Die Produktion von Morgen gestalten

Industrie 4.0 kann Produktivität, Safety und Security steigern

  • Prof. Frithjof Klasen, Vorstand der Profibus Nutzerorganisation, KarlsruheProf. Frithjof Klasen, Vorstand der Profibus Nutzerorganisation, Karlsruhe

Die Profibus Nutzerorganisation (PNO) setzt seit mehr als 30 Jahren Standards in der Feldbuskommunikation. Dabei geht es nicht nur darum, neue Technologien auf den Markt zu bringen, sondern Lösungen zu etablieren, die gemeinsam von vielen Anwendern und Herstellern getragen werden. CHEManager sprach mit Prof. Frithjof Klasen, Vorstand der PNO, über Ethernet-basierte Kommunikation und Industrie 4.0. Das Gespräch führte Dr. Volker Oestreich.

CHEManager: Anfang dieses Jahrtausends wurde Profinet entwickelt, zehn Jahre später entstand der Begriff Industrie 4.0. I  st das eine Ursache-Wirkung-Beziehung?

Prof. F. Klasen: Eine gängige Redensart lautet, dass ein Weg erst dadurch entsteht, dass er begangen wird. In diesem Sinne hat Profinet deutlich gezeigt, dass eine Technologie über sich hinaus wachsen und der Vorreiter für neue Wege sein kann. Als die ersten Überlegungen zu einem Ethernet-basierten Kommunikationssystem starteten, ahnte wohl keiner, dass diese Technologie 15 Jahre später der Türöffner für vollkommen neue Anwendungsfelder sein könnte. Schließlich ging es damals in erster Linie um Performance-Erweiterung in industriellen Anlagen. Mittlerweile ist die Diskussion um Industrie 4.0 voll eröffnet und der industriellen Kommunikation kommt dabei eine Schlüsselrolle zu.

Was bedeutet Industrie 4.0 für die Unternehmen der Prozessindustrie?

Prof. F. Klasen: Das Thema Industrie 4.0 lässt sich unter vielen Aspekten beleuchten, die sich vor allem durch ihren Grad an Komplexität unterscheiden. Im Kern läuft es jedoch auf eine einfache Formel hinaus: Daten plus Vernetzung führen zu einer erhöhten Produktivität, wobei es darauf ankommt, den Daten einen Sinn zu geben.

Obwohl die Aktivitäten rund um Industrie 4.0 in den einzelnen Branchen unterschiedlich fortgeschritten sind, gleichen sich die Anforderungen. Im Kern geht es darum, Messwerte so aus einer Maschine, einer Anlage oder einem Prozess zu generieren, dass sie sinnvoll weiter genutzt werden können.

Was das im Einzelnen bedeutet, zeigt der Blick auf eine simple Temperaturanzeige. So ist der Temperaturwert „72“ erst einmal nur ein roher Datenwert ohne weitere Bedeutung. Erst mit der Angabe „Grad Celsius“ bekommt er einen Sinn. Nützlich wird er, wenn eine Semantik hinzukommt, z. B. dass die Einsatzgrenze eigentlich bei 40 Grad Celsius liegt und somit der Grenzwert im Augenblick überschritten wird.

Das klingt einfach und einleuchtend. Ist es das wirklich?

Prof. F. Klasen: Je intensiver das Thema Industrie 4.0 diskutiert wird, umso selbstverständlicher wird angenommen, dass alle Anforderungen und Wünsche leicht umsetzbar sind. Um nur einige zu nennen: Zunehmende Vernetzung von Maschinen und Anlagen, der Datentransport in die Cloud, hohe Echtzeitanforderungen für IO-Daten oder neue Ansprüche an die Diagnose, Wartung und Instandhaltung. In den wenigsten Diskussionen - außerhalb der Automatisierung - wird deutlich gesagt, dass damit auch der Bandbreitenbedarf für den Ethernet-basierten Datenaustausch steigt und die Anforderungen an die industriellen Netzwerke wachsen. Ganz zu schweigen davon, dass die sich daraus ergebenen Aufgaben überaus komplex sind.

Die Komplexität sieht man beispielsweise beim Thema Asset Management. Lange Zeit unterschätzte man Aspekte, wo zum Beispiel werden welche Geräte in einer Produktion eingesetzt? Wie verwalte ich diese? Wie gehe ich mit Daten um, wenn z. B. in einem Mischer nicht nur das Gerät selbst Daten produziert, sondern mehrere Subsysteme vorhanden sind, die über keine digitale Schnittstellen verfügen? Wie können Qualitätsdaten aus diesen Subsystemen so überführt werden, dass sie auch nützlich sind? Die PNO hat sich hierzu nicht nur Gedanken gemacht, sondern bereits konkrete Lösungen entwickelt.

Wie genau sieht diese Lösung bei Profinet aus?

Prof. F. Klasen: Größere Anlagen enthalten Maschinen oder Anlagenteile, die nicht im Engineering einer zentralen Steuerung eingebunden sind. So arbeiten beispielsweise Zuführeinheiten angesteuert über einen internen, proprietären Maschinenbus dem an das Kommunikationsnetzwerk angeschlossenen Prozessgerät zu. Wenn der Anwender diese unterlagerten Geräte prüfen und verwalten will, ist es verständlich, dass er diese Geräte in einer Asset-Sicht zentral erreichen möchte, sonst ist dafür eine Vor-Ort-Begehung im wörtlichen Sinn notwendig. Die neuste Profinet-Spezifikation löst dieses Problem durch die Definition eines Asset-Management-Records. In dem Record sind Beschreibungsblöcke für jedes Gerät oder allgemeiner für jedes nicht in der Projektierung enthaltende Asset möglich. Aufgrund von Rückmeldungen der Gerätehersteller sind alternativ Text-String-Darstellungen von Firmware- und Hardware-Versionen möglich. Außerdem definiert ein Universally Unique Identifier eine eindeutige Kennzeichnung der Assets, wie auch für Industrie 4.0 gefordert.

In der Prozessindustrie sind die Anlagenlebensdauern hoch und die Gefährdungspotenziale sehr hoch. Wie richten Sie sich strategisch auf diesen Umstand ein?

Prof. F. Klasen: Die PNO setzt seit mehr als 30 Jahren Standards in der Feldbuskommunikation. Dabei geht es nicht allein darum, eine Technologie auf den Markt zu bringen, sondern eine Lösung zu etablieren, die gemeinsam von vielen Anwendern, Herstellern und Nutzerorganisationen getragen wird. Auch bei den aktuellen Aufgaben in der Prozessindustrie und bei der Etablierung von Ethernet im Feld wird mit den Anwendern intensiv zusammengearbeitet. In diesem Zusammenhang haben wir und die NAMUR im Rahmen eines Symposiums gemeinsam den Einsatz von Ethernet in der Prozessindustrie erörtert. Ziel der Veranstaltung war, Anforderungen an ein Ethernet-Kommunikationssystem für die Prozessautomatisierung zu bewerten, diese abzustimmen und zu priorisieren. Die Ergebnisse des Symposiums fließen in ein Positionspapier des NAMUR Arbeitskreises 2.6 „Feldbus“ ein, das als Basis für die Entwicklung eines digitalen Kommunikationssystems der nächsten Generation für den Einsatz in prozesstechnischen Anlagen dienen wird. Dabei werden bisherige Erfahrungen mit bestehenden Feldbussystemen sowie zukünftig geforderte Eigenschaften berücksichtigt.

Und wie behandeln Sie die Themen Safety und Security bei zukünftigen Ethernet-Netzen?

Prof. F. Klasen: Für Safety-Anforderungen haben wir seit vielen Jahren mit Profisafe eine Lösung entwickelt, die es erlaubt, Sicherheits- zusammen mit Standardnachrichten über das gleiche Buskabel zu übertragen. Mittlerweile kommen neue Gefährdungen dazu, indem Maschinen und Anlagen nicht nur untereinander, sondern auch über offene Ethernet-basierte Feldbusse mit der Außenwelt kommunizieren. Die PNO hat daher das Thema Security schon vor über zehn Jahren aufgenommen und sehr konkrete Lösungsansätze entwickelt.

Security ist ein Thema, das nie abgeschlossen ist. Daher steht unser Arbeitskreis ständig mit den Anwendern in engem Kontakt. Die positiven Reaktionen ermutigen uns, in dieser Richtung weiter zu arbeiten.

Ein langjähriger Diskussionspunkt mit den Anwendern in der Prozessindustrie ist die Feldgeräte-Integration in übergeordnete Systeme. Wie sieht es aus mit einer einheitlichen, langfristigen und akzeptierten Lösung?

Prof. F. Klasen: Mit der Entwicklung von FDI, der Field Device Integration Technologie, hat die PNO gemeinsam mit Partnerorganisationen eine zukunftsorientierte Lösung erarbeitet. Nun geht es darum, den Standard am Markt zu etablieren.

FDI wird in Zukunft nicht nur die Geräteintegration erheblich erleichtern, sondern auch in Hinsicht auf Industrie 4.0 eine besondere Rolle spielen. Bei diesen Anwendungen spielt die Frage, wie Daten im Laufe des Lebenszyklus gesammelt und wie auf sie gesichert – also rückwirkungsfrei –zugegriffen werden kann, eine große Rolle. Eine Idee ist es, diese Daten in einer Art abgesicherten Container zu sammeln. Andere Unternehmen, Maschinen und Anlagen können so rückwirkungsfrei darauf zugreifen. FDI standardisiert die Integration von Konfigurations- und Diagnosewerkzeugen der Feldgeräte in ein Plant Asset Management System. Die Vorteile in Kürze sind die standardisierte Oberfläche, der Zugriff auch auf Sonderfunktionen und dass eine Big-Data-Integration über OPC-UA möglich ist.

Das klingt jetzt nicht nur nach Industrie 4.0, sondern das ist Industrie 4.0. RAMI, das Referenzarchitekturmodel für Industrie 4.0, benennt die FDI-Technologie ausdrücklich als probates Mittel. Die Client/Server-Architektur der FDI Technologie bietet mit ihrem Geräteinformationsmodell gemäß IEC 62541-100 alle Funktionen zur Modellierung realer Geräte als virtuelle Objekte für das industrielle Internet der Dinge.

Natürlich haben die Anwender bei der Entwicklung von FDI von Anfang an eine besondere Rolle gespielt: FDI ist das gemeinsame Ergebnis einer vertrauensvollen und intensiven Arbeit von Anwendern, Herstellern und Organisationen für die industrielle Kommunikation.

Sie sind Leiter des Programm-Komitees der PI Konferenz 2017. Auch hier geht es um den intensiven Informationsaustausch zwischen Herstellern und Anwendern von Automatisierungs- und Kommunikationstechnik.

Prof. F. Klasen: Richtig; die nächste PI-Konferenz findet unter dem Leitthema „Netzwerk der Zukunft – Heute die Produktion von morgen gestalten“ am 22. und 23. März 2017 in der Commerzbank-Arena in Frankfurt statt. Auf ihr werden Technologien, Anforderungen und Lösungen für die Planung, die Entwicklung und den Betrieb von vernetzten Produktionssystemen gezeigt. Ziel der Beiträge wird sein, nicht über die Zukunft zu spekulieren, sondern anhand von konkreten Szenarien aufzuzeigen, welche Wege für die Gestaltung der „Produktion von morgen“ möglich sind.

Als Key-Note Sprecher konnte übrigens Thomas Schulz – Autor des Buches „Was Google wirklich will“ – gewonnen werden. Die Teilnehmer können einen spannenden Vortrag erwarten, in dem eine Brücke von der IT des Silicon Valley zur industriellen Automatisierung der Generation Industrie 4.0 geschlagen wird.

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Haid-und-Neu-Str. 7
76131 Karlsruhe

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