Inhaltsverzeichnis
1. Integration verschiedener Anlagen
2. Plug-and-play-Lösung zur Analyse der Energieverbräuche
3. Konfiguration einer eigenen IIoT-Lösung
4. Kombination aus MQTT und Influx-Datenbank
5. Energiemanagement mit smarten Services
In den Fertigungshallen und Anlagen steuern und regeln SPSen, Industrie-PCs sowie zahlreiche Embedded Controller die technischen Prozesse zuverlässig und effizient. Als Kommunikationswege zwischen den Geräten fungieren Feldbusse, die in puncto Geschwindigkeit und Robustheit optimiert sind. In dieser heterogenen Welt der Operational Technology (OT) entstehen die Daten, die dem Anwender gemäß Industrie 4.0 und Industrial Internet of Things (IIoT) neuen Nutzen bringen sollen. Das IIoT stellt dabei die Brücke zwischen den einzelnen Technologieebenen dar, die durch unterschiedliche Anforderungen und Schnittstellen gekennzeichnet sind.
Die Herausforderung für eine IIoT-Lösung besteht deshalb darin, ein möglichst breites Spektrum dieser Anforderungen zu erfüllen: Produktionsaufträge bis zur Losgröße 1, vorausschauender Service oder die automatisierte Verknüpfung der Projekte bis in das Auftrags- und Bestellwesen. Damit dies gelingt, müssen die Daten die OT-Ebene verlassen und in die homogene Welt der Information Technology (IT) transformiert werden, wo Qualitätsanalysen, Fertigungsstatistiken, Manufacturing Execution Systems (MES) und Enterprise Resource Planning (ERP) angesiedelt sind. Als Vermittler zwischen beiden Welten dienen IoT-Gateways, deren Installation an der Nahtstelle zwischen OT und IT – der sogenannten Edge – erfolgt. Sie bieten Konnektivität in Bezug auf die Hardware-Schnittstellen und die Software-Protokolle.
Integration verschiedener Anlagen
Zugriff auf die Daten einer Maschine zu erhalten, erweist sich selbst in Zeiten von Industrie 4.0 als Herausforderung. In vielen Fällen kann ein Maschinenbauer nicht zuverlässig voraussagen, welche Daten der Betreiber für einen optimalen Produktionsprozess benötigt. Daher ist es erforderlich, für jede Maschine individuelle Datensätze bereitzustellen. Bei Bestandsanlagen tritt darüber hinaus oftmals das Problem auf, überhaupt Daten zu bekommen, weil diese meist nur über herstellerspezifische Protokolle verfügbar sind. Ist ein solcher Maschinenzugang nicht vorgesehen, muss entweder in die Ablaufsteuerung der Maschine eingegriffen oder es müssen zusätzliche Sensoren verbaut werden. Ein solches Szenario könnte größere Aufwände für neue Approbationen der Maschine oder Anlage nach sich ziehen.
Offenheit macht Steuerungstechnik fit für die Digitalisierung
Vor genau dieser Herausforderung stand auch die elektronische Gerätefertigung von Phoenix Contact am Standort Bad Pyrmont. Hier finden sich zahlreiche verschiedene Produktionsanlagen von unterschiedlichen Herstellern. Das Spektrum der Fertigungsschritte reicht dabei von Handarbeit bis zur Vollautomatisierung.
Plug-and-play-Lösung zur Analyse der Energieverbräuche
Die einfachste Möglichkeit zur Zustandsüberwachung von Maschinen stellt die Analyse der Energieverbräuche dar. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass das Monitoring rückwirkungsfrei durchgeführt werden kann, also keine weitere Sensorik in die Maschinen eingebaut werden muss und folglich alle Approbationen und Gewährleistungsansprüche der Maschinen bestehen bleiben. Zudem bietet Phoenix Contact selbst seit Jahren ein umfangreiches Portfolio an Energiemonitoring-Systemen, Sensorik sowie Automatisierungs- und Software-Komponenten an und verfügt über umfassende Erfahrungen im Schaltschrankbau. Deshalb ist es in der Lage, eine ganzheitliche eigene Lösung bereitzustellen.
2020 haben die Automatisierungsspezialisten während der Corona-Pandemie im Zuge der Entwicklung von Konzepten für eine Digital Factory eine Plug-and-play-Lösung aus den oben genannten Komponenten erarbeitet, die in der Produktion in Bad Pyrmont erprobt worden ist. Das Tochterunternehmen Phoenix Contact Combinations GmbH hat zu diesem Zweck verschiedene Varianten der sogenannten Power Monitoring Box konzipiert. In den Boxen werden die Energieverbräuche der Fertigungsanlagen hochfrequent aufgenommen und mit bereits vorhandenen Sensordaten korreliert. Das Ergebnis steht den unterschiedlichen Datenbanksystemen dann über verschiedene Protokolle zur Verfügung. Die von der jeweiligen Maschine benötigte Energie wird direkt vom eigenen Facility Management über einen CEE-Stecker durch die Data Collection Box geleitet und mit einer zweiten CEE-Steckerverbindung an die Maschine geführt.
Bild: Phoenix Contact
Konfiguration einer eigenen IIoT-Lösung
Das Herzstück der Data Collection Box bildet eine PLCnext-Steuerung, die einen hochperformanten lokalen Bus beinhaltet. In der Box erfasst ein an die SPS angereihtes Leistungsmessmodul die verbrauchte elektrische Energie der Maschine. Des Weiteren lässt sich über die kompakten Module der Baureihe Axioline Smart Elements eine individuelle Anzahl unterschiedlicher Sensoren in die Lösung einbinden. Die für den Betrieb der Box notwendige Leistung wird vor dem Messgerät entnommen, um keine Störgrößen zu generieren.
Die PLCnext Technology schafft die Software-Grundlage für den Betrieb der Data Collection Box. Das Ecosystem bietet aufgrund seiner Offenheit eine hohe Flexibilität und erfüllt gleichzeitig die höchsten IT-Sicherheitsstandards. Die PLCnext-Steuerungen umfassen sämtliche Vorteile einer klassischen SPS, etwa Determinismus und die direkte Integration von industriellen Bussystemen. Ferner lassen sich parallel große Datenmengen, wie sie beispielsweise für Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) erforderlich sind, asynchron berechnen.
Auf Basis dieser Technologie hat Phoenix Contact eine Software entwickelt, mit der der Anwender seine eigene IIoT-Lösung konfigurieren kann. Das IIoT-Framework befindet sich auf der PLCnext-Steuerung und lässt sich über deren Webbrowser einstellen. Zur Konfiguration einer industriespezifischen, individuellen IIoT-Lösung benötigt der Anwender somit keine Programmierkenntnisse. Daten können deterministisch und in Echtzeit aufgenommen, mit einem auf die Millisekunde genauen Zeitstempel versehen und danach in den verschiedenen Datenbanksystemen archiviert und weiterverarbeitet werden.
Kombination aus MQTT und Influx-Datenbank
Zu Projektbeginn hat das Team festgelegt, dass zur Datenspeicherung eine MS-SQL-Datenbank genutzt wird. Im weiteren Verlauf und mit steigender Anzahl an Messpunkten stellte sich heraus, dass sich bei der Datenanalyse eine MQTT-Schnittstelle in Verbindung mit einer Influx-Datenbank als deutlich leistungsfähiger erweist. Bei einer durchschnittlichen Fertigungsauslastung werden pro Data Collection Box in 24 h rund 600.000 Messwerte erzeugt und in der Datenbank abgelegt. Das bedeutet viele Terrabyte Daten pro Tag aus nur einem Produktionsstandort.
Der richtigen Interpretation der Daten kommt anschließend eine wesentliche Bedeutung zu. Um dies sicherzustellen, findet bereits im Eingangsprogramm eine Normalisierung der Datenpunkte statt. Hier werden dem eigentlichen Messwert Begleitwerte wie Name, Quelle, Zeitstempel, Einheit und Datentyp als String hinzugefügt, die im Klartext lesbar sind. Damit sich die Apps auch für andere IIoT-Lösungen möglichst einfach wiederverwenden lassen, gibt es neben der händischen Programmierung ebenfalls die Option, die Datenpunkte über die Visualisierungsschnittstelle zur Laufzeit zu konfigurieren. Stehen bei der Planung der IIoT-Lösung eventuell noch nicht sämtliche Datenpunkte fest, zeigt sich dieses Vorgehen als flexibelste Methode. Für wiederkehrende Schnittstellen mit zahlreichen Datenpunkten gestaltet sich eine Eingabe der Datenpunkte im Quellcode respektive eine Konfiguration über den Webserver als wenig effizient. Zu diesem Zweck erlaubt eine dritte Möglichkeit die App-Erstellung über eine Code-Generierung. Alle Verfahren lassen sich ebenfalls kombiniert in IIoT-Lösungen einsetzen. (co)
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Energiemanagement mit smarten Services
Mit den EMpro-Messgeräten von Phoenix Contact lässt sich das Energiemanagement der Zukunft gestalten. Die Geräte werden von jedem Browser aus über die integrierte REST-Schnittstelle in das lokale Netzwerk eingebunden. Bei REST (Representational State Transfer) handelt es sich um eine benutzerfreundliche Software-Architektur, welche die bekannten Internet-Protokolle nutzt. Spezialkenntnisse der industriellen Kommunikationsprotokolle sind nicht notwendig.
Darüber hinaus kann der Anwender mit EMpro direkt in die Cloud gehen und so von einer orts- und zeitunabhängigen Interaktion mit den Geräten profitieren. Ohne zusätzliches Gateway greift er von jedem Ort der Welt auf die Mess- und Komponentendaten zu. Die Informationen werden in der Cloud gespeichert, aufbereitet und visualisiert. Zudem bietet diese Plattform weitere smarte Services – beispielsweise ein Basis-Energiemonitoring, Device Management und State-of-Health der Messgeräte. Ergänzt wird das Portfolio durch Komponenten mit 24-VDC-Versorgung. Auf diese Weise lassen sich in automatisierungstechnischen Applikationen Leistungs- und Steuerkreis trennen.
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