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Durchgehende Kommunikation

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Gemeinsamer Grundgedanke von Industrie-4.0- und e-F@ctory-Konzepten zur IT-gesteuerten Produktion ist die Integration und Optimierung der IT auf Management-, Produktions-, und Maschinenebene. Anforderungen sind hohe Übertragungs-Geschwindigkeiten sowie große Datenmengen und nahtlose Konnektivität. Die CC-Link-Familie kann diese als integriertes Industrie-Netzwerk erfüllen.

Der Autor:Haruyuki Otani, Vorsitzender der technischen Arbeitsgruppe der CC-Link Partner Association (CLPA)

Der Konkurrenzdruck in der Fertigungsindustrie ist in den vergangenen Jahren stetig gewachsen. Gefragt ist vor allem die Fähigkeit, zu möglichst geringen Kosten eine breite Modellpalette produzieren zu können. Dazu müssen Kostenoptionen genutzt werden, die der Massenproduktion gerecht werden und andererseits die individuellen Bedürfnisse in der Einzelfertigung erfüllen. Das macht die Anwendung moderner Industrie-4.0- und e-F@ctory-Konzepte so interessant [1][2]. Gemeinsamer Grundgedanke dieser Technologien ist die Integration und Optimierung der IT auf der Management-, Produktions-, und Maschinenebene – was den Einsatz dafür geeigneter Netzwerk-Protokolle wie CC-Link IE erfordert.
Die in der Fertigungsindustrie eingesetzten IT-Systeme lassen sich grob in drei Ebenen einteilen:
Management,
Produktion und
Maschinen.
Traditionell befinden sich die Managementsysteme in der Unternehmenszentrale und die Produktions- und Maschinensysteme an den Fertigungsstandorten. Dem Globalisierungstrend der Fertigungsindustrie entsprechend sind die Fertigungsstandorte inzwischen in aller Welt verteilt, dasselbe gilt für die entsprechenden Produktions- und Maschinensysteme. Für die jeweiligen Regionen wurden dazu unterschiedliche Systeme entwickelt. Außerdem ist im Interesse der lokalen organisatorischen Optimierung bisweilen sogar die Managementebene regional aufgebaut (siehe Bild 2). Auf dem Vormarsch ist hier aber die globale Integration von cloudbasierten Fertigungs-IT-Systemen. Cloud-Dienste bieten sich als Alternative zu kundenspezifischen IT-Systemen an, deren Entwicklung enorme Investitionen erfordert verbunden mit dem Problem, dass ein optimiertes System bei der Inbetriebnahme unter Umständen schon wieder veraltet ist. Zudem bieten auch Cloud-Dienste die Möglichkeit einer Anpassung der Abläufe – so lassen sich Effizienz und Flexibilität des Managements steigern.
OPC UA spielt immer größere Rolle
Was die Systemintegration mittels der Cloud angeht, so verlangt das Netzwerk auf der Produktionsebene eine einfache und sichere vertikale Integration in das Managementsystem. Hier spielt das M2M-Kommunikationsprotokoll OPC UA eine immer größere Rolle, zumal es auch Funktionen für die Datensicherheit (Security) bietet. Das Netzwerk auf Maschinenebene muss sich dabei einfach an das Produktionssystem anbinden lassen, wobei der Echtzeitbetrieb eine große Rolle spielt. Auch unterscheiden sich die Security-Anforderungen von denjenigen der höheren Ebenen. Die Maschinenebene verlangt kontinuierliche Produktivität – auch im Falle eines unvorhergesehenen Ereignisses. Neben der Datensicherheit spielt hier deswegen auch die Sicherheit von Personen und Anlagen eine Rolle (Safety). Da die Maschinenebene unterschiedliche Netzwerke umfasst (beispielsweise auch Sensornetzwerke), ist eine nahtlose Einbindung der verschiedenen Netzwerkebenen wichtig.
Wichtig werden zukünftig auch Cloud-Anwendungen, die Big Data und künstliche Intelligenz unterstützen. Für die Fertigungsindustrie sind vor allem Anwendungen für die planmäßige Instandhaltung interessant, welche die Ausfallzeiten von Anlagen minimieren, die Qualität stabilisieren und Produktionsabläufe über die gesamte Lieferkette hinweg optimieren. All dies erfordert aber auf der Maschinenebene Hochgeschwindigkeitsnetzwerke mit entsprechender Kapazität, um die anfallenden großen Mengen an Sensordaten zu verarbeiten. Außerdem geht der Trend in der Fertigung weg von der Massenproduktion hin zur kundenindividuellen Produktion und Einzelfertigung vielfältiger Modellvarianten [3]. Die kostengünstige Einzelfertigung – zu den wirtschaftlichen Randbedingungen der Massenfertigung – stellt ebenfalls Anforderungen an die Produktionstechnologie insbesondere mit Blick auf das Netzwerk auf der Maschinenebene, müssen doch die Daten zur individuellen Fertigung sicher übertragen werden.
Zusammenfassend muss das Netzwerk auf der Maschinenebene die folgenden Anforderungen erfüllen:
Einfache Integration in die Produktionsebene unter Berücksichtigung von Echtzeitanforderungen
Garantierte kontinuierliche Produktion und Sicherheit von Personen und Anlagen (Safety)
Integration und nahtlose Anbindung verschiedener Netzwerktypen, einschließlich Sensornetzwerken
Hohe Geschwindigkeiten und Kapazitäten als Voraussetzung für die Nutzung neuer Anwendungen
Einfache Netzwerkkonfiguration
Lösungsstrategien der CC-Link-Familie
Die Familie umfasst die CC-Link-Serie, basierend auf RS-485, und die CC-Link-IE-Serie, basierend auf 1-Gb/s-Ethernet (Bild 3). Die CC-Link-Serie beinhaltet CC-Link, CC-Link Safety und CC-Link/LT. Dabei handelt es sich um ein Netzwerk, das sich auf Leistung und Zuverlässigkeit bei möglichst geringen Kosten konzentriert. Die CC-Link-IE-Serie umfasst CC-Link IE Control, CC-Link IE Field, CC-Link IE Field/Motion und CC-Link IE Safety. Ihre wichtigsten Besonderheiten sind unter anderem die hohe Geschwindigkeit und Eignung für enorme Datenmengen – CC-Link IE bietet eine ausreichende Bandbreite für zukünftige Anwendungen, weswegen es sich im Zusammenspiel mit den eingangs erwähnten Industrie-4.0- und e-F@ctory-Konzepten anbietet.
Echtzeit-Performance und Integrationskomfort von CC-Link IE Control:Aufgrund der hohen Geschwindigkeit und der erweiterbaren Echtzeit-Performance findet CC-Link IE Control unter anderem verstärkt Anwendung in der Flachbildschirm-Produktion und im Automobilbau. Die Serie drückt Echtzeit-Performance mithilfe der sogenannten Link Scan Time aus. Bild 4 zeigt diese für eine Anordnung von 32 Stationen mit gleicher Speicherzuweisung über CC-Link IE Control. Im Vergleich zu anderen Controller-Netzwerken werden hohe Geschwindigkeiten erreicht und es ist erkennbar, dass die Leistung selbst bei einem größerem Datenaustausch im Netzwerk (Gesamtanzahl an Link Points) nicht an Geschwindigkeit verliert. Mit Blick auf die Rezept- und Qualitätskontrolle bietet sich also CC-Link IE Control als Netzwerk für die Koordination und Integration mit der Produktionsebene an, beispielsweise für die Rezeptweitergabe oder die Datenerfassung der Qualitätskontrolle. Außerdem kann die hohe Bandbreite von 1 Gb/s für zyklische und transiente Kommunikation aufgeteilt werden. Auf diese Weise werden Störungen der zyklischen durch die transiente Kommunikation vermieden. Steckkartenprodukte für PCs existieren ebenfalls, etwa für Lösungen zur Qualitätskontrolle.
Gewährleistung von kontinuierlicher Produktion und Sicherheit mit CC-Link IE:Die Familie bietet gegenwärtig keine Spezifikationen für Datensicherheit (Security). Was die drei Ebenen Management, Produktion und Maschinen angeht, so liegt das daran, dass die Datensicherheit beispielsweise durch OPC UA auf der Produktionsebene realisiert wird und Maschinennetzwerke unter Produktivitätsaspekten (mit Blick auf die Verarbeitungszeit) kostenoptimiert gestaltet sind. Zukünftig werden hier aber auch Aspekte der Security stärkere Beachtung finden müssen. Für das Thema der Maschinensicherheit wurde dagegen CC-Link IE Safety definiert, um die Sicherheitskommunikation bei Verwendung von CC-Link IE sicherzustellen. Diese kann die Kommunikation zwischen Sicherheitsfeldgeräten und einem Sicherheitscontroller sowie das Senden und Empfangen von Sicherheitsdaten zwischen Sicherheitscontrollern umfassen. Will heißen: Beim Anhalten eines Prozesses durch eine Sicherheitsfunktion werden abhängige Prozesse synchron gestoppt, so dass der Neustart nach der Fehlerbehebung beschleunigt wird.
Integration und nahtlose Anbindung verschiedener Netzwerktypen:Für die CC-Link-Familie wurde das Seamless Message Protocol (SLMP) als Mechanismus für die Integration und nahtlose Anbindung verschiedener Maschinennetzwerke definiert. Dieses Protokoll ermöglicht die Verbindung zwischen einem System auf höherer Ebene und den Feldgeräten ohne Rücksicht auf die Unterschiede zwischen CC-Link IE, CC-Link und TCP/IP. Da zudem seit einigen Jahren in Netzwerken auf der Maschinenebene verstärkt Open-Sensor-Netzwerke eingesetzt werden, prüfen beispielsweise IO-Link und die CC-Link Partner Association die Entwicklung von Spezifikationen für die nahtlose Konnektivität mit anderen offenen Netzwerken (Bild 5).
Komfortable Netzwerkkonfiguration mit CC-Link IE: CC-Link-IE verwendet Ethernet als unterste Kommunikationsebene und die Token-Passing-Methode für die Kommunikationssteuerung auf höherer Ebene. Hierbei werden die Datenübertragungsrechte (Tokens) im Netzwerk auf einer festgelegten Route von Station zu Station weitergegeben. Nur diejenigen Stationen mit Datenübertragungsrechten können Daten übertragen. Derzeit werden Tokens auf einer statisch festgelegten Route weitergegeben, aber technisch ist es ebenfalls möglich, diese Route dynamisch mit beliebigen Intervallen zu ändern. In der Zukunft wird dies das Routen-Switching in Abhängigkeit von dem zu fertigenden Produkt ermöglichen (Bild 6). Die simultane Fehlersuche ist bei der Netzwerkkonfiguration ebenfalls wichtig. Bei Störungen im Netzwerk muss die betreffende Stelle schnell zu finden sein. Die Serie bietet verschiedene Werkzeuge zur schnellen Auffindung von Fehlern, etwa ein Management-Werkzeug für die Netzwerkereignis-Historie, ein Netzwerkdiagnosewerkzeug und anderes.
Zusammenfassung
Der vorliegende Beitrag erörtert Trends bei Fertigungs-IT-Systemen und die sich daraus ergebenden Anforderungen an die Maschinennetzwerke. Es wurden entsprechende Lösungsstrategien mit CC-Link IE vorgestellt, die sich wie folgt zusammenfassen lassen:
Einfache Integration in die Produktionsebene durch transiente Kommunikation ohne Beeinträchtigung der Echtzeitkommunikation
Kürzere Ausfallzeit bis zum Neustart nach Sicherheitsabschaltung durch eine Sicherheitskommunikation, die die Prozesse koordiniert
Nahtlose Konnektivität mit anderen offenen Netzwerken
Hohe Geschwindigkeit und Kapazität für die Zukunft sind bereits enthalten
Logische Topologie ohne Abhängigkeit von der physikalischen Topologie unter Verwendung der Token-Passing-Methode
Vereinfachte Fehlersuche I
Literaturhinweise:
[1] Yoshimoto, Yasuhiro: Increased productivity and energy-saving using „e&eco-F@ctory“, OHM, Vol.100, No.4, pp.34-36 (Apr. 2013)
[2] Industrie4.0 Working Group: „Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0”(Apr. 2013)
[3] Koren, Y.: „The Global Manufacturing Revolution: Product-Process-Business Integration and Reconfigurable Systems,“ Wiley Series in Systems Engineering and Management (2011)

Info & Kontakt

CLPA Europe
(CC-Link Partner Association)
Peter Dabringhaus
Business Development Manager, Tel. +49 2102/486-7988
Erläuterungen zu CC-Link bringt folgendes Video:
http://t1p.de/7s6w
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