Beckhoff TwinCAT IoT: Einfach, offen und standardisiert

Kommunikationspyramide. (alle Bilder: Beckhoff)

Industrie 4.0 und das Internet of Things (IoT) stellen hohe Anforderungen an die Vernetzung von Geräten und Diensten. Zwischen den Sensoren und höher gelegenen Schichten der Kommunikationspyramide werden große Datenmengen ausgetauscht. Zusätzlich spielt in modernen Produktionsstätten die horizontale Kommunikation zwischen Steuerungen eine Rolle. PC-basierte Steuerungstechnologien bieten dafür die Grundlage. „Mit TwinCAT IoT stellt die Engineering- und Steuerungssoftware TwinCAT 3 die optimale Basistechnologie für Industrie-4.0-Konzepte und die IoT-Kommunikation zur Verfügung“, sagt Sven Goldstein, Produktmanager TwinCAT bei Beckhoff Automation. „Auch die neuen IoT-kompatiblen Beckhoff I/O-Komponenten ermöglichen eine einfach zu konfigurierende und nahtlose Integration in Public- und Private-Cloud-Anwendungen.“

TwinCAT IoT erlaubt eine Analyse auf der Steuerung oder dem Server.

Geschäftsziele zur Steigerung des Wettbewerbsvorteils

Industrie 4.0 und IoT beginnen nicht erst bei der Technologie. Bei der Implementierung von IoT-Projekten sind zunächst die eigenen Geschäftsziele zu prüfen und der angestrebte Vorteil herauszuarbeiten. Das gilt aus Sicht eines Automatisierungsherstellers sowohl für Maschinenbauer als auch für die Endkunden als Anwender der automatisierten Maschinen.

Das produzierende Gewerbe möchte durch effiziente und zuverlässige Steuerung oder durch Reduktion von Ausschuss die Produktionskosten senken. „Maschinenbauer sind bestrebt, ihre Maschinen bei gleichbleibender oder steigender Qualität günstiger herzustellen. Das kann Themen wie Optimierung von Produktionszyklen und Energieeffizienz oder Diagnose und vorausschauende Wartung in den Vordergrund rücken“, ist Sven Goldstein überzeugt. „Besonders diese Punkte bieten Maschinenbauern eine gute Grundlage zum Etablieren von Dienstleistungen als zusätzliches Geschäftsmodell.“

Publish/Subscribe-Kommunikation bei Public-Cloud-Diensten.

Sammlung, Aggregation und Analyse von Prozessdaten

Prozessdaten bilden die Grundlage zum Erreichen solcher Geschäftsziele. Viele davon werden von Sensoren aufgenommenen und über einen Feldbus in die SPS übertragen. „Direkt auf der Steuerung können diese Daten mit Hilfe der in die Steuerungssoftware TwinCAT 3 integrierten TwinCAT Condition Monitoring-Bibliotheken analysiert werden, um Stillstandszeiten und Wartungskosten zu reduzieren“, erklärt Sven Goldstein.

Um in Produktionsbereichen mit mehreren verteilten Steuerungen Datenanalysen über das Gesamtsystem vornehmen zu können, wird eine entsprechende IT-Infrastruktur benötigt. Bei bisherigen Implementierungen arbeitete die Analysesoftware auf einem vor Ort installierten zentralen Serversystem. Obwohl das in der Produktionsstätte gut funktionierte, stellten sich mehrere Probleme ein: Die notwendige IT-Infrastruktur musste meist erst zur Verfügung gestellt werden. Das brachte oft hohe Hard- und Software-Kosten für das Serversystem.

„Aufgrund der steigenden Komplexität vernetzter Produktionsanlagen besonders bei verteilten Produktionsstandorten ist auch der Beadrf an Fachkräften für Implementierung und Betreuung der IT nicht zu vernachlässigen“, sagt Sven Goldstein. „Zudem ist die Skalierbarkeit einer solchen Lösung sehr gering, bei erforderlichen Anlagenerweiterungen sind oft größere Umbauarbeiten erforderlich, um das zentrale Serversystem mitwachsen zu lassen.“

Publish/Subscribe-Kommunikation im Maschinennetzwerk.

Der Weg in die Public Cloud

Cloud-basierte Kommunikations- und Datendienste versuchen diese Nachteile zu vermeiden, indem sie eine abstrahierte Sicht auf die verwendeten Hard- und Softwaresysteme bieten. Anwender müssen sich bei der Nutzung von Cloud-Diensten keine Gedanken über das Serversystem machen. Sämtliche Wartungs- und Pflegearbeiten an der IT-Infrastruktur werden durch den Cloud-Systemanbieter durchgeführt. Dabei unterscheidet man die Begriffe Public und Private Cloud.

Public Cloud Service Provider wie Microsoft Azure oder Amazon Web Services (AWS) stellen Anwendern Dienste aus eigenen Rechenzentren zur Verfügung. Das beginnt mit virtuellen Rechnern, in denen Anwender die Kontrolle über Betriebssystem und Anwendungen haben und reicht bis zu abstrahierten Kommunikations- und Datendiensten, die von Nutzern in eine Applikation integriert werden können. „Diese beinhalten z. B. auch den Zugriff auf Machine-Learning-Algorithmen, die auf Basis bestimmter Maschinen- und Produktionsinformationen Voraussagen und Klassifizierungen hinsichtlich gewisser Datenzustände treffen können“, ergänzt Goldstein. „Die dafür erforderlichen Inhalte erhalten die Algorithmen mit Hilfe von Kommunikationsdiensten.“

Diese basieren meist auf Kommunikationsprotokollen, die nach dem Publish/Subscriber-Prinzip arbeiten. Die so entstehende Entkopplung aller miteinander kommunizierenden Applikationen bringt durchaus Vorteile. Zum einen müssen sich die Kommunizierenden nicht untereinander kennen, was den Aufwand für die Bekanntgabe von Adressinformationen senkt. Zum anderen ist die Datenkommunikation mit dem zentralen Cloud-Dienst, dem Message Broker, aus Sicht des Endgeräts immer um eine ausgehende Verbindung – egal ob Daten gesendet (Publish) oder empfangen (Subscribe) werden. Dadurch müssen keine eingehenden Verbindungen konfiguriert werden, z. B. in Firewalls. Das reduziert erheblich die Einrichtungs- und Wartungskosten für die IT-Infrastruktur.

Für die Datenkommunikation werden sehr schlanke und standardisierte Transportprotokolle verwendet, z. B. MQTT und AMQP. Diese enthalten diverse Sicherheitsmechanismen wie die Verschlüsselung der Datenkommunikation und die Authentifizierung gegen den Nachrichtenbroker. Auch das standardisierte Kommunikationsprotokoll OPC UA hat den Mehrwert eines Publish/Subscribe-basierten Kommunikationsszenarios erkannt und ist dabei, dieses Kommunikationsprinzip in die Spezifikation zu integrieren.

TwinCAT IoT Data Agent als konfigurierbare und einfach zu nutzende Cloud-Anbindung inklusive OPC UA.

Die Private Cloud

Publish/Subscribe-Mechanismen lassen sich nicht nur in Public-Cloud-Systemen nutzen, sondern auch im Unternehmens- oder Maschinennetzwerk. Für MQTT und AMQP lässt sich ein Message Broker auf einem beliebigen PC installieren und zur Verfügung stellen. So lassen sich M2M-Szenarien und die Anbindung beliebiger Endgeräte wie z. B. Smartphones an die Steuerung realisieren. Der Zugriff auf diese Geräte wird durch Firewall-Systeme abgesichert. Die Publish/Subscribe-Erweiterungen von OPC UA vereinfachen zukünftig die Konfiguration und Nutzung von 1:N-Kommunikationsszenarien in Maschinennetzwerken.

TwinCAT IoT und Cloud-Buskoppler.

Produkte für Industrie 4.0 und IoT

Beckhoff bietet Anwendern diverse Komponenten für die einfache Integration in Cloud-basierte Kommunikations- und Datendienste. IoT-Produkte innerhalb von TwinCAT 3 bieten Möglichkeiten für den Austausch von Prozessdaten über Publish/Subscribe-Kommunikationsprotokolle und für den Zugriff auf Daten- und Kommunikationsdienste von Public Cloud Service Providern, gehostet in Public-Cloud-Systemen wie Azure oder AWS oder in Private-Cloud-Systemen.

Der Zugriff auf diese IoT-Funktionen kann wahlweise über spezielle Funktionsbausteine direkt aus dem Steuerungsprogramm heraus erfolgen oder über eine „TwinCAT IoT Data Agent“ genannte Applikation außerhalb des Steuerungsprogramms konfiguriert werden. „Die zu übermittelnden Daten lassen über einen grafischen Konfigurator einfach selektieren und für den Transfer an einen bestimmten Dienst konfigurieren. Der Data Agent ermöglicht auch die Integration Cloud-basierten Dienste in existierende TwinCAT-Anlagen. Das Auslesen der Prozessdaten kann auch über OPC UA erfolgen, sodass auch Daten aus Fremdsystemen verwendet werden können. Eine Smartphone-App ermöglicht die mobile Anzeige von Alarm- und Statusmeldungen.

Ohne Steuerungsprogramm lassen sich die I/O-Daten über eine einfach zu konfigurierende Website auf dem IoT-Buskoppler EK9160 für den Versand an einen Cloud-Dienst parametrieren. Der Buskoppler übernimmt eigenständig den Versand der digitalen oder analogen I/O-Werte an den Cloud-Dienst. Eine IoT-Kopplerstation besteht aus einem EK9160 und einer nahezu beliebigen Anzahl EtherCAT-Klemmen. „Die wahlweise auch verschlüsselt an den Cloud-Dienst übertragenen Daten werden in einem anwenderfreundlichen und standardisierten JSON-Format versendet“, sagt Sven Goldstein. „Ein lokales Buffering der I/O-Daten für den Fall einer unterbrochenen Internetverbindung steht hierbei ebenso zur Verfügung wie das Monitoring der angeschlossenen Feldbusse.“ Somit können die I/O-Signale nicht nur über EtherCAT, sondern z. B. auch über CANopen oder Profibus eingesammelt werden.

Analytics und Machine Learning

Nach der Datenübertragung an einen Cloud-Dienst stellt sich die Frage der Weiterverarbeitung. „Bei vielen Public-Cloud-Anbietern gibt es diverse Analytics- und Machine-Learning-Dienste für die Weiterverarbeitung der Prozessdaten“, weiß Sven Goldstein. „Auch Beckhoff verfügt mit TwinCAT Analytics über eine eigene Plattform, die einschlägige Mechanismen zur Datenanalyse bereit stellt und dabei alle prozessrelevanten Daten zyklusgenau erfasst. So entsteht eine vollständige Mitschrift aller Maschinenabläufe.“

Diese Daten können lokal auf dem Maschinenrechner oder innerhalb einer Cloud-Lösung gesammelt und ausgewertet werden. TwinCAT Analytics verwendet TwinCAT IoT zur Anbindung an die Cloud-Lösungen, sodass eine nahtlose Datenkommunikation gegeben ist. „Insgesamt ergeben sich für den Maschinenbauer und dessen Endkunden hierdurch viele neue Geschäftsideen und –modelle“, stellt Goldstein abschließend fest.