Kein Zustand, sondern ein Prozess Mit echtem Teamwork zu Industrie 4.0

Damit Hacker keine Prozesse manipulieren und auch nicht die Kontrolle übernehmen können, ist Security, die weit mehr als „nur“ die Datensicherheit umfasst, ein absolutes Muss

Bei Industrie 4.0 spielen Daten und deren Austausch über alle Verarbeitungsebenen eine Schlüsselrolle. Die Hardware ist dabei ein Enabler, aber ganz wesentliches Know-how und diverse Kernfunktionalitäten liegen auch in der Software.

Der Netzwerkanbieter Cisco prognostiziert, dass im Jahr 2020 etwa 50 Milliarden Anwendungen mit dem Internet der Dinge (IoT) verbunden sein werden. Ein Teilaspekt dieses IoT trägt den Namen Industrie 4.0. Allerdings ist Industrie 4.0 kein finaler Zustand, den es zu erreichen gilt. Industrie 4.0 ist vielmehr ein Prozess, dessen Entwicklung ständig voranschreitet.

In Deutschland beschäftigten sich zuerst die Forschungseinrichtungen mit dem Thema Industrie 4.0 - unter anderem das DFKI, das Technologiezentrum OWL und die RWTH Aachen. Der Forschungsbereich Innovative Fabriksysteme (IFS) des DFKI (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz) kreierte die Demonstrationsplattform SmartFactoryKL, während das Technologiezentrum Ostwestfalen-Lippe (OWL) unter anderem auch über 170 Unternehmen und Einrichtungen mit in das Thema Industrie 4.0 einbindet. An der RWTH Aachen forschen mehr als 20 Institute der Werkstoff- und Fertigungstechnik gemeinsam mit der Fraunhofer-Gesellschaft und namhaften Unternehmen aus der produzierenden Industrie an Grundlagen für eine nachhaltige Produktionsstrategie.
Mittlerweile sind bereits viele Unternehmen aktiv im Bereich Industrie 4.0 unterwegs, denn heutzutage gibt es quasi gar keine Alternative mehr dazu: Entweder man macht mit, oder man läuft Gefahr, mittel- bis längerfristig nicht mehr wettbewerbsfähig zu sein. Unternehmen, die sich selbst in Richtung Industrie 4.0 entwickeln, müssen zwar manchmal ihr Geschäftsmodell verändern, wären aber ohne diesen Schwenk zu Industrie 4.0 höchstwahrscheinlich schon bald nicht mehr auf dem Markt relevant.
EBV Elektronik sieht sich im Rahmen von Industrie 4.0 als Unterstützer der KMUs (kleine und mittlere Unternehmen; der Mittelstand). EBV berät und schlägt Komponenten beziehungsweise Lösungen vor, um diesen KMUs dabei zu helfen, auf den mittlerweile schon mit beachtlicher Geschwindigkeit fahrenden Zug namens Industrie 4.0 aufzuspringen. Dabei konzentriert sich EBV Elektronik auf die Unternehmen, die Komponenten für Industrie 4.0 entwickeln wollen. Im Rahmen dieses Beitrags geht es daher ausschließlich um die Entwicklung und das Design von Elementen, die für Industrie 4.0 zum Einsatz kommen, beispielsweise um das Design einer neuartigen Maschinensteuerung. Um die andere Seite von Industrie 4.0 - nämlich den Einsatz von Subsystemen wie zum Beispiel Maschinensteuerungen - soll es in diesem Zusammenhang bewusst nicht gehen, weil dies ein klassisches Thema der Fabrikautomatisierung ist.

Time-to-Market

Um die Endapplikation zeitnah und mit einem angemessenen Time-to-Market auf den Markt zu bringen, müssen sich die Entwicklungsabteilungen dabei stets darüber im Klaren sein, wo ihre Kernkompetenzen und ihr eigentliches Know-how liegen. Mittlerweile gibt es viele Hardware- und Software-Elemente sowie Entwicklungsdienstleistungen quasi von der Stange, auf denen die Applikationsentwickler dann aufbauen können. Zum rationellen Arbeiten gehört auch die intelligente Nutzung von Standardkomponenten - und zwar sowohl auf der Hardware- als auch auf der Softwareseite.
So werden beispielsweise wohl die wenigsten Entwickler auf die Idee kommen, einen Standard-(Embedded-)PC selbst zu entwickeln, weil es viel günstiger und schneller ist, einen entsprechenden Standard-PC, ein Prozessor-Board etc. als Komplettlösung einzukaufen und diesen als Basis für die eigene Applikation zu nutzen. Analoge Vorgehensweisen bieten sich auch in Bereichen wie der Hochfrequenz-Kommunikation (RF), der Security etc. an. Da meist nicht für alle Elemente die entsprechenden Ressourcen im entwickelnden Unternehmen vorhanden sind, etabliert sich die Zusammenarbeit mit den passenden Partnerunternehmen spätestens mit Industrie 4.0 zu einer alltäglichen Notwendigkeit. Mit seinem umfassenden Partnernetzwerk unterstützt EBV Elektronik seine Kunden bei der Suche nach den passenden Entwicklungspartnern.

Connectivity und Interoperabilität
auf der RF-Ebene


Industrie 4.0 ist im Prinzip verteilte Intelligenz über Konnektivität - und dafür ist drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation erforderlich. Mittlerweile gibt es diverse Standards zur drahtlosen Kommunikation, die sich mit preisgünstigen Mikrocontrollern entwickeln lässt. Auch die entsprechenden Entwicklungs-Tools sind vorhanden, und durch die bei entsprechender Controller-Auswahl oftmals äußerst niedrige Verlustleistung ist auch der Batteriebetrieb von Sensoren möglich.
Die vielen Sensoren zur Erfassung von Größen wie Druck, Temperatur, Feuchtigkeit und mechanischer Belastung können teilweise mehrere Jahre lang mit einer Batterieladung zuverlässig mit dem übergeordneten System kommunizieren. Allerdings hängt die Batterielebensdauer auch von der verwendeten Funktechnologie wie zum Beispiel Bluetooth (Low Energy), WiFi etc. ab.
Unabhängig davon, welche Funktechnologie zum Einsatz kommt, muss zunächst stets die Interoperabilität auf der Hochfrequenzseite (RF-Ebene) gewährleistet sein. Mit seinem vertikalen Segment RF ist EBV Elektronik bestens positioniert, den Entwicklern in diesem Rahmen herstellerübergreifend die passende Technologie zu empfehlen: vom Chip über die Software bis zur Antenne. Und mit den passenden Security-Technologien lässt sich bereits auf der RF-Strecke der Grundstock für ein umfangreiches Security-Konzept legen.
Immer häufiger kommt die Funkverbindung auch im Rahmen des Bedienkonzepts zum Einsatz, denn bei weitem nicht jede Maschine im Feld benötigt ein industrietaugliches Anzeigeterminal. Immer häufiger werden (Industrie-)Tablets verwendet, die bei Bedarf Verbindung mit der relevanten Einheit aufnehmen, Daten visualisieren und Eingaben ermöglichen. Die Kommunikation zwischen Maschine und Tablet erfolgt dann meist per WiFi oder Bluetooth: Eine auf dem Tablet laufende App übernimmt dabei die Funktion eines klassischen Bedienterminals. Gleichzeitig stehen der App auch die im Tablet (oder vielleicht sogar im Smartphone) integrierten Sensoren für Geschwindigkeit, Position, Beschleunigung etc. inklusive dem Kamerasensor zur Verfügung. Bei geschickter Nutzung der zur Verfügung stehenden Daten lassen sich erstaunlich innovative Bedienkonzepte realisieren. EBV Elektronik unterstützt Newcomer und Bestandskunden dabei, das passende Potenzial im Rahmen von Industrie 4.0 zu erkennen und zu nutzen - auch auf der Funkstrecke und bei der Bedieneinheit.

Vereinheitlichte Kommunikation
per TSN


EBV gibt seinen Kunden quasi bei Bedarf sämtliche Puzzleteile in die Hand, mit denen sie in der Lage sind, die passende Applikation zu entwickeln. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Kommunikation auf der Fertigungsebene in der Fabrik (Factory Floor) über den zukünftigen Kommunikationsstandard TSN (Time-Sensitive Networking).
Auf der unteren Feldebene erfolgt der Datenaustausch bisher noch über proprietäre Busse wie Profibus, Varan oder über Ethernet-Varianten wie Ethernet/IP, Ethercat, Ethernet Powerlink, Safetynet-p oder Profinet. Eine Ebene über der Feldebene, auf der Control-Ebene, versuchen die Experten, eine Standard-Kommunikation herzustellen. Da in Fabriken mehrere Maschinen parallel arbeiten, die oftmals von unterschiedlichen Lieferanten kommen, mussten diese proprietären Busse stets aufwändig über Gateways kommunizieren, um zumindest eine gewisse Art von Echtzeit-Kommunikation zu ermöglichen. Jedes einzelne Gateway ist ein zusätzlicher Aufwand, der nicht nur Geld, sondern auch Entwicklungsressourcen kostet, dabei gleichzeitig eine gewisse Verzögerungszeit in die Echtzeitkommunikation mit einbringt und auch die Komplexität des Systems erhöht. Ein solches Gateway übersetzt dann quasi von Profinet auf Ethercat und von Ethercat auf Sercos etc.
Sercos III, die dritte Generation der Sercos-Interface-Reihe nach IEC/EN 61491, ist bei der IEC (International Electric/Electrotechnical Commission) zur weltweiten Standardisierung eingereicht worden, um später Teil der internationalen Standards IEC 61800-7, IEC 61784 und IEC 61158 zu werden. Sercos wird international von über 50 Steuerungs- und über 30 Antriebsherstellern aktiv unterstützt. Die Weiterentwicklung des Standards erfolgt innerhalb der Nutzerorganisation Sercos International (SI).
Um die universelle Verwendung verschiedener Komponenten zu ermöglichen, ist ein einheitlicher Kommunikationsstandard wie TSN somit äußerst wünschenswert, zumal TSN auch eine nahtlose Kommunikation in die oberen Schichten ermöglicht, in denen die MES genannten Manufacturing Execution Systems arbeiten.
Typische Vertreter von MES sind Einheiten wie SPS (Speicherprogrammierbare Steuerungen; Englisch: PLC, Programmable Logic Control) und SCADA-Systeme (Supervision Control And Data Acquisition). TSN befindet sich derzeit in der Standardisierung durch den IEEE und kommt ursprünglich aus der Automobilindustrie.
EBV Elektronik arbeitet auf Grund der Komplexität von TSN mit Partnern zusammen, die diesen Standard mit unterstützen können. Dabei bündelt EBV für seine Kunden dann in Zusammenarbeit mit diesen Partnern auch Komponenten wie Prozessoren und Switches zusammen mit den BSPs und der erforderlichen Software. Damit sind die EBV-Kunden in der Lage, mit akzeptablem Aufwand selbst ihre TSN-kompatiblen Applikationen zu entwickeln.
Im Gegensatz zu den hohen Stückzahlen bei den großen Automobil-OEMs sind die Fertigungslose im industriellen Bereich normalerweise sehr viel kleiner, so dass eine kostengünstige Entwicklung einer TSN-Lösung ohne entsprechende Partnerschaften und Tool-Kits für die allermeisten Unternehmen gar nicht möglich wäre.