Ein Kochbuch für den Bau von IoT-Umgebungen in der Fertigung

Die Industrie arbeitet seit einem Jahrhundert an der Umstellung von Material oder Teilen in Produkte effizienter.

Es ist keine Überraschung, dass die Fertigungsbranche bei der Einführung des IoT führend ist, aber viele Hersteller haben immer noch Probleme mit der Einführung und Nutzung des IoT im Betrieb.

Für diejenigen, die dies tun, ist hier ein einfaches Rezept zum Aufbau von IoT-Umgebungen für die Fertigung und zur Unterstützung auf diesem Weg. In dieser Diskussion verwenden wir den Begriff „Sensor“ für IoT-Geräte, die einen Zustand melden, „Effektor“ für die Klasse von IoT-Geräten, die etwas bewegen oder öffnen sollen, und „Controller“ für ein IoT-Gerät, das eine Verbindung herstellt und mit ihm interagiert Sensoren und Effektoren.

Ein Überblick über IoT-Umgebungen

Unternehmen streben nach IoT und Fabrikautomatisierung, und einige haben erhebliche Fortschritte gemacht. Der beste Ansatz im IIoT ist einer, der Ihr IoT-Projekt wie ein Kuchen in drei verschiedene Schichten unterteilt.

Diese Struktur ermöglicht es Herstellern, IoT-Geräte an Herstellungsprozesse anzupassen, diese Prozesse in einen Fabrikworkflow einzubinden und diesen Workflow in die Geschäftsanwendungen zu integrieren, die Teile und Rohstoffe beschaffen und Fertigwaren verkaufen.

Dieser dreischichtige Ansatz ermöglicht es Entwicklern von IoT-Umgebungen, IoT-Prozesse umzusetzen, die die Unternehmensziele widerspiegeln.

Die Zutaten eines IIoT-Projekts

Prozessebene. Im Gegensatz zu vielen IoT-Anwendungen, die aus Sensoren aufbauen, die Bedingungen lesen, und „Effektoren“, die Dinge in der realen Welt bewegen oder verändern, wird das Fertigungs-IoT normalerweise aus spezifischen Prozessen aufgebaut, die jeweils aus den Werkzeugen bestehen, die zum Ausführen eines Fertigungsschritts erforderlich sind, den benötigten Arbeitern um es auszuführen, und die IoT-Geräte, die erforderlich sind, um den Prozess in einen automatisierten Kontrollbereich zu hüllen. Zu diesen Geräten gehört ein lokaler Controller mit eigenen Geräteprotokollen und eigener Programmiersprache, der IoT-Geräte in aktive Komponenten des Prozesses selbst umwandelt. Diese Prozessschicht ist die Grundlage für das Fertigungs-IoT-Design.

Fabrikrandschicht. Die Fertigung beginnt mit Prozessen, aber alle Prozesse müssen in einer zusammenhängenden Fabrikvision zusammengefasst werden. Das ist die Aufgabe der zweiten Schicht des Kuchens, der Fabrikrandschicht . Während die Prozessschicht in der Regel aus Geräten und Spezialcontrollern aufgebaut ist, besteht die Fabrik-Edge-Schicht aus „Embedded Control“- oder „Edge-Computing“-Geräten, die mit zunehmender Wahrscheinlichkeit eine Art Allzweck-Computergerät sind. Diese Schicht verwaltet die Prozesse, damit die Fabrikarbeit auf geordnete Weise weitergegeben wird und die Sicherheit von Arbeitern und Maschinen in der Fabrik gleichermaßen gewährleistet ist.

Geschäftsschicht. Waren erscheinen oder verschwinden nicht auf magische Weise aus einer Fabrik. Hersteller verfügen über Softwaresysteme, die die Lieferung von Teilen/Rohmaterialien unterstützen, oft basierend auf Prinzipien wie Just-in-Time-Fertigung (JIT) oder JIT-Planung von Lieferungen, um den Lagerbestand zu minimieren. Es gibt auch Systeme, die den Bestand an Fertigwaren verwalten und in einen Verkaufskanal einbringen. Diese Systeme bilden die Business-Schicht vom Kuchen, der Ort, an dem Legacy-Anwendungen auf IoT und Prozessautomatisierung treffen.

Ein Rezept für eine IIoT-Umgebung

Da die Prozessebene die Grundlage des IIoT ist, beginnt dort eine optimale Strategie:

• Machen Sie eine Bestandsaufnahme der ausgegebenen Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) von jedem der Prozesselemente in der Fabrik. Beachten Sie die API, die Netzwerkanforderungen, die Datenformate und die Art der Informationen, die jeweils verfügbar sind. Wenn mehrere Optionen unterstützt werden, nicht die Fähigkeiten der einzelnen.
• Stellen Sie sicher, dass jede Prozessschnittstelle ein Mittel zur Koordinierung der Start- und Abschlussschritte des Prozesses mit einer Anwendung auf höherer Ebene bietet. Identifizieren Sie auch die Mittel zum
  „Notstoppen“ des Prozesses, falls erforderlich.

Betrachten Sie nun die Beziehung zwischen der Prozessschicht und der Fabrikkantenschicht. Sie müssen eine Verbindung zwischen jedem Factory-Prozess in der Prozessschicht und einem Edge-Computer in der Factory-Edge-Schicht herstellen, daher muss es eine allgemein unterstützte Schnittstelle für diese Verbindungen geben.

• Erstellen Sie für jedes in Frage kommende Factory-Edge-System eine Bestandsaufnahme aller unterstützten APIs und Netzwerkschnittstellen. Es kann mehrere Betriebssystem-, Middleware- oder Anwendungspakete für ein Edge-Gerät geben, also erkunden Sie sie alle.
• Finden Sie die Übereinstimmung zwischen den verfügbaren Schnittstellen der Prozessebene und den Edge-Systemen der Fabrik. Eine geeignete Übereinstimmung unterstützt alle erforderlichen Nachrichtenaustausche. Wenn es mehrere geeignete Übereinstimmungen gibt, suchen Sie eine Netzwerk-/Schnittstellenkombination, die zu der größten Anzahl von Prozessschichtelementen passt, um die Komplexität der Edge-Verarbeitung in der Fabrik zu reduzieren.
• Die beste Vorgehensweise besteht darin, vor der Verarbeitung eine Aufgabe zum Konvertieren aller Datenströme der Prozessschicht in der Factory-Edge-Anwendung in eine gemeinsame Datennachrichtenstruktur einzufügen. Dies wird den Entwicklungs- und Softwarewartungsaufwand, die Zeit und die Fehlerquote erheblich reduzieren.

Jetzt den Kuchen einfrieren. Die Geschäftsschicht des IoT-Fertigungskuchens ist für die Integration mit den Anwendungen verantwortlich, die Teile, Materialien und Fertigprodukte verarbeiten. Dies ist auch der Ort, an dem das produzierende IoT die lokale Fabrikumgebung verlässt, entweder um eine Verbindung zum Unternehmensrechenzentrum oder zu einer öffentlichen Cloud-Anwendung herzustellen.

• In den meisten Fällen sind die von der Geschäftsseite verfügbaren Schnittstellen, mit denen die Edge-Schicht der Fabrik verbunden werden kann, ziemlich statisch. Machen Sie eine Bestandsaufnahme dieser Schnittstellen und dokumentieren Sie ihre Anforderungen und Fähigkeiten.
• Inventarisieren Sie die Schnittstellen, die von den Factory-Edge-Systemen unterstützt werden können, und identifizieren Sie die kleinste Anzahl dieser Schnittstellen, die für die Anbindung an die Business-Schicht geeignet sind.
• Beachten Sie die Sicherheit dieser Verbindungen, da sie Schnittstellen zu den wichtigsten Geschäftsanwendungen und Datenbanken bereitstellen.

Der Aufbau von IoT-Umgebungen erfordert einige letzte Schliffe

Es gibt ein paar allgemeine Regeln im IIoT IoT, die beachtet werden sollten, wenn Sie Optionen für alle drei Schichten unseres IoT-Kuchens erkunden:

• Viele Benutzer bevorzugen drahtgebundene Verbindungen wie Ethernet sowohl für die Verbindungen der Prozess-zu-Fabrik-Edge-Schicht als auch für die Verbindungen der Fabrik-Edge zur Geschäftsschicht. Dies verbessert die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Die Verwendung eines abgeschirmten Ethernet-Kabels kann das Risiko elektrischer Interferenzen durch Maschinen verringern.
• Wenn in der Fertigung drahtlose Netzwerke verwendet werden, ziehen Sie die Verwendung separater Hubs in Betracht und halten Sie das Werksnetzwerk von anderen Wi-Fi-Anwendungen getrennt. Betrachten Sie Wi-Fi 6 als obligatorisch für groß angelegte Bereitstellungen oder wenn andere Benutzer dasselbe Wi-Fi-Netzwerk teilen, und verwenden Sie die „Farb“-Funktionen von Wi-Fi 6, um die Netzwerkkapazität für kritische IoT-Flows zu vermitteln. Beachten Sie, dass Sie sowohl auf den Geräten als auch im LAN WiFi-6-Kompatibilität benötigen, um das Beste aus Wi-Fi 6 herauszuholen.
• Sicherheit ist das wichtigste Anliegen. Stellen Sie sicher, dass die Implementierung Notfallknöpfe enthält, um die Bewegung zu stoppen und Arbeiter und Ausrüstung zu schützen.

Dokumentation Ihrer IoT-Umgebung

Eine wichtige Faustregel ist, alles zu dokumentieren. Jede getroffene Entscheidung, jeder Konfigurationsparameter, jedes Softwareelement oder Gerät sollte vollständig dokumentiert, mit Updates bei Änderungen durchgeführt und regelmäßig überprüft werden, um sicherzustellen, dass nichts übersehen wurde. Wenn Sie Geräte, Verbindungen und Anwendungen nicht eindeutig dokumentieren, kann dies zu einer wahrscheinlichen Quelle zukünftiger Probleme werden, von denen einige schwerwiegend sein können.