IIoT und SPS: Koexistenz statt Konfrontation

Das industrielle Internet der Dinge verspricht die Neugestaltung von Maschinen, die Reorganisation von Prozessen und die Nutzung von Big Data zur Steigerung von Produktivität und Rentabilität. Einige meinen, dass vertraute Architekturen und Geräte wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) auf der Strecke bleiben könnten. Eine andere Ansicht ist, dass die explosionsartige Zunahme der Datenerfassung zu einer noch größeren Anzahl kleinerer Geräte wie Mikro- oder Nano-SPSen führen wird, die fast überall in der Fabrik eingesetzt werden können.

Big Data - eine neue Idee?

Das industrielle Internet der Dinge basiert auf der Erfassung großer Datenmengen von Prozessen und Geräten, die in der Cloud intensiv analysiert werden. Ziel ist es, die Re-Optimierung und Re-Organisation von Prozessen voranzutreiben und dabei Verbesserungen wie die Verringerung von Verschwendung und die schnellere Reaktion auf Kundenwünsche anzustreben. In den Fabriken der vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0) werden wahrscheinlich viele Tausende von Sensoren in den Anlagen und Arbeitsbereichen installiert sein, die so unterschiedliche Aspekte wie Motorströme und Vibrationen, Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, Messungen von Endprodukttests und -prüfungen, Seriennummern, Chargennummern und Zeitstempel melden.

Der Erfolg von Industrie 4.0 setzt voraus, dass diese Tausende von Datenkanälen effizient in der Cloud gesammelt, gespeichert, priorisiert, gruppiert und analysiert und schließlich in verbesserte Anweisungen für Maschinen und Informationen für intelligente Geschäftsentscheidungen umgewandelt werden. Es wird erwartet, dass sich das Design von Maschinen, Steuerungssystemen und Kommunikationsnetzen in Fabriken erheblich verändern wird, was eine Bedrohung für etablierte Geräte wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) darstellen könnte, die bisher die Datenerfassung, -verarbeitung und -steuerung in der konventionellen Automatisierung dominiert haben.

Der Wunsch, mehr Daten zu sammeln, um die Produktionsausbeute zu verbessern und die Entscheidungsfindung von Unternehmen zu unterstützen, entstand nicht erst mit Industrie 4.0. Schon lange vor der Cloud waren Unternehmen bestrebt, immer größere Datenmengen von Anlagen zu erfassen und den Austausch zwischen den Analysesystemen in der Fabrik und im Backoffice zu automatisieren. Der Industrie-PC (IPC) ist ein Beispiel für ein Konzept, das die PC-basierte Automatisierung mit den Vorteilen eines nahtlosen Datenflusses zu und von Entscheidungsträgern im Unternehmens-LAN ermöglicht. Die SPS behält jedoch mehrere Vorteile, darunter lange Lebenszyklen und hohe Zuverlässigkeit, und hat sich außerdem weiterentwickelt, um den Anforderungen des Marktes gerecht zu werden, indem sie die Verarbeitungsleistung erhöht, zusätzliche Funktionen bietet und PC-basierte Standards einbezieht.

Konfrontation

Die Ausbreitung von Sensoren und anderen Datenerfassungsaktivitäten in den Fabriken des nächsten Industriezeitalters könnte die Fähigkeiten der aktuellen SPSen überfordern. Einige schlagen vor, dass Sensordaten über ein leichtgewichtiges Protokoll wie MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) direkt in der Cloud gesammelt werden sollen. Ein großer Vorteil für die heutige datenreiche Fertigungsumgebung ist, dass MQTT große Mengen unveränderlicher Daten umgehen kann, die bei der Verwendung herkömmlicher Poll/Response-Protokolle die Netze verstopfen können. Das Publish/Subscribe-Modell von MQTT ermöglicht es intelligenten Sensoren, nur neue Daten für die Geräte zu veröffentlichen, die für den Empfang dieser Daten konfiguriert sind. Es ist bekannt, dass einige wichtige IoT- und soziale Plattformen für Verbraucher die Vorteile des Protokolls nutzen, das eine geringe Bandbreite, eine niedrige Latenzzeit und einen geringen Stromverbrauch aufweist. MQTT eignet sich gut für den Einsatz in Steuerungssystemen, und MQTT-Module könnten einen Weg bieten, IIoT-Daten direkt an die Cloud zu senden. Dies ist ein praktikabler Weg, um die Daten zu verarbeiten, die von der großen Anzahl von Sensoren erzeugt werden, die in der vernetzten Fabrik verteilt sind.

Koexistenz

Alternativ könnte die herkömmliche zentrale SPS durch mehrere kleinere SPSen ersetzt werden, die näher an den Sensoren, die sie überwachen, und den Mechanismen, die sie steuern, platziert werden. Mikro- oder Nano-SPSen, die für die Kommunikation im Rahmen des IIoT entwickelt wurden, erfüllen diese Art von Aufgabe und bieten I/O-Kanäle auf kleinem Raum mit modularen Erweiterungsoptionen.

Crouzet nutzt diese Chance mit seiner em4-Familie von Nano-SPSen wie der em4 Ethernet. Das em4 misst 124,6 x 90 mm und bietet eine Auswahl an analogen und digitalen IO- und Relaisausgängen. Digitale und analoge I/O-Erweiterungsmodule sind ebenfalls erhältlich und bieten Flexibilität für große oder kleine Installationen. Es kann von überall im lokalen Netz programmiert oder debuggt werden und kann bei Bedarf ohne zusätzliche Module mit dem Internet verbunden werden (Abbildung 1). Zur bequemen Erfassung von Sensordaten kann das em4 einfache, zeitgeplante Datenprotokolle per E-Mail oder FTP senden oder E-Mail-Warnungen unter der Kontrolle des Anwendungsprogramms senden. Es kann mit bis zu sechzehn anderen Geräten im Netzwerk kommunizieren und erkennt automatisch bis zu acht angeschlossene em4-Einheiten. Ein monochromes Display (4 Zeilen, 18 Zeichen pro Zeile) und eine 6-Tasten-Tastatur bieten die Möglichkeit, die SPS direkt von der Frontplatte aus zu bedienen.

Abbildung 1: Die SPS em4 Ethernet nano lässt sich leicht mit anderen Geräten im LAN oder im Internet verbinden.

Panasonic hat eine platzsparende, ultrakompakte SPS entwickelt, die sich für die dezentrale Überwachung und Steuerung oder für die Miniaturisierung von Geräten eignet. Die Serie FP0R ist 90 mm hoch und 25 mm breit und bietet I/Os einschließlich Impulsausgängen, die eine mehrachsige Motorsteuerung ermöglichen. Es können bis zu drei Erweiterungsmodule hinzugefügt werden. Der eingebaute FeRAM bietet eine automatische Datensicherung ohne Batterie, so dass das Gerät ohne Datenverlust ausgeschaltet werden kann. Die SPS kann Informationen mit bis zu sechzehn ähnlichen Geräten über einen SPS-Link austauschen, der über ein „FP Web Server 2“-Modul an ein Ethernet-Netzwerk angeschlossen ist. Weitere Funktionen zur Motorsteuerung sind Zähler und PWM-Ausgänge. Anschließbare CC_LINK- und IO/LINK-Module mit gängigen Protokollen sorgen für zusätzliche Flexibilität bei der Vernetzung und Sensorüberwachung. Das em4 von Crouzet und das FPOR von Panasonic werden mit der Standard-Programmiersoftware des Herstellers programmiert.

Maxim Integrated hat sich mit seiner Micro-PLC-Plattform (Abbildung 2) zum Ziel gesetzt, mehr Leistung in einem viel kleineren Volumen als die traditionelle SPS zu bieten. Die digitalen und analogen IO-Module der Micro-PLC-Plattform, wie das analoge Ausgangsmodul MAXREFDES60 für 0 bis 10 Volt, passen in einen Raum von der Größe einer Kreditkarte. Dieser Formfaktor ermöglicht es Entwicklern, eine mit einer Standard-SPS vergleichbare Konnektivität auf etwa 10 % des Platzes und mit der Hälfte des Stromverbrauchs zu erreichen. Weitere Micro-PLC-Module sind erhältlich, darunter ein 4-Kanal-Analogeingangsmodul, ein 8-Kanal-Digitaleingangsmodul und ein 8-Kanal-Digitalausgangsmodul sowie eine RS-485-Kommunikationskarte. Alle werden mit C-Quellcode und Testdaten geliefert, um die Implementierung von Kompakt-SPSen der nächsten Generation für Industrie 4.0 zu beschleunigen.

Abbildung 2: Micro PLC von Maxim Integrated ist eine kompakte, modulare Plattform, die es dem Benutzer ermöglicht, aus einer Reihe von kreditkartengroßen I/O-Karten zu wählen.

Fazit

SPSen haben sich im Laufe der Geschichte der industriellen Automatisierung zu einem zuverlässigen und robusten Mittel zur Überwachung und Steuerung von Prozessen und Anlagen entwickelt. Durch die Anpassung an die Anforderungen des Marktes und die sich entwickelnden Konnektivitäts- und Kommunikationsstandards wird die SPS auch weiterhin von den Konstrukteuren von Industrieanlagen und Fabriken in großem Umfang eingesetzt. Die neuesten Mikro- und Nano-Formfaktoren sollen die Position der SPS im IIoT und im Herzen von Industrie 4.0 sichern.