Intelligente Steuerungs- und HMI-Softwaredesigns helfen Ingenieuren beim Aufbau neuer Netzwerke für das IIoT

Marissa Tucker von Parker Hannifin spricht mit Senior Editor Patrick Waurzyniak

Marissa, welche Rolle spielt die Bewegungssteuerung im Industrial Internet of Things [IIoT] und welche Software ist involviert?

Ich würde einen Schritt über die Bewegungssteuerung hinausgehen und sagen, dass die programmierbare Automatisierungssteuerung [PAC] die größte Rolle im IIoT spielt. Das liegt daran, dass PACs neben der Maschinenlogik auch die Bewegungssteuerung als Teil ihrer Routinen beinhalten und oft auch über eine eingebettete Mensch-Maschine-Schnittstelle [HMI] verfügen. Das Schöne an diesem Ansatz ist, dass das Programm keine Tags zwischen Geräten teilen muss, da sich die Komponenten auf demselben Gerät befinden und dieselbe Logik verwenden. Dies verkürzt nicht nur die Programmierzeit, sondern erleichtert auch die IIoT-Fähigkeiten.

Hier ist ein Beispiel:Der Positionsfehler – der früher sehr spezifisch für die Bewegungssteuerung war – ist automatisch über die eingebettete HMI zugänglich. Wenn diese eingebettete HMI über Webserver-Fähigkeiten verfügt, was viele von ihnen haben, kann die HMI sofort eine Warnung an den lokalen Bediener und auch an einen Betriebsleiter per E-Mail oder SMS [Short Message Service] senden. Dies ist viel besser als der traditionelle Ansatz, bei dem die Bewegungssteuerung den Fehler an die SPS [speicherprogrammierbare Steuerung] sendet, wobei die SPS die Daten dann nur verarbeiten muss, um sie an die HMI zu senden – die möglicherweise eine hat oder nicht Webserver. Diese komplexe Datenübertragung zwischen Geräten entfällt, da die Logik in einer Programmiersoftware geschrieben ist, die auf ein Hardwaregerät heruntergeladen wird. Es ist so eng integriert, dass Sie Informationen überall leicht abrufen können.

Es ist wichtig sicherzustellen, dass der Entwickler, der die eingebettete HMI erstellt, verschiedene Benutzergruppen und Zugangsdaten erstellen kann. Dadurch kann der Programmierer je nach Benutzer eine benutzerdefinierte Instanz der HMI erstellen.

Der einfache Informationsfluss innerhalb der Maschine ist wichtig, aber auch der einfache Informationsfluss zwischen den Maschinen. Der Programmierstandard IEC 61131-3 stellt sicher, dass eine Maschine, die von einem Hersteller entwickelt wurde, dieselbe Sprache spricht, die von einem anderen verwendet wird. Dies kommt Integratoren sehr zugute, da sie einfacher zwei verschiedene Maschinensysteme dazu bringen können, miteinander zu kommunizieren, ein notwendiger Schritt in Richtung IIoT. Organisationen wie OMAC [Organisation für Maschinenautomatisierung und -steuerung], die den PackML-Standard fördern, bringen IEC 61131-3 auf die nächste Stufe, indem sie nicht nur empfehlen, wie ein System programmiert werden sollte, sondern auch einen Standardsatz von Tags für Maschinen entwickeln anderen Rechnern im Netzwerk zur Verfügung stellen soll.

Was ist mit Low-Level-Geräten wie pneumatischen Ventilen und Positionssensoren? Sollte nicht alles Teil des IoT sein?

Die Herausforderung besteht darin, Daten von Low-Level-Geräten zu nehmen und sie in nützliche Informationen umzuwandeln. Ein Ansatz besteht darin, die Verarbeitung auf der Ebene dieser Geräte durchzuführen und die Ergebnisse dann entweder über einen leistungsstarken Steuerbus oder direkt an die Cloud zu senden. Dies ist ein sehr teurer Ansatz und hilft nicht, die Daten zu sammeln oder zu zentralisieren. Alternativ sehen wir ein enormes Wachstum in der Popularität von IO-Link, einem seriellen Protokoll, das grundlegende Daten von Temperatursensoren, Magneten, pneumatischen Ventilblöcken usw. ohne teuren Overhead sammeln kann.

Indem der Bus einfach verlassen wird, können diese Daten gesammelt und durch Verarbeitung auf dem PAC oder der SPS, die in jedem Maschinensystem vorhanden sein müssen, nutzbar gemacht werden. Wenn Sie sich für ein PAC entscheiden, das auch über eine eingebettete HMI für das Web-Publishing verfügt, können Benutzer diese Informationen dann nehmen und in das Netzwerk stellen, wo immer sie benötigt werden. Stellen Sie sich ein pneumatisches System mit einem Sensor vor, der kontinuierlich Geräusche in Dezibel überwacht. Die einzigen Daten, die an ein PAC IO-Link gesendet werden müssen, sind die aktuellen dB. Der PAC kann benutzerdefinierte IEC 61131-3-Funktionsblöcke haben, die vom Hersteller entwickelt wurden und auf mehreren Controllern funktionieren können. Diese Funktionsblöcke können prüfen, ob das Geräusch ein ungewöhnliches Muster aufweist, um zu sagen:„Ah, es könnte ein Leck vorliegen.“ Der Programmierer kann diesen Alarm annehmen und eine Nachricht an einen Benutzer der Wartungsebene des HMI senden, bevor die Pneumatik ausfällt .

Wie gelangen die Informationen von der Maschine in die Cloud und was ist mit der beteiligten Software?

Es gibt immer noch eine große Trennung zwischen der Fabrikhalle und der IT. Besonders für produzierende Unternehmen mit mehreren Standorten in verschiedenen Staaten oder Ländern ist das Speichern von Daten auf einem externen Server oder in der Cloud ideal. Auf der Softwareseite müssen Komponentenhersteller dazu beitragen, Maschinenbauern das Leben bei der Arbeit mit IT so einfach wie möglich zu machen.

Die meisten Maschinenbauer sind mit der Programmierung einer SPS oder PAC in IEC oder ähnlichen Sprachen vertraut, daher sollten Unternehmen nach Herstellern suchen, die einen integrierten Ansatz für die Maschinensteuerung verfolgen, um den Informationsfluss zu vereinfachen aber die es auch einfach machen, diese Informationen an IT-Server weiterzugeben. Ein weiterer Standard, der aus Europa verdrängt wird, ist OPC-UA [OPC Unified Architecture]. Dieses Client-Server-Protokoll wurde erheblich erweitert und ermöglicht eine universelle Möglichkeit, Daten entweder von Maschine zu Maschine, von Maschine zu SCADA oder von Maschine zu Server zu übertragen. Aufgrund seiner Flexibilität entwickelt sich OPC-UA schnell zum IoT-Standard. Suchen Sie nach Anbietern, die über integrierte Softwaretools verfügen, um mit nur wenigen Klicks einfach eine OPC-UA-Verbindung herzustellen und Entwicklern die gemeinsame Nutzung von Daten zu ermöglichen, indem sie einfach einige Tags innerhalb eines IEC 61131-3-Programms freigeben. Sobald es auf einem Server zugänglich ist, lassen Sie die IT sich um den Rest kümmern.

Sind die Informationen in der Cloud nützlich? Wie gelangen die kritischen Daten in die Hände des Bedieners im Werk?

Das hängt vom Anwendungsfall ab. Jeder, der über das IIoT nachdenkt, egal ob Maschinenbetreiber, OEM-Maschinenbauer oder Fabrikbesitzer, sollte zunächst einen Anwendungsfall entwickeln. Beispielsweise möchte ein Werksleiter möglicherweise Informationen zur Gesamtanlageneffektivität [OEE]. Diese Art von Informationen sollte normalerweise nicht mit einer breiteren Öffentlichkeit geteilt werden, daher ist es am besten, einen internen Server zu verwenden. Fertigungsleiter sind jedoch oft weit von der Maschine entfernt oder nicht an ihrem Schreibtisch, müssen sich aber dennoch mit der OEE befassen. Der Anwendungsfall bestimmt die Lösung:Wenn die Maschine über eine eingebettete HMI mit einem Webserver verfügt, kann sich ein Benutzer von einer iOS- oder Android-Plattform aus damit verbinden, seine Anmeldeinformationen eingeben und die OEE der Maschinen anzeigen, ohne dass eine externe Cloud erforderlich ist . Dieses werksinterne Netzwerk wird oft als „Fog“-Computing bezeichnet.

Ein weiteres Beispiel ist ein Einkäufer, der Ertragsdaten für mehrere Fabriklinien an mehreren Standorten überwachen muss. Ein externer Server ist die einzige Antwort. Um das Risiko der Offenlegung sensibler Unternehmensinformationen zu minimieren, veröffentlicht das Programm möglicherweise nur die Gesamtleistung und nicht die Erträge. Obwohl diese Lösung die Verwendung eines Cloud-Servers erfordert, verdeutlicht sie die Notwendigkeit, beim Senden von Daten an einen externen Server Zurückhaltung zu üben, und zwar aus zwei Gründen:Im Allgemeinen ist es weniger sicher als die Aufbewahrung in einem internen oder „Nebel“-Netzwerk und den meisten Plänen Unternehmen beauftragen, Daten an eine externe Cloud zu senden und zu speichern.

Marketer haben bei der Förderung von Industrie 4.0 großartige Arbeit geleistet, aber jeder Benutzer muss einen Schritt zurücktreten und fragen:„Wie kann ich die Informationen verwenden?“ Die Cloud ist möglicherweise nicht so notwendig wie Sie vielleicht denken.

Führen all diese Konnektivitäten nicht die Kosten in die Höhe?

Kann, muss aber nicht. Teuer wird es erst drei oder vier Jahre in der Zukunft, wenn Ihr Unternehmen bereit für IoT ist, Sie aber Geräte spezifiziert haben, die die Kommunikation über Webserver oder OPC-UA erschweren oder unmöglich machen, oder Sie sich für traditionelles, fragmentiertes Design entschieden haben Single-Machine-PACs, die den Datenfluss erheblich vereinfachen. Um diesen Fehler zu mindern, können Sie unglaublich teure Sensoren kaufen, die von der Temperaturregelung direkt zu einer externen Cloud gehen und alle anderen Geräte an der Maschine umgehen. Von dort aus müssen Sie eine ganze benutzerdefinierte Ebene oder Website mit der Software eines anderen programmieren, um die Daten nutzbar zu machen. Du willst nicht dieser Typ sein.

Stellen Sie das IIoT stattdessen intelligent bereit:Machen Sie es am ersten Tag zu einem Teil des Maschinendesigns. Wenn Sie eine neue Anwendung erstellen, sind Sie in der perfekten Position für den Übergang, auch wenn Ihre Organisation dies derzeit nicht in Betracht zieht. Die Entscheidungen, die Sie heute treffen, können später Hunderttausende von Dollar sparen.

Wählen Sie außerdem Low-Level-Geräte aus, die Busse wie IO-Link unterstützen, damit Sie kostengünstig Daten aus ihnen herausholen können. Verwenden Sie kostengünstige Standardprotokolle, mit denen Sie Daten aus vielen Quellen verwenden können. Verwenden Sie eine einzige Programmiersoftware auf einem einzigen Controller, um die Programmierung zu vereinfachen. Stellen Sie sicher, dass die Maschinensteuerung für eine Client-Server-Beziehung geeignet ist, ohne dass notwendigerweise ein weiteres zusätzliches Gateway erforderlich ist. Wenn Sie damit beginnen müssen, Informationen an verschiedene Orte zu leiten, können Sie dies direkt in Ihrem IEC-basierten Programm tun. Fog-Computing nicht vergessen. Wenn Ihre SPS über ein eingebettetes HMI verfügt, das Webserver-fähig ist, können Sie möglicherweise alle Ihre IIoT-Anwendungsfälle ohne den Einsatz einer Cloud erfüllen. Und falls doch, stellen Sie sicher, dass der von Ihnen gewählte Controller über Software verfügt, die die gemeinsame Nutzung mit einem OPC-UA-Server erleichtert, damit die IT das tun kann, was sie am besten kann.

Kluge Entscheidungen machen die Umstellung auf IIoT sehr erschwinglich, aber die Entscheidungen müssen jetzt getroffen werden.