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Steuerungen: Controller für das IIOT

National Instruments stellt jetzt eine Familie von Industrie-Controllern vor, die für den Einsatz an 'Smart Machines' und in intelligenten Systemen für das industrielle Internet der Dinge prädestiniert sein soll. Welche Philosophie und Strategie hinter der Produkt-­Familie steckt, erläutert Rahman Jamal, Global Technology & ­Marketing Director.

Rahman Jamal, NI Bildquelle: © National Instruments
"Der Umbruch in der Steuerungstechnik findet gerade statt!", so Rahman Jamal von Nationanal Instruments.

Herr Jamal, Ihre neuen Industrie-Controller bezeichnen Sie gerne als Smart Edge Controller. Worin unterscheidet sich diese Geräte-Klasse von ganz herkömmlichen Industrie-Steuerungen?
Jamal: Bei dem Internet of Things geht es tatsächlich um das nächste große 'Ding' – auch in der Fertigungstechnik! Es wird aus tausenden von Sensoren mit noch nie dagewesener Embedded-Intelligenz bestehen, die riesige Mengen an Big Analog Data erfassen und über extrem schnelle drahtlose Netzwerke übertragen.  Auch in der Fertigung wird letztlich sehr essenziell sein, die richtige Information zur richtigen Zeit zur Verfügung zu haben, um die richtige Entscheidung treffen zu können.

Deshalb müssen die Controller zukünftig mehr können, als nur Steuerungsaufgaben zu erledigen. Die sich stets weiterentwickelnden Anforderungen des IIoT erfordern Controller, die enorme Rechenleistung, Kommunikationsmöglichkeiten und präzise Regelung in sich vereinen – wie eben unsere neuen Industrie-Controller. Diese ermöglichen eine leistungsstarke Datenverarbeitung durch aktuelle kommerzielle Technologien wie die Intel-Core-i7-Dualcore-Prozessoren, zum anderen verfügen sie über einen anwenderprogrammierbaren FPGA, sind daher anpassbar und somit auch für künftige Anforderungen gewappnet.

Wie schnell wird diese Geräte-Klasse in die Fertigungshallen einziehen?
Natürlich geschieht so etwas nicht von heute auf morgen, aber wir sehen bereits den Bedarf an solchen Systemen mit Smart-Edge-Architektur für die Fertigungshalle. Ein Umbruch in der Steuerungstechnik findet gerade schon statt, da der Anteil der Steuerungsaufgaben solcher Controller geringer wird und sich mehr Richtung Smart-Edge-Messtechnik entwickeln wird – sei es die Bildverarbeitung oder die Datenauswertung direkt am 'Edge' selbst.

Das Daten-Handling wird in einer solchen Struktur eine enorme Rolle spielen – was bedeutet insbesondere die notwendige Datendurchgängigkeit bis hoch in die Cloud für zukünftige Kommunikations-Konzepte in der Fabrik?
Existierende IT-Netzwerke werden von IEEE-802-Standards definiert, die Anforderungen an verschiedene Ethernet-Schichten und -Funktionen festlegen und die Interoperabilität unterschiedlicher Geräte sicherstellen. Inzwischen arbeiten Industriezulieferer, IT-Dienstleister und Chiphersteller innerhalb des von IEEE 802 vorgegebenen Rahmens und der kürzlich gebildeten AVnu Alliance zusammen, um Standard-Ethernet-Protokolle zu aktualisieren und eine begrenzte Datenübertragung mit geringer Latenz für zeitkritische Daten in IIoT-Anwendungen bereitzustellen.

Dieser Standard der nächsten Generation namens Time-Sensitive Networking oder kurz TSN geht Schwachstellen vorhandener Netzwerke an. Die AVnu Alliance, der Unternehmen wie Broadcom, Cisco, Intel und NI angehören, wird die Gestaltung eines interoperablen Ökosystems durch Zertifizierung vorantreiben, ganz ähnlich wie die ­Wi-Fi Alliance zertifiziert, dass Produkte und Geräte mit dem Standard IEEE 802.11 konform sind.

Welche Vorteile gerade gegenüber den heute verwendeten ethernetbasierten Feldbussen sehen Sie durch den neuen TSN-Standard?
Es sind eigentlich vier zen­trale Punkte: Erstens die Bandbreite – große Datensätze hochentwickelter Sensoranwendungen wie der industriellen Bildverarbeitung, dem 3-D-Scannen und Leistungsanalysen können die Netzwerk-Bandbreite belasten. Proprietäre Ethernet-Derivate, die heutzutage häufig für die industrielle Steuerung und Regelung verwendet werden, sind auf eine Bandbreite von 100 MB und Halbduplex-Kommunikation beschränkt. TSN hingegen wird gängige Ethernet-Raten abdecken und die Vollduplex-Kommunikation unterstützen.

Zweitens die Security – Datentechnische Sicherheit wird bei den meisten der heute verwendeten maschinennahen Feldbusse durch Air Gap und Security through Obscurity erreicht. Sie werden von der Automobilindustrie mitgeprägt, bei der Air Gaps und geschlossene CAN-Netzwerke zur Übertragung aller Steuerungs- und Betriebsdaten eingesetzt werden. Neueste Sicherheitslücken – security breaches–  haben allerdings gezeigt, dass Sicherheit auch vollständig auf die kritische maschinennahe Steuerungs- und Regelungsinfrastruktur ausgeweitet werden muss. TSN schützt die Übertragung kritischer Steuerungs- und Regelungsdaten und deckt führende IT-Sicherheitsbestimmungen ab. Segmentierung, Leistungsschutz und zeitliche Zusammensetzbarkeit können das Sicherheits-Framework um mehrere Abwehrebenen erweitern.

Drittens die Interoperabilität – da TSN gängige Ethernet-Komponenten verwendet, kann es nahtlos in vorhandene Brown-Field-Anwendungen und den üblichen IT-Verkehr integriert werden und somit die Bedienfreundlichkeit verbessern. TSN übernimmt etliche Charakteristika von Ethernet, zum Beispiel HTTP-Schnittstellen und Webdienste, welche die für IIoT-Systeme üblichen Ferndiagnosen, Visualisierungen und Reparaturfunktionen ermöglichen. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die genutzten Standard-Ethernet-Chipsätze in Großserien gefertigte, kommerzielle Chips beinhalten, was wiederum für gesenkte Komponentenkosten sorgt.

Und viertens Latenz und Synchronisa­tion – TSN priorisiert die Kommunikation mit geringer Latenz, die für Anwendungen mit schneller Systemantwort und Regelungsapplikationen erforderlich ist. Es ermöglicht deterministische Übertragungszeiten im zweistelligen Mikrosekundenbereich und eine Zeitsynchronisation zwischen Knoten bis hinunter in den zweistelligen Nano­sekundenbereich. Damit dieser zeit­kritische Datenverkehr zuverlässig erfolgen kann, bietet TSN automatisierte Kon­figurationen für äußerst zuverlässige Datenpfade, bei denen Pakete dupliziert und zusammengeführt werden, was eine verlustlose Pfadredundanz ­ermöglicht.

In Zukunft wird wohl ein Teil der Daten im Feld – in den Edge Controllern – und ein Teil übergeordnet in der Cloud verarbeitet werden. Sehen Sie die Anwender für diese IT-technologische Herausforderung schon gewappnet? Inwiefern stehen Sie als Technologie-Lieferant den Anwendern diesbezüglich bei?
Es gibt Early Adopters, die das Thema derzeit intensiv angehen. Wir unterstützen solche Anwender bei der Umsetzung dieser Herausforderung. Das entsprechende Know-how hierzu erarbeiten wir uns durch die aktive Mitarbeit in verschiedenen Initiativen wie etwa dem Arbeitskreis 'Sensorik in der Produktion im Kontext von Industrie 4.0' des Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquiums sowie unterschiedlicher Konsortien wie etwa der AvNU Alliance oder dem Industrial Internet Consortium – kurz IIC.