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Smart in Richtung Industrie 4.0 Zukunftsfähige Datenkommunikation in der Produktion

Neue Standards für die Kommunikation in der Produktionsumgebung verändern die traditionellen Architekturen für Geräte- und Datenaustausch. Eine flexible Lösung erlaubt neue und bestehende Installationen zukunftsfähig und skalierbar auszuführen.

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Data & Faster Processing
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(Bild: Mettler Toledo)

Bei den Datenübertragungstechnologien für die modernen Fertigungsumgebungen gibt es immer mehr Überschneidungen. Die strikte Trennung von Kommunikationstechnologien für manuelle und automatische Fertigungsprozesse einerseits und IT-Technologien für Planung, Auftragsmanagement und Betriebswirtschaft andererseits wird zunehmend aufgehoben.

Any-to-Any Kommunikation kommt

Aktuell erfolgt die Datenübertragung noch weitgehend hierarchisch gemäss der SCADA (SCADA steht für "Supervisory Control and Data Acquisition") Pyramide. Das heisst, Schritt für Schritt vom Sensor oder Aktor zur SPS – Steuerung von da zur Produktionssteuerung und dann in die IT bis in die Cloud. Auf jeder Stufe werden Daten empfangen, quittiert, zwischengespeichert und weitergeleitet. Jeder Schritt wird auf allen Hierarchiestufen programmiert.

In Zukunft wird die Datenkommunikation für die Produktion einen wachsenden Anteil an direkter "Any-to-Any" Kommunikation erhalten. Mit "Any-to-Any" können Cloud-basierende Applikationen direkt mit Geräten der Sensor- und Aktor-Ebene kommunizieren. Damit sparen Systemintegratoren Aufwand für die Software und Hardware zur Prozesssteuerung. Andererseits steigen die Anforderungen für die Gewährleistung der Datensicherheit.

Gegenüberstellung der traditionellen Kommunikation gemäss der SCADA Pyramide und der zukünftigen "Any-to-Any" Kommunikation.Gegenüberstellung der traditionellen Kommunikation gemäss der SCADA Pyramide und der zukünftigen "Any-to-Any" Kommunikation.
Gegenüberstellung der traditionellen Kommunikation gemäss der SCADA Pyramide und der zukünftigen "Any-to-Any" Kommunikation.Gegenüberstellung der traditionellen Kommunikation gemäss der SCADA Pyramide und der zukünftigen "Any-to-Any" Kommunikation.
(Bild: Mettler Toledo)

Für die "Any-to-Any" Kommunikation stehen die Technologien OPC UA und MQTT im Vordergrund. Beide Technologien basieren aber auf Ethernet und sind daher ungeeignet für die Übertragung von zeitkritische Daten im Bereich von wenigen Hundertstel- oder Millisekunden. Aus diesem Grund beschränkt sich der aktuelle Einsatz von OPC UA und MQTT häufig auf zeitunkritische Informationen und grosse Datenmengen. Der zeitkritische Datenaustausch erfolgt aus diesen Gründen noch über Industrial Based Ethernet mittels PROFINET und EtherNet/IP.

Technologieerweiterungen können Marktanteile verschieben

Anwendungsgebiete der verschiedenen Technologien und die möglichen Veränderungen welche sie auslösen könnten.
Anwendungsgebiete der verschiedenen Technologien und die möglichen Veränderungen welche sie auslösen könnten.
(Bild: Mettler Toledo)

Die Entwicklung der industriellen Kommunikationstechnologien wird von den einflussreichen Verbänden OPC Foundation, PROFIBUS & PROFINET International und IEEE vorangetrieben. Dabei spielt Ethernet Time Sensitive Network (TSN) als Layer-2 Technologie gemäss OSI Model eine entscheidende Rolle, weil es im Gegensatz zum aktuellen Ethernet echtzeitfähig ist. Zusätzlich treibt die OPC Foundation die Verbreitung von OPC UA Pub-Sub und OPC UA FLC "Field Level Communication" mit dem Standard OPC UA FX "Field eXchange" voran. Die Kombination der genannten Technologien kann die Datenübertragung und Echtzeitfähigkeit sowohl von OPC UA und MQTT als auch von PROFINET und EtherNet/IP beschleunigen. Das kann zur Folge haben, dass OPC UA und MQTT teilweise für Applikationen eingesetzt werden könnten, welche bisher PROFINET und EtherNet/IP vorbehalten blieben.

Flexible Lösung - bereit für die Evolution

Für einen Hersteller von Industriewaagen mit einem sehr umfangreichen Produktsortiment wie METTLER TOLEDO ist die oben beschriebene Evolution der Kommunikationstechnologien in Richtung OPC UA und MQTT eine Herausforderung. Grundsätzlich ist es unsicher, ob und allenfalls wie dynamisch die Verschiebung der Marktanteile der Kommunikationstechnologien stattfindet. Von den Endanwendern wird für die bekanntermassen langlebigen Industriewaagen von METTLER TOLEDO eine hohe Investitionssicherheit verlangt. Zudem sollen die bereits installierten älteren Waagen auf die neuste Kommunikationstechnologie aktualisiert werden können.

Die OPC UA / MQTT Umgebung für MES, ERP und Cloud oben im Bild und die Umgebung für manuelles oder automatisches Wägen unten im Bild werden für neue und existierende Waagen mittels IIoT Edge Gateway verbunden.
Die OPC UA / MQTT Umgebung für MES, ERP und Cloud oben im Bild und die Umgebung für manuelles oder automatisches Wägen unten im Bild werden für neue und existierende Waagen mittels IIoT Edge Gateway verbunden.
(Bild: Mettler Toledo)

In dieser Ausgangslage hat sich METTLER TOLEDO entschieden, die OPC UA und MQTT Konnektivität über das ACI400 IIoT Edge-Gateway zu realisieren. Das hat eine Win-Win Situation zur Folge. Für METTLER TOLEDO ist es eine Win-Situation, weil mittels einem einzigen Gerät alle neuen und fast alle alten statischen Industriewaagen an OPC UA oder MQTT anschliessbar sind. Die neuen Technologien müssen daher nur auf einem einzigen Produkt geschult, gepflegt und weiterentwickelt werden. Für den Endanwender ist es eine Win-Situation, weil mit dem Edge-Gateway auch die installierten Waagen an die neuen Kommunikations-Technologien angeschlossen werden können. Eine Integration in eine Host-Lösung mit einer Vielzahl an Servern ist nicht erforderlich. Das reduziert den Initialaufwand und erleichtert die Fehlersuche.

Zusätzlich zum Anschluss an die OPC UA und MQTT Umgebung können alle Waagen weiterhin direkt an PROFINET und EtherNet/IP angeschlossen werden. Damit können die Waagen parallel in zwei Architekturen eingebunden werden. Einerseits in die traditionelle "SCADA" und andererseits in "Any-to-Any".

Implementierte OPC UA Companion Specification

Edge Gateway zum Anschluss von neuen und bestehenden Industriewaagen an OPC UA und MQTT.
Edge Gateway zum Anschluss von neuen und bestehenden Industriewaagen an OPC UA und MQTT.
(Bild: Mettler Toledo)

Der OPC UA Standard entwickelt in Zusammenarbeit mit Geräteherstellern eine Vielzahl an Companion Specifications. Diese Standards definieren herstellerübergreifende Datenpunkte. Damit wird die Integration von Geräten erleichtert. Das Edge Gateway unterstützt bereits die OPC UA Companion Specification für Wägetechnik und für das Profil "Simple Weighing". Es unterstützt ebenfalls die Companion Specification für Machinery.

Pragmatisch in Richtung Industrie 4.0

Der Anschluss an OPC UA und MQTT mittels einem Edge Gateway ist eine pragmatische und flexible Lösung. Sie erlaubt dem End-Anwender aber auch dem Maschinenbauer und System Integrator sofort moderne Technologien umfassend zu nutzen und flexibel auf die nächsten Evolutionsstufen zu reagieren. Das Edge-Gerät kann auch für die bereits installierten Waagen genutzt werden. Damit unterstützt es die Transformation der Datenkommunikation für die gesamte Produktionsumgebung von manuell bis zu vollautomatisiert hin zu Industrie 4.0.

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