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Praxisbeispiel: Fertigung bei Harting Edge-Computer reduziert Datenübertragungskosten

| Autor / Redakteur: Lars Hohmuth* / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Industrie 4.0 ist mancherorts schon weit in die Produktion vorgedrungen. Wie man hier Daten schon vor Ort verarbeiten und damit Verbindungskosten zu 95 Prozent einsparen kann, zeigt das Beispiel eines Automatisierungsunternehmens, das eine vorhandene Fertigungsmaschine entsprechend umgebaut hat.

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Eine Spritzgussmaschine mit Steuerung „Mica“ (rechts im Bild) in einem Harting-Werk.
Eine Spritzgussmaschine mit Steuerung „Mica“ (rechts im Bild) in einem Harting-Werk.
(Bild: Harting)

Um die Maschinendaten auch andernorts nutzen zu können, werden die Daten oft wireless an nachgeschaltete Systeme übertragen. Doch nicht alle Daten müssen kostenintensiv weitergereicht werden. Eine schlaue Elektronik kann dabei helfen, Geld zu sparen.

So lässt sich mithilfe der Ministeuerung „Mica“ dank Erweiterungsplatine die Drahtlosfunktionalität auch nachrüsten und in Kombination entsteht eine hochflexible Lösung zur Da­tenerfassung und -kommunikation ohne die Notwendigkeit, Verkabelungen durchzuführen. Beispielsweise können mit einer Funktionsplatine „Modbus/S0“ Daten von Stromzählern und Stromwandlern ausgelesen, verdichtet und an ein Manufacturing-Execution-System (MES) und an ein Enterprise-Resource- Planning-(ERP-)System weitergeleitet werden.

Durch Datenvorverarbeitung werden 95 Prozent der Verbindungskosten eingespart

Durch die Integration der Opensource-Zeitreihen-Datenbank „Influx-DB“ und der Dashboard-Software „Gra­fana“ können Auswertungen und Visualisierung auch direkt auf der Mica erfolgen. Wird diese Funktionsplatine in die Mica Wireless eingesetzt, können diese Daten über das GSM-Netz (Global System for Mobile Communications) an ein beliebiges übergeordnetes System – beispielsweise „IBM-Bluemix“ oder „Micorosoft-Azure“-Cloud – weitergegeben werden.

Durch die Möglichkeit, Daten direkt auf der Mica zu verarbeiten, können so über 95 Prozent der Verbindungskosten eingespart werden, indem nur die wirklich prozess- und geschäftsrelevanten Daten weitergegeben werden. So bleibt Big Data überschaubar; die Mica trennt die Spreu vom Weizen. Im Normalbetrieb ist es unnötig – und eine Verschwendung von Zeit und Ressourcen –, sämtliche Betriebsdaten in der Cloud zu speichern.

Wenn eine Anlage ständig mit 38 Grad Betriebstemperatur läuft, muss dieser Wert nicht von 20 Sensoren alle 2 Sekunden in die MES-Datenbank geschickt werden. Aber jede Abweichung sollte einen – gegebenenfalls ausschließlich lokalen – Alarm auslösen und geloggt werden. Durch die im Vergleich zu IoT-Gateways um ein Vielfaches höhere Rechen- und Speicherleistung hilft die Mica auch, ältere Geräte und Maschinen mit neuen Schnittstellen auszustatten und Anlagen mit der Digitalisierung zu verzahnen, dabei aber die Datenmengen, die über das Datennetz ausgetauscht werden müssen, so gering wie möglich zu halten. Damit ist ein kosteneffizientes Einbinden von Bestandsanlagen in IoT- oder Industrie-4.0-Systeme möglich.

Spritzgussmaschinen wurden für Industrie 4.0 fit gemacht

Als einer der weltweit führenden Hersteller von Industriesteckverbindern hat Harting einen großen Park von Spritzgussmaschinen unterschiedlichsten Alters, die alle noch in bester Qualität produzieren. Um diese für Industrie 4.0 fit zu machen und einheitlich an ERP-Systeme und an MES anzubinden, entwickelte man dort einen hochflexiblen Baukasten zur Da­tenerfassung und -transkription und realisiert mit eine Mica-Verwaltungsschale neue Kommunikationsmöglichkeiten für ältere Spritzgussmaschinen (von 2000 bis 2014) am Hauptstandort von Harting.

Dazu wird beispielsweise das alte Protokoll Euromap15, das die Maschine versteht, in modernen JSON-Nachrichten über MQTT (Message Queue Telemetry Transport) publiziert. Damit können:

  • Betriebsparameter online ausgelesen werden,
  • Produktionspläne online auf die Maschine geladen werden,
  • alle Daten kontinuierlich erfasst sowie gespeichert werden.

Sie stehen dann für verschiedenste Nutzungen zur Verfügung, beispielsweise:

  • als Basis für zukünftiges Predictive Maintenance,
  • zur Optimierung des Produktionsprozesses (zum Beispiel bezüglich des Energieverbrauchs),
  • zur Optimierung der Produkte via Korrelation Produktgüte (Produktionsparameter der Maschinen).

Steuerungsdaten werden drahtlos an die Maschine übertragen

So können mit der Mica Wireless Steuerungsdaten und Einstellberichte drahtlos und ohne Verkabelung und Netzwerktunnel über beliebige Distanzen erfasst beziehungsweise eingespielt werden. Die Übertragung der Einstellberichte erfolgt über das Datennetz direkt aus dem Büro heraus auf die Maschine, anstatt wie bisher per USB-Stick. Das spart Zeit, vermeidet Fehler, indem sichergestellt werden kann, dass nur autorisierte Mitarbeiter die richtigen Einstelldaten auf die richtige Maschine laden. Es ist auditkonform und vermeidet viel Papierkrieg zur Prozessdokumentation.

Hierbei übersetzt eine Mica-Applikation zwischen dem Euromap15-Protokoll der Maschinen und OPC- UA-Applikationen (Object Linking and Embedded for Process Control, Unified Architecture). Ferner bietet die Mica-Euromap15-Applikation die Möglichkeit, kontinuierlich auf alle in der Maschine bekannten Größen zuzugreifen. Durch das modulare Design der Applikation und der Mica können auch ganz einfach weitere Datenquellen (Energiedaten, ERP) integriert werden.

Euromap15 ist ein eher schlichtes Protokoll, das den Austausch von Informationen zwischen einer Maschine und einem Leitrechner spezifiziert. Dazu sind verschiedene Telegramme definiert (Abfrage des Produktionsstatus, Übermittlung von Einstelldaten), die als Byte-Sequenzen ausgetauscht werden. Mica implementiert das gesamte Protokoll und nimmt die En- und Decodierung der Telegramme vor.

Erstellung eines Workflows im Node-RED-Editor.
Erstellung eines Workflows im Node-RED-Editor.
(Bild: Harting)

Die als Byte-Sequenzen eingehenden Telegramme der Maschine werden in natürlich-sprachliche JSON-Objekte transformiert und somit für Kommunikationssysteme wie MQTT oder OPC-UA verfügbar gemacht. In der anderen Richtung übernimmt die Mica die Wandlung zurück in Byte-Sequenzen und kommuniziert protokollkonform mit der Maschine.

Die „Euromap15“-Transkription ist im Kern ein Programm vom Typ Node.js (serverseitiges Javascript). Zum eigentlichen Programm hat Harting einen sogenannten Node-RED-Knoten gebaut, sodass Informationsflüsse interaktiv per GUI modelliert werden können. Node-RED ist ein Projekt von IBM, das es ermöglicht, Datenquellen wie Sensoren oder eine SPS mit Datensenken wie Datenbanken, ERP-, MES- oder Cloud-Systemen zu verbinden und die Daten unterwegs noch zu transformieren, zu filtern, oder zu kondensieren.

Hinzufügen neuer Protokolle ist innerhalb weniger Minuten möglich

Die Mica-Euromap15-Applikation ermöglicht auch die Übertragung der Einstellberichte über das Datennetz direkt aus dem Büro heraus auf die Maschine, anstatt wie bisher per USB-Stick. Auch das spart Zeit und vermeidet Fehler, indem sichergestellt werden kann, dass nur autorisierte Mitarbeiter die richtigen Einstelldaten auf die richtige Maschine laden, ist auditkonform und vermeidet viel Papierkrieg zur Prozessdokumentation.

Ferner bietet die Mica-Euromap15-Applikation die Möglichkeit, kontinuierlich auf alle in der Maschine bekannten Größen zuzugreifen. Auch können durch das modulare Design der Applikation und der Mica einfach weitere Datenquellen (Energiedaten, ERP) integriert werden.

Dank der modularen Software-Architektur der Mica können die einzelnen Komponenten wie das Einlesen der Daten, die Transkription, und die Weitergabe in separaten LXC-(Linux-)Containern isoliert und wie Legosteine nach Bedarf einfach ausgetauscht werden. So erfordert ein Wechsel von Euromap15 auf „Euromap63“ oder von MQTT auf den Kommunikationsstandard OPC-UA nur das Ersetzen der entsprechenden Container. Auch das Hinzufügen neuer Protokolle ist durch Installation neuer Container innerhalb weniger Minuten – selbst im laufenden Betrieb – möglich.

Weitere Anwendung bei Energie-Erzeugungsanlagen

Zur Anwendung kommt dieses Konzept beispielsweise auch bei der Digitalisierung dezentraler Energieerzeugungsanlagen. Im exemplarischen Anwendungsfall wurde zur Überwachung eines Klein-Blockheizkraftwerks eine Mica mit Modbus-RTU-Anschluss installiert und in ein vorhandenes LAN eingebunden. Die Betriebsparameter der Anlage können dann vollkommen autark lokal aufgezeichnet, ausgewertet und in einem Dashboard visualisiert werden. Nur bei Grenzwertüberschreitungen zuvor festgelegter Referenzwerte erfolgt dann noch eine Kommunikation über externe Netzwerke, indem zum Beispiel Alarme ausgelöst werden.

Lars Hohmuth ist Productmanager Industrial Computing bei der Harting-Technologiegruppe.
Lars Hohmuth ist Productmanager Industrial Computing bei der Harting-Technologiegruppe.
(Bild: Harting)

Die Daten werden mit lernfähigen Algorithmen analysiert

Die Integration weiterer Sensoren vervollkommnet das Datenmodell, ermöglicht die Überwachung peripherer Komponenten und verhilft zu einem tieferen Systemverständnis. Beispielsweise können über den sekundärseitigen Differenzdruck beziehungsweise Änderungen in der thermischen Leistung Aussagen über den Zustand eines angeschlossenen Plattenwärmetauschers gewonnen werden. Dazu werden die Daten mit lernfähigen Algorithmen analysiert, Kenngrößen wie Grädigkeit oder Wärmestrom berechnet sowie Trends und Abweichungen vom Sollwert ermittelt, um aus den gewonnen Daten neue Erkenntnisse zu erlagen und sie so letztlich in Wissen zu transformieren.

Hinweis:Der Artikel erschien im Original inMaschinen Markt“.

* Lars Hohmuth ist Productmanager Industrial Computing bei der Harting-Technologiegruppe in Espelkamp

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