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Netzwerke für die Zukunft

Text: Holger Krings und Johannes Kalhoff, beide Phoenix Contact
Seit das Schlagwort Industrie 4.0 aufgetaucht ist, haben Forschung, Wirtschaft und Verbände bereits viel unternommen, um diesbezüglich am Puls der Zeit zu bleiben. Damit sich alle unterschiedlichen Anforderungen vereinen lassen, müssen die verschiedenen Disziplinen jedoch vor allem eines: zusammenarbeiten.

Obwohl von Industrie 4.0 als Revolution gesprochen wird, handelt es sich vielmehr um eine Evolution mit revolutionärer Wirkung. Die einzelnen Disziplinen, die in die Anwendung im Fabrik- und Produktionsumfeld involviert sind, stellen unterschiedliche Anforderungen. Diese ähneln sich zwar im Sprachgebrauch, in ihren messbaren Ergebnissen unterscheiden sie sich aber deutlich. Daher ist eine enge Abstimmung zwischen den beteiligten Unternehmen, Interessenvertretern und Gremien für ein solch interdisziplinäres Vorhaben wie die Smarte Fabrik notwendig.

Gute Beispiel für unterschiedliche Anforderungen sind das Echtzeitverhalten der Systeme und die Mensch-Maschine-Kommunikation, die im Büro- und Fertigungsumfeld erheblich voneinander abweichen. Im Bürobereich bedeutet Echtzeit ein Maß für die ausreichend schnelle Abbildung der Geschäftsprozesse, der dafür erforderlichen Datenbank-Zugriffe und der Streaming-Tauglichkeit der Netze zum Zweck von Voice-over-IP- oder Videoübertragungen. Im Gegensatz dazu drückt Echtzeit in der Produktionsumgebung die Reaktions- und Latenzzeit aus, die für Automations- und Regelprozesse im Milli- oder Mikrosekunden-Bereich wichtig sind.

Standardisierung unterschiedlicher Szenarien

Für die Mensch-Maschine-Kommunikation ist der Ressourceneinsatz signifikant. Im Bürobereich tauschen Server, PCs und mobile Geräte Daten aus, während sich im Fertigungsumfeld Komponenten mit geringen Ressourcen wie intelligente Sensoren und Aktuatoren an der Übertragung zwischen Mensch und Maschine beteiligen. Daraus ergeben sich verschiedenartige Anforderungen, die auf zum Teil gleicher Technik aufsetzen. WLAN zeigt hier als gutes Beispiel, wie sich mit einem Funkstandard Lösungen für unterschiedliche Anwendungsbereiche entwickeln lassen. So stehen im Büroumfeld Ad-hoc-Verbindungen im Vordergrund, die auf eine sichere Integration von neuen oder vorher unbekannten Teilnehmern abzielen. Im Fertigungsbereich ist die Verfügbarkeit der Produktionsanlagen entscheidend. Daher gilt es die zuverlässige Funktion der Anlagen über eine Systemplanung sicherzustellen sowie eintretende Störgrößen zu beherrschen. Der Erfolg dieser oftmals konträren Rahmenbedingungen hängt von einer gemeinsamen Standardisierung ohne Abstriche für die unterschiedlichen Nutzungsszenarien ab.

In Anbetracht der zahlreichen Anforderungen ist es nachvollziehbar, dass der Weg zu Industrie 4.0 durch kontinuierliche Forschung, Entwicklung und Erprobung geprägt ist. Denn einzelne, für sich durchaus gut funktionierende Systeme müssen sukzessive besser vernetzt werden, um so die Grundlage für Prozesse zu schaffen, in denen die Komponenten kooperativ interagieren. Entsprechende Ideen und Konzepte werden bereits in bekannten Forschungsprojekten untersucht. Gleichzeitig arbeitet die Industrie intensiv daran, Geräte an die neuen Anforderungen anzupassen und zu innovativen, intelligenten Lösungen zu kombinieren. Auf diese Weise wird eine schrittweise Migration der gegenwärtig IT-gestützten Automation in ein Industrie-4.0-Zeitalter vollzogen.

Verknüpfung vorhandener Schnittstellen

Einige der zur Umsetzung des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 notwendigen Technologien stehen schon heute bereit. Das Produktspektrum, wie es Phoenix Contact beispielsweise anbietet, stellt zu den Technologien eine Vielzahl innovativer Komponenten zur Verfügung. Bei der Verknüpfung vorhandener Kommunikations-Schnittstellen in Anlagen und Systemen wird eine hohe Interoperabilität verlangt. Deshalb finden in verschiedenen Gremien vielfältige Standardisierungs-Aktivitäten statt.

Ein Übertragungsstandard ist das Kommunikationsprotokoll OPC UA, das sich mit einer Hierarchie-übergreifenden, vertikalen und horizontalen Weiterleitung von Daten etabliert. OPC UA erfüllt alle wichtigen Eigenschaften eines modernen Kommunikationsprotokolls. Dazu gehört auch eine eigene Security-Implementierung, die im Kontext deutlich homogenerer, interoperabler IT-Landschaften unverzichtbar ist. Während traditionelle Protokollstandards einerseits wesentliche Vorteile bei der angestrebten kommunikativen Vernetzung Cyber Physical Systems (CPS) eröffnen und einen nahtlosen Kommunikationsdurchgriff erlauben, bergen sie andererseits eine latente Bedrohung. Denn durch gezielte Cyber-Attacken kann sich ein Angreifer unbemerkt Zugang zu ausgedehnten Systemen verschaffen. Damit eine stets sichere Kommunikation zwischen Menschen, Maschinen und Systemen möglich ist, bedarf es eines integrierten IT-Sicherheitsansatzes. Beispielsweise müssen individuelle Berechtigungen definiert werden, so dass nur autorisierte Teilnehmer am gegenseitigen Informationsaustausch teilhaben können.

Know-how wird in Projekte eingebracht

Die technologischen Grundlagen sind bekannt und werden bereits eingesetzt. Synergien und Vorteile während des gesamten Lebenszyklus von Anlagen und Systemen ergeben sich aber vor allem dann, wenn sämtliche damit zusammenhängende Prozesse, Schnittstellen und Dienste in geeigneter Weise zusammenspielen. Dafür gibt es schon zahlreiche Ideen und Konzepte, um die Prozesse und den hiermit verbundenen Informationsaustausch auf kommunikativer und semantischer Ebene zu realisieren. Die dazu konzipierten Mechanismen müssen jedoch noch auf ihre Tauglichkeit validiert werden und einen Nutzen für Anwender aufzeigen.

Um die Engineering-Anforderungen trotz der zunehmenden Komplexität von Systemen auf eine effiziente Weise umzusetzen, hat die Wissenschaft bereits geeignete Lösungen. Auch Phoenix Contact forscht an eigenen Projekten, engagiert sich aber zugleich in externen Forschungsaktivitäten. Hierunter fällt beispielsweise das Spitzencluster it´s OWL (Intelligente Technische System Ostwestfalen-Lippe), in den sich das Unternehmen mit dem Projekt AWaPro einbringt, das sich mit der Automation für eine wandlungsfähige Produktionstechnik beschäftigt. Ziel von AWaPro ist die Entwicklung von intelligenten automatisierungstechnischen Komponenten für Maschinen und Anlagen, zum Beispiel Steuerungen sowie Bedien- und Feldgeräten. Darüber hinaus wird eine Software für den intelligenten Entwurf und die Bedienung konzipiert. Dazu verfügen sowohl die Komponenten als auch die Software-Tools über Selbstoptimierungs-Funktionen. Aus diesem Projekt ist ein Demonstrator für eine Smart Production entstanden, der auf der Hannover Messe präsentiert wird.

In der Lemgoer Modellfabrik forschen die Beteiligten im Institut für industrielle Informationstechnik (inIT) an der Hochschule Ostwestfalen-Lippe. Am Beispiel einer intelligenten Fabrikation arbeiten sie schwerpunktmäßig an einer wandlungsfähigen Produktionstechnik durch Selbstkonfiguration, einem verbesserten Energieverbrauch von Maschinen durch Selbstoptimierung sowie einer Selbstdiagnose in intelligenten technischen Systemen. Die Ergebnisse des AWaPro-Projekts sowie erste Industrie4.0-fähige Lösungen fließen dabei mit ein.

Eine modular aufgebaute Produktionslinie steht im Zentrum der Untersuchungen des Forschungsprojekts SmartFactoryKL. Da die Module von unterschiedlichen Herstellern gebaut wurden, steckt eine Vielfalt heterogener Komponenten in ihnen. Das Projekt will unter anderem eine hohe Flexibilität in der Produktion über eine selbstgesteuerte Fertigung durch Verwendung von Produktionsgedächtnissen (RFID) nachweisen.

Durch den Schulterschluss zwischen Wissenschaft, Verbänden und den einzelnen Industriepartnern findet eine zielgerichtete und erfolgsorientierte Umsetzung des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 statt. Die Herausforderung besteht insbesondere in der Standardisierung der bislang gewonnenen und zu erwartenden Erkenntnisse. Das Vorhaben Industrie 4.0 ist derart vielschichtig und von komplexen Zusammenhängen geprägt, dass kein Stichtag genannt werden kann, an dem alle Ziele erreicht sind. Es muss vielmehr davon ausgegangen werden, dass zunehmend einzelne Themenbereiche mit Industrie4.0-tauglichen, standardisierten Profilen veröffentlicht und als kompatible Produkte und Lösungen angeboten werden.

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