Experten für industrielle Kommunikation von HMS Industrial Networks haben den Trend frühzeitig erkannt und stellen mit der vierten Generation der Anybus- Kommunikationstechnologie nun eine extrem schnelle und zugleich flexible Lösung zur Einbindung von Automatisierungsgeräten in moderne, industrielle Kommunikationsnetze vor.

Anybus-Kommunikationsschnitsttellen der 4. Generation (40er-Serie) unterstützen über eine einzige Kommunikationsschnittstelle sowohl schnelle Ethernet-basierte Real-Time-Protokolle wie PROFINET IRT, Ethernet/IP, EtherCAT oder Powerlink und führen darüber hinaus – quasi simultan – auch IT-Funktionen wie Zugriffe auf geräteinterne Webseiten durch oder übertragen Diagnose- und Qualitätssicherungsdaten über TCP/IP-basierte IT-Protokolle. Ähnlich wie HD-ready-TVs werden Automatisierungsgeräte mit Anybus-Kommunikationstechnik der 4. Generation sozusagen IIoT-ready. Gerätehersteller sind damit für die weitaus höheren Anforderungen der Zukunft gerüstet und sparen im Vergleich zu Eigenentwicklungen bis zu 70 % der Entwicklungskosten und auch die Time to Market sinkt beträchtlich

Kommunikationstechnik für die letzte Meile
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Anwendungsbeispiel Roboterzelle im Automobilbau (s. Kastentext) Grafik: HMS Industrial Networks
Anwendungsbeispiel Roboterzelle im Automobilbau (s. Kastentext)
Grafik: HMS Industrial Networks

Als „letzte Meile“ versteht man in der Automatisierungstechnik die Strecke zwischen den Steuerungen (SPS, IPC) und ihren untergeordneten Feldgeräten. In den Anfangszeiten der Bussysteme wurden auf der letzten Meile fast ausschließlich Prozessdaten (E/A) über Feldbusse ausgetauscht. Auch die Datenmenge war damals noch überschaubar. Moderne Kommunikationsnetzwerke wie PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT und Powerlink bieten heute die Möglichkeit, simultan zur Echtzeit-Prozessdatenübertragung auch IT-Daten sowie sichere E/A-Signale über ein und dasselbe Kabel zu übertragen. Integrierte 2-Port Switche vereinfachen die Installation und erhöhen die Verfügbarkeit der Anlagen dank integrierter Redundanzmechanismen. Auch wenn die für den Anwender nutzbaren Funktionen der einzelnen Bussysteme sehr ähnlich sind, haben die Busprotokolle im Detail wenig gemeinsam. Da es den einen Standard auch weiterhin nicht gibt, setzen Gerätehersteller zunehmend Multiprotokollschnittstellen – wie die Anybus-Schnittstellen von HMS – ein und können so ihre Geräte mit der ganzen Vielfalt der industriellen Netzwerke verbinden. Bild 2 gibt einen aktuellen Überblick über die Marktanteile der verschiedenen industriellen Bussysteme aus Sicht von HMS.
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Anwendungsbeispiel Roboterzelle im Automobilbau
Eine Robotersteuerung gibt z.B. per PROFINET kurze Befehle in harter Echtzeit aus, um die einzelnen Komponenten der Anlage punktgenau zu dirigieren und kürzeste Produktionszyklen einzuhalten. Damit läuft die Produktion problemlos. Als zweite Ebene muss aber heute auch die Qualitätssicherung über den Fertigungsprozess Bescheid wissen. Während es genügt, zur Steuerung des Fertigungsprozesses wenige Steuersignale (z.B. für Schweißzange ansetzen, schweißen, lösen) schnell über PROFIENT zu übertragen, benötigt die Qualitätssicherung dagegen alle relevanten Daten dieses Prozesses, wie Spannung, Position und Stromverlauf an den Elektroden über die Zeit. Das summiert sich auf stattliche Datenmengen, die nicht Echtzeit – jedoch vor Beginn des nächsten Schweißvorgangs – sicher übertragen werden müssen. Hinzu kommen dann noch Daten für die Visualisierung am Bedienterminal sowie die Möglichkeit, Programme der beteiligten Komponenten bei Änderungen des Produktionsprozesses in der Roboterzelle aktualisieren zu können; wie es im Konzept von Industrie 4.0 vorgesehen ist, um eine Fertigung bis hinab zur Serienstückzahl 1 rationell durchführen zu können. Schlussendlich sollen über dasselbe Netzwerk auch noch die sicheren PROFIsafe E/A-Signale übertragen werden. Alle Kommunikationsfunktionen der Schweißsteuerung erfolgen über eine einzige Kommunikationsschnitsttelle. So wird Industrie 4.0 mit dem Ziel eines individualisierten und dennoch effizienten Produktionsprozesses bis hin zur Losgröße 1 Realität.

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Die 4. Generation – Anybus CompactCom 40er-Serie
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Die Anybus CompactCom 40er-Serie in den Formfaktoren Chip, Brick und Modul. Diese 4. Generation der Anybus-Lösungen ist IoT-ready. Grafik: HMS Industrial Networks
Die Anybus CompactCom 40er-Serie in den Formfaktoren Chip, Brick und Modul. Diese 4. Generation der Anybus-Lösungen ist IoT-ready.
Grafik: HMS Industrial Networks

Die Anybus CompactCom 40er-Serie unterstützt alle führenden industriellen Netzwerke, eignet sich aber insbesondere für Industrial Ethernet im High-End-Bereich, für TCP/IP-basierte Applikationen mit großen Datenmengen sowie für Feldbusanwendungen mit schnellen Netzwerkzyklen. Sie basieren auf dem von HMS entwickelten Anybus NP40-Multiprotokollchip. Anybus-CompactCom-Kommunikationsschnittstellen der 40er-Serie gibt es als embedded Modul-, Brick- oder Chip-Lösung. Da die Anybus CompactCom 40er-Serie praktisch „Null Verzögerung“ zwischen Applikation und Netzwerk hat, ist sie hervorragend für hoch performante, taktsynchrone Applikationen wie Servo-Antriebe geeignet.

Egal, für welche Bauform man sich entscheidet, die Software-Schnittstelle zwischen dem Anybus-Kommunikationsinterface und dem Applikationsprogramm des Automatisierungsgerätes ist immer gleich und weitestgehend unabhängig vom jeweils eingesetzten Busprotokoll. Bei der vierten Generation der Anybus-Technologie hat HMS die standardisierte Anybus-Software-Schnittstelle nochmals hinsichtlich Datendurchsatz, Netzwerkunabhängigkeit und Einfachheit der Integration in die Gerätesoftware optimiert. Durch zwei klar getrennte und voneinander unabhängige Kanäle wird dem Thema Security bereits auf unterster Ebene Rechnung getragen. Für die taktsynchrone Übertragung der E/A-Daten wird der 3-fach gepufferte Prozessdatenkanal benutzt. IT-Funktionen und Parameter werden über einen Messaging-Kanal mit bis zu 1524 Byte großen Datenbereichen übertragen.
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Das Internet of Things ist sehr komplex Grafik: HMS Industrial Networks
Das Internet of Things ist sehr komplex
Grafik: HMS Industrial Networks

Gerätehersteller kommen am schnellsten mit dem einbaufertigen, in sich gekapselten Kommunikationsmodul zum Ziel. Die komplette Hard- und Software der Kommunikationsschnittstelle einschließlich der Steckverbinder ist auf einem kompakten Elektronikmodul integriert, das in einem entsprechend vorbereiteten Steckplatz im Automatisierungsgerät eingesteckt wird. Die Anybus Brick-Module hingegen lassen dem Entwickler mehr Freiheitsgrade bei der Auswahl der Steckverbinder und der Positionierung des Moduls im Automatisierungsgerät. Hersteller, die ihre Geräte in sehr hohen Stückzahlen fertigen und daher oft auf Modularität verzichten, können schließlich auch den Anybus NP40 Chip nebst Softwarestacks lizensieren und so die Anybus-Kerntechnologie nahtlos in ihre Geräteelektronik integrieren. Die HMS Solution Center realisieren auch individuelle Ausführungen nach Kundenanforderung.

Mit Teamwork zum Ziel
In der Welt der Industrie-Kommunikation wird es immer Neuerungen geben, aber auch langlebige, optimal auf eine spezielle Lösung ausgerichtete Bussysteme. Für eine wirklich zukunftssichere Investition ist daher vor allem eine breite Vielfalt an Kommunikationstechnik wichtig, um Zukunft und Vergangenheit zu verknüpfen. Der Schritt zu Industrie 4.0 fordert noch mehr: „Teamwork“ ist gefragt, Kommunikation über die Grenzen der Bussysteme hinweg und schnelle Einbindung in Systeme, die die eigentliche Produktion und Planungsebene optimal koordinieren. Dabei erscheint der Weg der skalierbaren Leistungsauswahl mit einer flexiblen Kommunikationsschnittstelle wie sie die Anybus CompactCom 40er-Serie bietet sinnvoll.
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Autor: Dipl.-Ing. Michael Volz, Geschäftsführer HMS Industrial Networks GmbH Deutschland Foto: HMS Industrial Networks
Autor: Dipl.-Ing. Michael Volz, Geschäftsführer HMS Industrial Networks GmbH Deutschland
Foto: HMS Industrial Networks

HMS
Die Experten für industrielle Kommunikation
HMS Industrial Networks ist einer der führenden unabhängigen Hersteller von Produkten für die industrielle Kommunikation, einschließlich industrieller Fernwartung. HMS entwickelt und fertigt Lösungen zur Anbindung von Automatisierungsgeräten an industrielle Netzwerke und vertreibt seine Produkte unter den Marken Anybus, IXXAT und Netbiter.
Ziel des Unternehmens ist es, für den Anwender höchste Flexibilität bei der Anbindung von Geräten und Systemen an die vielen verschiedenen industriellen Netzwerke zu schaffen. Hier helfen die Experten für industrielle Kommunikation ihren Kunden, Entwicklungskosten zu sparen und gleichzeitig immer auf dem neuesten technischen Stand zu sein. Die Entwicklung und Fertigung erfolgt im Stammhaus in Halmstad/Schweden und in Weingarten, Deutschland. Eigene Niederlassungen in China, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Indien, Italien, Japan, UK und USA übernehmen den lokalen Vertrieb und Support. HMS beschäftigt über 350 Mitarbeiter. HMS ist an der Nordischen Wertpapierbörse NASDAQ OMX in Stockholm gelistet.
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