beckhoff-lösungen für industrie 4.0 und iot...industrie 4.0 und internet of things (iot) beginnen...

Industrie-4.0- und Internet-of-Things-Konzepte stellen hohe An-forderungen an die Vernetzung und Kommunikation von Gerä-ten und Diensten. Aus Sicht der klassischen Kommunikationspy-

ramide werden hierbei große Datenmengen zwischen den Senso-ren und höhergelegenen Schichten ausgetauscht. Aber auch diehorizontale Kommunikation von SPSen untereinander spielt einewichtige Rolle in jeder modernen Produktionsstätte. PC-basierteSteuerungstechnologien stellen hierfür eine essentielle Grundlagedar und sind aus heutigen Automatisierungsprojekten nicht mehrwegzudenken. Mit dem neuen Twincat IoT stellt die Engineering-und Steuerungs-Software Twincat 3 die Basistechnologie für Indus-trie-4.0-Konzepte und die IoT-Kommunikation zur Verfügung. Auchdie neuen IoT-kompatiblen Beckhoff I/O-Komponenten ermögli-chen eine einfach zu konfigurierende und nahtlose Integration inPublic- und Private-Cloud-Anwendungen.

Definition von Geschäftszielen bringt Wettbewerbsvorteil

Industrie 4.0 und Internet of Things (IoT) beginnen jedoch nicht erstbei der jeweils zu verwendenden Technologie, sondern schon vielfrüher. Bei der Implementierung von IoT-Projekten ist es von entschei-dender Bedeutung zunächst einmal die eigenen Geschäftsziele zuprüfen, d.h. den Vorteil herauszuarbeiten, den man als Unternehmenaus einem solchen Projekt gewinnen möchte. Aus Sicht eines Auto-matisierungsherstellers können hierbei sicherlich zwei unterschiedli-che Kategorien von Kunden definiert werden: der Maschinenbauerund dessen Endkunden, also der Anwender der automatisierten Ma-schinen. Gerade im Falle des produzierenden Gewerbes ist man na-türlich daran interessiert, die eigenen Produktionskosten zu senken,z.B. durch eine effiziente und zuverlässige Produktionssteuerung

Durch die zunehmende Konvergenz von IT- und Automatisierungstechnologien werden Cloud-basierteKommunikations- und Datendienste zunehmend auch in industriellen Steuerungsprojekten einge-setzt. Als Erweiterung klassischer Steuerungsaufgaben ermöglichen Anwendungen wie Big Data, Datamining und Condition- oder Power-Monitoring überlegene, zukunftsweisende Automatisierungs-lösungen. Für eine möglichst einfache Umsetzung sorgen die neuen Produkte von Beckhoff für Indus-trie 4.0 und IoT.

Einfach, offen und standardisiert

Bild: Beckhoff Autom

ation GmbH & Co. KG

Twincat IoT und Cloud-Buskoppler

Beckhoff-Lösungen fürIndustrie 4.0 und IoT

Industrie 4.0 im Beckhoff-System56

SPS-MAGAZIN 5 | 2016

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oder ggf. auch durch die Reduzierung vonproduzierter Ausschussware. Der klassischeMaschinenbauer verfolgt ganz ähnliche Zieleund ist zunächst einmal daran interessiertseine Maschine bei gleichbleibender odersogar steigender Qualität günstiger herzu-stellen. Dabei können natürlich auch The-men wie die Optimierung des Energiever-brauchs und der Produktionszyklen einerMaschine oder auch eine vorausschauendeWartung und Fehlerdiagnose im Vorder-grund stehen. Gerade die letzten beidenPunkte bieten dem Maschinenbauer einegute Grundlage zur Etablierung von Dienst-leistungen, die sich als zusätzliches Ge-schäftsmodell dem Endkunden anbieten las-sen. Letzten Endes geht es bei beiden Kun-

denkategorien natürlich darum, die Ma-schine bzw. das eigene Produkt attraktiverzu gestalten und die Wettbewerbsfähigkeitam Markt zu erhöhen.

Sammlung, Aggregation undAnalyse von Prozessdaten

Eine gute Grundlage zur Schaffung eines sol-chen Mehrwerts und zum Erreichen solcherGeschäftsziele bieten die im Produktionspro-zess verwendeten Prozessdaten. Hierzu zäh-len die vom Sensor aufgenommenen unddann über einen Feldbus in die SPS übertra-genen Werte einer Maschine. Diese Datenkönnen zur Zustandsüberwachung einer An-lage mit Hilfe der in die Steuerungs-Software

Twincat 3 integrierten Twincat-Condition-Monitoring-Bibliotheken direkt auf derSteuerung analysiert werden, wodurch sichStillstandszeiten und Wartungskosten redu-zieren lassen. In Produktionsbereichen mitmehreren verteilten Steuerungen ist eineAnalyse der Daten einer einzelnen Steuerungjedoch nicht immer ausreichend. Oftmals be-nötigt man die aggregierten Daten von meh-reren oder gar allen Steuerungen einer Pro-duktionsanlage oder eines bestimmten Ma-schinentyps, um eine Datenanalyse vorneh-men und eine analytische Aussage über dasGesamtsystem treffen zu können. Dafür wirdjedoch die entsprechende IT-Infrastruktur be-nötigt. Bisherige Implementierungen sahenhier den Einsatz eines zentralen Serversys-tems vor, das im Maschinen- oder Unterneh-mensnetzwerk etabliert und mit einem Da-tenspeicher, oftmals in Form eines Daten-banksystems, ausgestattet wurde. Eine Ana-lyse-Software konnte dann direkt auf die ag-gregierten Daten in der Datenbank zugreifenund entsprechende Auswertungen durch-führen. Obwohl eine solche Vorgehensweisezur Realisierung einer Datenaggregation und-analyse in der Produktionsstätte sicherlichgut funktionierte, stellten sich jedoch gleichmehrere Probleme ein: Denn die notwendigeIT-Infrastruktur musste zunächst einmal zurVerfügung gestellt werden. Dass hierbeihohe Hard- und Software-Kosten für dasentsprechende Serversystem entstehen, ist si-cherlich sofort einsehbar. Aber auch der per-sonelle Aspekt ist nicht zu vernachlässigen.

Analyse auf der Steuerung oder dem Server

Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

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Durch eine steigende Komplexität bei der Vernetzung der Produkti-onsanlagen, gerade bei vielen verteilten Produktionsstandorten, be-nötigt man auch das entsprechende Personal, das eine Implementie-rung überhaupt durchführen kann. Erschwerend kommt hinzu, dassdie Skalierbarkeit einer solchen Lösung sehr gering ist. Schließlichsind irgendwann die physikalischen Grenzen des Serversystems er-reicht, sei es die zur Verfügung stehende Menge an Speicher oderauch die für Analysen notwendige CPU-Leistung bzw. Arbeitsspei-chergröße. Bei erforderlichen Anlagenerweiterungen um neue Ma-schinen bzw. Steuerungen hatte dies häufig größere, manuelle Um-bauarbeiten zur Folge. Schließlich musste das zentrale Serversystemmitwachsen, um das zusätzliche Datenaufkommen handhaben undverarbeiten zu können.

Der Weg in die Public Cloud

Cloud-basierte Kommunikations- und Datendienste versuchen nundie genannten Nachteile zu vermeiden, indem sie dem Anwendereine abstrahierte Sichtweise auf die zugrunde liegenden Hard- undSoftware-Systeme zur Verfügung stellen. Abstrahiert bedeutet hier-bei, dass ein Anwender sich bei der Nutzung eines Dienstes keinerleiGedanken um das jeweilige Serversystem machen muss. Er musssich lediglich um die jeweilige Dienste-Nutzung kümmern. SämtlicheWartungs- und Pflegearbeiten der IT-Infrastruktur werden seitens desAnbieters eines Cloud-Systems durchgeführt. Solche Cloud-Systemelassen sich in die Begriffe Public und Private Cloud unterteilen. Diesogenannten Public Cloud Service Provider, wie z.B. Microsoft Azureoder Amazon Web Services (AWS), stellen dem Anwender diverseDienste aus den eigenen Rechenzentren zur Verfügung. Dies be-ginnt bei virtuellen Maschinen, in denen der Anwender selbst dieKontrolle über das Betriebssystem und die darauf installierten An-wendungen hat, und reicht bis hin zu abstrahierten Kommunikati-ons- und Datendiensten, die vom Nutzer in eine Applikation inte-griert werden können. Letztere beinhalten z.B. auch den Zugriff aufMachine-Learning-Algorithmen, die auf Basis bestimmter Maschi-nen- und Produktionsinformationen Voraussagen und Klassifizierun-gen hinsichtlich gewisser Datenzustände treffen können. Die not-wendigen Inhalte hierfür erhalten die Algorithmen mit Hilfe der

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Kommunikationsdienste. Solche Kommunikationsdienste basierenüblicherweise auf Kommunikationsprotokollen, die auf dem Pu-blish/Subscriber-Prinzip basieren. Dies bringt durch eine hierdurchentstehende Entkopplung aller miteinander kommunizierenden Ap-plikationen durchaus Vorteile mit sich. Zum einen müssen sich alleKommunikationsteilnehmer nicht mehr untereinander kennen, d.h.eine ggf. aufwendige Bekanntgabe von Adressinformationen wirdreduziert. Alle Applikationen kommunizieren über den zentralenCloud-Dienst. Zum anderen handelt es sich bei der Datenkommuni-kation mit dem Cloud-Dienst, dem sogenannten Message Broker,aus Sicht des Endgeräts um eine rein ausgehende Kommunikations-verbindung − egal ob Daten gesendet (Publish) oder empfangen(Subscribe) werden. Die sich dadurch ergebenden Vorteile bei derKonfiguration der IT-Infrastruktur sind offensichtlich: Es müssen kei-nerlei eingehende Kommunikationsverbindungen konfiguriert wer-den, z.B. in Firewalls oder anderen Netzwerkendgeräten. Dies redu-ziert die Einrichtungs- und Wartungskosten seitens der IT-Infrastruk-tur erheblich. Bei den für die Datenkommunikation verwendetenTransportprotokollen handelt es sich um sehr schlanke und standar-disierte Protokolle, wie z.B. MQTT und AMQP. Zudem sind hierinauch diverse Sicherheitsmechanismen verankert, z.B. die Verschlüs-selung der Datenkommunikation und die Authentifizierung gegenden Nachrichten-Broker. Das standardisierte Kommunikationsproto-koll OPC UA hat den Mehrwert eines Publish/Subscribe-basiertenKommunikationsszenarios ebenfalls erkannt und entsprechendeSchritte eingeleitet, um dieses Kommunikationsprinzip in die Spezi-fikation zu integrieren. Somit wird zusätzlich zu MQTT und AMQPein weiterer Standard als Transportmechanismus bis in die Cloud zurVerfügung stehen.

Die Private Cloud

Solche Publish/Subscribe-Mechanismen lassen sich jedoch nicht nurin Public-Cloud-Systemen, sondern auch im Unternehmens- oderMaschinennetzwerk nutzbar machen. Im Falle von MQTT undAMQP kann die hierfür benötigte Infrastruktur in Form eines soge-

Publish/Subscribe-Kommunikation im Maschinennetzwerk


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Analytics und Machine Learning

Sind die Daten erst einmal an einen Public-oder Private-Cloud-Dienst verschickt wor-den, so stellt sich als nächstes die Frage, inwelcher Art und Weise man die Daten nunweiterverarbeitet. Wie bereits erwähnt gibtes bei vielen Public-Cloud-Anbietern diverseAnalytics- und Machine-Learning-Dienste,die für eine Weiterverarbeitung der Prozess-daten verwendet werden können. Beckhoffverfügt auch über eine eigene Analytics-Plattform, namens Twincat Analytics. Siestellt einschlägige Mechanismen zur Daten-analyse bereit, wobei alle prozessrelevantenDaten einer Maschine zyklusgenau erfasstwerden. Dadurch entsteht eine vollständigeMitschrift der kompletten Maschinenab-läufe. Je nach Bedarf können diese Datendann entweder lokal auf dem Maschinen-rechner oder innerhalb einer Public- oderPrivate-Cloud-Lösung gesammelt und aus-gewertet werden. Twincat Analytics ver-wendet Twincat IoT zur Anbindung an dieCloud-Lösungen, sodass eine nahtlose Da-tenkommunikation gegeben ist. Insgesamtergeben sich für den Maschinenbauer unddessen Endkunden hierdurch viele neueGeschäftsideen und -modelle.

Fazit

Industrie 4.0 und IoT sind in aller Munde.Zur Realisierung von neuen Geschäftsmo-dellen benötigt man ebenso innovativeAnforderungen an die zugrunde liegendeInfrastruktur, was die Verschmelzung vonIT- und Automatisierungsebene weiter vo-rantreibt. Cloud-basierte Datendienstekönnen bei der Umsetzung solcher Auto-matisierungsprojekte helfen. Sie ersparendem Maschinenbauer oder Endkundendas Zurverfügungstellen von entsprechen-dem IT-Know-how. Beckhoff stellt seinenKunden mit Twincat IoT sowie demCloud-Buskoppler EK9160 zwei Produkt-reihen zur Verfügung, um solche Cloud-basierten Datendienste schnell und ein-fach in das Steuerungsprojekt integrierenzu können. Durch die zusätzliche Verwen-dung von Twincat Analytics lassen sichsolche Projekte durch eine mächtige Ana-lyse-Plattform, welche die aufgezeichne-ten Prozessdaten auswertet, abrunden.�

Prozessdaten lassen sich auf einfache Artund Weise über einen grafischen Konfigura-tor selektieren und für den Transfer an einenbestimmten Dienst konfigurieren. Ein großerVorteil hierbei ist, dass der Data Agent auchdie Integration von Cloud-basierten Diens-ten in ältere, bereits existierende Twincat-Anlagen ermöglicht. Weiterhin kann dasAuslesen der Prozessdaten hierbei auch überdas standardisierte Kommunikationsproto-koll OPC UA erfolgen, sodass Daten vonNicht-Beckhoff-Systemen ebenfalls verwen-det werden können. Eine zusätzlich erhältli-che Smartphone App ermöglicht die mobileAnzeige von Alarm- und Statusmeldungeneiner Maschine. Geht es um die direkte Wei-terleitung von I/O-Signalen ohne Steue-rungsprogramm, so lassen sich über den IoT-Buskoppler EK9160 von Beckhoff die I/O-Daten über eine einfach zu konfigurierendeWebsite auf dem Gerät für den Versand aneinen Cloud-Dienst parametrieren. Der Bus -koppler übernimmt dann eigenständig denVersand der digitalen oder analogen I/O-Werte an den Cloud-Dienst. Eine IoT-Kopp-lerstation besteht hierbei aus einem EK9160und einer nahezu beliebigen Anzahl an leis-tungsfähigen und schnellen Ethercat-Klem-men. Die an den Cloud-Dienst wahlweiseauch verschlüsselt übertragenen Daten wer-den in einem anwenderfreundlichen undstandardisierten JSON-Format versendet. Er-weiterte Mechanismen, wie ein lokales Buf-fering der I/O-Daten im Falle einer unterbro-chenen Internetverbindung, stehen hierbeigenauso zur Verfügung wie das Monitoringvon angeschlossenen Feldbussen. Somitkönnen die I/O-Signale nicht nur über Ether-cat, sondern z.B. auch über CANopen oderProfibus eingesammelt werden.

nannten Message Brokers ganz einfach aufeinem beliebigen PC installiert und zur Ver-fügung gestellt werden. Dadurch lassen sichsowohl M2M-Szenarien als auch die Anbin-dung von beliebigen Endgeräten, wie z.B.Smartphones, an die Steuerung realisieren.Außerdem wird der Zugriff auf diese Gerätedurch Firewall-Systeme weiter abgesichert.Auch die Erweiterungen der OPC-UA-Spezi-fikation hinsichtlich Publish/Subscribe verein-fachen zukünftig die Konfiguration und Nut-zung von 1:N-Kommunikationsszenarien in-nerhalb eines Maschinennetzwerkes.

Produkte für Industrie 4.0 und IoT

Beckhoff stellt dem Anwender diverse Kom-ponenten für eine einfache und standardi-sierte Integration in Cloud-basierte Kommu-nikations- und Datendienste zur Verfügung.Die IoT-Produkte innerhalb der Automatisie-rungs-Software Twincat 3 bieten diverseFunktionalitäten, um Prozessdaten überstandardisierte Publish/Subscribe-basierteKommunikationsprotokolle auszutauschenund auf spezielle Daten- und Kommunikati-onsdienste von Public Cloud Service Provi-dern zuzugreifen. Entsprechende Dienstekönnen in Public-Cloud-Systemen, wie Mi-crosoft Azure oder Amazon Web Services(AWS) gehostet werden, aber ebenso gut inPrivate-Cloud-Systemen zum Einsatz kom-men. Der Zugriff auf diese IoT-Funktionenkann wahlweise über spezielle Funktions-bausteine direkt aus dem Steuerungspro-gramm heraus erfolgen oder über eine‘Twincat IoT Data Agent’ genannte Applika-tion außerhalb des Steuerungsprogrammskonfiguriert werden. Die zu übermittelnden


ation GmbH & Co. KG

Autor: Sven Goldstein, Produktmanager Twincat,Beckhoff Automationwww.beckhoff.de/twincat-iot

Twincat IoT Data Agent als konfigurierbare und einfach zu nutzende Cloud-Anbindung inklusiveOPC UA


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