Top industrielle Konnektivität und digital

By Lisa Eitel | March 4, 2023

Zu den Edge-Geräten der diskreten Automatisierung gehören Aktoren, Sensoren und Konnektivitätskomponenten wie Gateways und motormontierte Controller. Viele dieser Komponenten verfügen über Rechenfunktionen, um Datenbandbreiten- und Latenzprobleme zu minimieren, die mit älteren Versionen der zentralen Steuerung verbunden sind. Ihre Installation an den entferntesten Stellen automatisierter Geräte bedeutet, dass ihre Rechenleistung darauf ausgelegt ist, Daten zu filtern und zu analysieren, bevor sie an zentrale Steuerungen oder angeschlossene Cloud-Systeme weitergeleitet werden. Aber wie unsere Diskussionsteilnehmer zu Trends 2023 betonen, hängt der Nutzen solcher Komponenten letztlich von ihrer Interoperabilität mit verschiedenen Maschinensystemen ab.

Gemeinsam ermöglichen die künstliche Intelligenz (KI) von NVIDIA und die industriellen Automatisierungstools von Siemens nun ein industrielles Metaversum für die Erzeugung digitaler Zwillinge. Genauer gesagt haben die Unternehmen die offene digitale Geschäftsplattform Siemens Durch die Aufnahme von Omniverse in das Xcelerator-Partnerökosystem wird die Nutzung digitaler Zwillinge beschleunigt.

Bild: NVIDIA

Richard Johannes | Direktor für Technik und Innovation • LEMO USASteven Lassen | Produkt- und Anwendungsmanager • LEMO USASandro Quintero | Geschäftsentwicklung für elektrische Automatisierung • FestoWill Morris | Kategoriemanager • RS Americas Inc.Chris Gumas | Marketingdirektor • Ruland ManufacturingPaul Thompson | VP Solutions Engineering • MatterportPamela Kan | Präsident und Eigentümer • Bishop-Wisecarver Corp.Chris Gottlieb | Direktor – Antriebe und Steuerungen • KollmorgenJonathan Schroeder | Executive VP • PBC LinearBill Paczkowski | Leitender Produktmanager für PACEdge • EmersonPramit Nandy | Produktmarketingmanager – 16-Bit-Mikrocontroller-Abteilung • Microchip TechnologyTim Sharkey | Leiter Marktmanagement für elektrische Automatisierung • FestoBiren Patel | Business Development Manager – Mobilitätslösungen • maxon

Quintero: Die Pandemie, Chipknappheit und Lieferkettenprobleme haben Endbenutzer dazu gezwungen, aufgeschlossener für die Zusammenarbeit mit verschiedenen Steuerungsanbietern zu sein und sich nicht auf einen zu standardisieren. Die Offenheit gegenüber der Spezifikation von Controllern verschiedener Anbieter breitet sich in der OEM-Community aus. An einem Tag könnte ein OEM an einem Rockwell-System arbeiten, am nächsten Tag Siemens und am nächsten Tag Beckhoff und Omron. Die Antwort von Festo war die Entwicklung von Multiprotokolllösungen der nächsten Generation. Unser neuer Servoantrieb unterstützt beispielsweise EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT und Modbus TCP. OEMs profitieren davon, dass sie über ein einziges Mehrzwecklaufwerk verfügen und nicht für jedes Protokoll ein Laufwerk in Betrieb nehmen müssen. Eine einzelne Serie reduziert die Lernkurve eines OEMs auf ein einziges System, senkt seinen Lagerbestandsbedarf und vereinfacht den Support.

Patel: Verbesserungen im PCB-Design und bei Steckverbindern mit hoher Dichte haben es maxon ermöglicht, Mikropositionsregler mit niedrigem Profil zu entwickeln. Die EPOS4 micro von maxon kann 5 A Dauerleistung und 15 A Spitzenleistung liefern und ist mit CAN- oder EtherCAT-Kommunikation erhältlich.

Gottlieb: Kollmorgen gehört zu den globalen Gruppen ODVA und EtherCAT sowie zum ZVEI in Deutschland. Wir führen Plug-Feste durch, um Schemata innerhalb und außerhalb der Gruppen zu testen, und ich sage, dass Interoperabilität wirklich wichtig ist – weil Konstrukteure die Wahl haben. Durch die Zusammenarbeit zwischen Produkten und Spezifikationen können Benutzer ihre Entwicklungs- und Produktionseffizienz maximieren. So kann ein Maschinenbauer einen Servoantrieb mit verschiedenen Protokolloptionen verwenden – mit einer Programmiererfahrung, unabhängig vom Protokoll, um die Markteinführungszeit des OEM zu verkürzen.

Sharkey: Endbenutzer berichten uns, dass sich die Vorteile von Multiprotokoll-Komponenten auf ihre Unternehmen ausweiten, da sie Lagerbestände, Schulungen, Maschinenschaltpläne, Verkabelungen und Teilenummern effizienter gestalten. Eine einzige Servoantriebsreihe und dezentrale E/A der nächsten Generation helfen ihnen, ein breites Spektrum an Kundenanforderungen effektiver zu erfüllen. Beispielsweise verfügen die neuesten Festo-Servoantriebe über eine Funktionsbaustein-Softwarebibliothek. Mit PLCopen und anderen Standards nimmt der OEM den Antrieb für verschiedene SPSen auf die gleiche Weise in Betrieb. Das spart Zeit und verringert das Risiko von Programmierfehlern.

Auf die neuen Antriebe von Festo kann auch über einen Standard-Webbrowser zugegriffen werden. Bei Maschinen mit mehreren Antrieben programmieren OEMs den Antrieb einmal und verwenden dann dieselbe Datei, um die restlichen Dateien einzurichten, indem sie eine Parameterdatei über einen Webbrowser hochladen. Bediener können den Antriebsbetrieb über den Webbrowser verfolgen; Programmierprobleme können aus der Ferne gelöst werden, und Fernbediener können auch das Wartungspersonal bei der Arbeit an den Antrieben anleiten.

In Design World veranschaulichen wir anhand zahlreicher Beispiele diskreter Automatisierung die Möglichkeiten von DX. Hier funktionieren intelligente Bewegungssteuerungen, indem sie Sensor-, Schalter- und Encoder-Feedback akzeptieren und als signalverstärkende (Verstärker-)Aktion von Motorsteuerungen dienen (oder diese auslösen) – alles traditionelle Funktionen. Sie erfüllen auch eine zusätzliche Rolle bei der Verbindung von Maschinen mit der Unternehmensebene Systeme.

Fähig: Wir sind langjährige Mitglieder der Power Transmission Distributors Association (PTDA) und der Association for High Technology Distribution (AHTD). Diese Gruppen haben Industriestandards geschaffen, die die Geschäftsabwicklung erleichtern. Vor Kurzem sind wir der Association for Advancing Automation (A3) beigetreten, um in allen Bereichen der Automatisierung bessere Leistungen anbieten zu können.

Gumas: Ruland ist seit vielen Jahren PTDA-Mitglied. Der Verband gab kürzlich bekannt, dass er den Product Information Exchange (PIE)-Standard der Bearing Specialists Association (BSA) für Lager lizenzieren und Kategorien für Wellenmanschetten und Kupplungen hinzufügen wird. In der heutigen Wirtschaft ist die Datennormalisierung für Hersteller von entscheidender Bedeutung, um mit Händlern, OEMs und Endbenutzern zu kommunizieren.

In unserer Kupplungsreihe kann die Bohrungsgröße beispielsweise als Bohrung, Innendurchmesser oder Wellengröße bezeichnet werden. In der Alltagssprache sind diese Begriffe austauschbar. In der Internetsprache handelt es sich um drei verschiedene Begriffe. Wenn Ruland mit einem Händler zusammenarbeitet, verwendet dieser möglicherweise den Begriff „Wellengröße“ und Ruland verwendet möglicherweise den Begriff „Bohrung“. Die Zuordnung analoger Begriffe (auch für einfache Attribute) kann einen erheblichen menschlichen Eingriff erfordern. Wir bei Ruland verfügen über mehr als 500 Attribute – und jedes davon kann diese Herausforderung meistern.

Das PIE versucht, die Sprache unserer Branche zu normalisieren, sodass alle nach dem gleichen Muster arbeiten. Bald können Hersteller eine Karte erstellen, um ihre PIM-Daten (Produktinformationsmanagement) in den PIE-Standard zu exportieren. Dann können Händler, OEMs und Endbenutzer eine einzige Karte erstellen, um Daten in ihr PIM zu importieren. Durch die Normalisierung wird die Effizienz für Ingenieure, Wartungspersonal und Vertriebsmitarbeiter, die diese Daten in ihrer täglichen Arbeit verwenden, erheblich verbessert.

Quintero: Die zunehmende Verbreitung von Steuerungsarchitekturen führt auch zu einer stärkeren Übernahme internationaler Standards. Festo ist beispielsweise Mitglied der PLCopen-Community und hat den Standard IEC 61131-3 für Programmiersprachen wie strukturierten Text, Kontaktplan und kontinuierliches Funktionsdiagramm sowie Bewegungssteuerung übernommen. Wir glauben an eine Multi-Vendor-Multi-Protokoll-Welt. Standards wie 61131-3 kommen allen zugute, da sie weniger Entwicklungsaufwand erfordern und einfacher zu bedienen sind.

Bild: Festus

Wenn sie sich eine diskrete Automatisierungsinstallation vorstellen, denken viele Ingenieure an die traditionelle Pyramide aus Automatisierung und Kommunikation. Solche Architekturen umfassen den Datenaustausch zwischen Sensoren auf Feldebene und höheren Implementierungsebenen mit Kommunikation zwischen Steuerungen – alles letztlich verbunden mit der Spitze der Unternehmensebene. Mehrere Technologien haben jedoch verteilte und intelligente Systeme mit flacheren Maschinenkommunikationsstrukturen ermöglicht:

• Heutige Software (zusammen mit Industrie-Apps, die denen für mobile Verbrauchergeräte nicht unähnlich sind) • Neuere Optionen wie Cloud-Dienste – als ein Netzwerkbeispiel • Hardware wie programmierbare Automatisierungssteuerungen (PACs) und intelligente Feldgeräte – als zwei Komponentenbeispiele

Wie unsere Diskussionsteilnehmer erklären, haben diese Technologien im letzten Jahrzehnt die Struktur der intelligenten Fabrikhalle verändert.

Welche weiteren Konnektivitäts- und Smart-Factory-Trends haben Sie im letzten Jahr beobachtet?

Johannes: Es besteht ein großes Interesse daran, sowohl Ethernet- als auch USB-Protokolle über robuste, kundenspezifische Verbindungen (keine Standardanschlüsse) für medizinische, industrielle, Luft- und Raumfahrt- und Automobildesigns bereitzustellen. Diese stehen vor der Herausforderung, wesentlich längere Übertragungslängen unterstützen zu müssen, als sie mit kupferbasierten Systemen möglich sind. Daher werden Non-Return-to-Zero-Techniken (NRZ) und Pulsamplitudenmodulationstechniken (PAM) eingesetzt, um die Dämpfung und den Einfluss von Kupfer auf die Signalintegrität zu minimieren. LEMO verfügt über robuste Miniatur-Rundsteckverbinder und Systeme zur Unterstützung von USB 3.1- und Ethernet-Protokollen für raue Umgebungen.

Quintero: Die neue dezentrale E/A von Festo ist unabhängig vom Kommunikationsprotokoll und bietet eine einheitliche Architektur für elektrische und pneumatische Bewegungen, digitale und analoge Signale sowie IIoT-Funktionen. Es verfügt über eine große Kapazität für Komponenten. Dezentrale E/A ermöglichen außerdem einen erheblichen Abstand zwischen den Komponenten, wodurch pneumatische Ventile näher an den Betätigungspunkt gebracht werden und die Reaktionszeit pneumatischer Aktuatoren verbessert wird. Darüber hinaus können dezentrale E/A innerhalb oder außerhalb eines Schaltschranks platziert werden.

Sharkey: Controller werden immer kleiner und leistungsfähiger. Das bedeutet, dass sie über begrenzte E/A-Fähigkeiten verfügen. Solche Steuerungen profitieren von dezentralen E/A mit Eindrahtkommunikation zurück zur SPS für die E/A des Systems. Darüber hinaus können dezentrale E/A dazu beitragen, die Größe von Steuerpulten zu verringern, indem sie die Montage einer größeren Anzahl von Komponenten an der Maschine ermöglichen.

Gottlieb: Motion Controller bleiben nach wie vor notwendig. Unser PCMM-Controller mit der Kollmorgen Automation Suite verfügt über einen mehrachsigen EtherCAT-Master; unterstützt fünf Programmiersprachen, um jeden Steuerungsingenieur zufrieden zu stellen; ermöglicht sechs digitale Eingänge und zwei digitale Ausgänge; und ermöglicht das Hinzufügen erweiterbarer E/A. Aufgrund seines Preisniveaus eignet sich das PCMM für einachsige Maschinen und komplexere Maschinen mit bis zu 20 Achsen.

Lassen: Wenn die maximale Datenrate von Kupfer erreicht ist, ist sowohl für die Kurz- als auch für die Fernübertragung ein Übergang auf Glasfaser erforderlich – insbesondere für die digitale Videoübertragung mit 4K-Auflösung. Eines der Alleinstellungsmerkmale von LEMO ist die Fähigkeit, Kupfer- (Strom) und Glasfaserkomponenten in demselben kompakten, robusten Steckergehäuse zu kombinieren. Dies macht es für Endbenutzer viel einfacher, nur einen einzigen Stecker anzuschließen und zu trennen, anstatt mehrere Steckerelemente suchen zu müssen. Ein schwaches Glied bei der Integration von Glasfaser in ein System ist die freiliegende Verkabelung zwischen den robusten Anschlüssen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, können Kabel mit empfindlichen Fasern und elektrischen Leitern zusätzlich durch einen flexiblen Panzermantel geschützt werden. Für medizinische Anwendungen, die eine einfache Reinigung und Handhabung erfordern, kann eine gepanzerte Ummantelung (in Produkten der Northwire-Abteilung von LEMO) extrudiert werden, um eine glatte Oberfläche bereitzustellen.

Robuste LEMO-Anschlüsse unterstützen USB 3.1.

Paczkowski: Emerson Edge-Controller und Industrie-PCs (IPCs), auf denen PACEdge läuft, unterstützen MQTT-Kommunikation und eine Vielzahl anderer Industrieprotokolle der Betriebstechnik (OT) und IT-zentrierter Protokolle. MQTT hat sich aufgrund seiner geringen Bandbreitenanforderungen und robusten Kommunikationsmethoden zu einer führenden Methode für die Übertragung von Edge-Source-Daten an Plattformen auf höherer Ebene entwickelt.

Nandy: Da die Welt immer vernetzter wird, werden industrielle Automatisierungs- und Bewegungssteuerungsanwendungen sowie Steuerungen immer komplizierter. Jedes System verbindet sich über IIoT oder Edge-Kommunikation, um Daten auszutauschen, Fehler zu melden, Wartungen zu protokollieren und Live-Updates durchzuführen, um die Systemleistung zu verbessern und zu optimieren. In diesem Bereich gibt es keine allgemeingültige Lösung. Eine Komplettlösung umfasst die richtige Software, das richtige Kommunikationsprotokoll, die richtigen Sicherheits- und Netzwerklösungen für den Betrieb auf einer breiten Palette von Hardware und Systemen.

Paczkowski: Neue Geräte und Projekte können mit den neuesten SPS/PACs, Edge-Controllern und IPCs entwickelt werden, um sicherzustellen, dass sie nahtlos miteinander und mit übergeordneten Systemen kommunizieren. Es gibt jedoch eine riesige installierte Basis automatisierter Geräte, die schrittweise aufgerüstet werden müssen. Edge-Controller und IPCs von Emerson eignen sich gut als Plattform für solche Upgrades, oder sie können auf bestehende Automatisierungselemente geschichtet werden, um ältere Geräte um moderne Datenverarbeitung, Fernkonnektivität und IIoT-Funktionen zu erweitern. Gateways sind eine weitere Klasse von Edge-Geräten, die sich zur Ergänzung vorhandener digitaler Assets eignen. Sie vermitteln die Möglichkeit, Daten an übergeordnete Ressourcen vor Ort oder in der Cloud zu übertragen. Tatsächlich haben Ingenieure heute viele Möglichkeiten, Gateway-Funktionalitäten (und erweitertes Computing) zu neuen und älteren Geräten hinzuzufügen.

Emerson bietet ein vollständig integriertes Portfolio an Hardware- und Softwaretechnologien, mit denen Ingenieure digitale Transformationen neuer und älterer Geräte auf allen Ebenen realisieren können – von peripheren Feldgeräten über Schalttafeln und Kontrollräume bis hin zum Unternehmen und der Cloud.

Thompson: Das Geodatenunternehmen Matterport ist ISV-Partner von Amazon Web Services und im Amazon Partner Network sowie im AWS Marketplace gelistet. Unsere Partnerschaft mit AWS IoT TwinMaker hat Folgendes ermöglicht:

Es ist jetzt möglich, Web-Apps auf digitalen Zwillingen zu erstellen – darunter Apps zur Schulung von Mitarbeitern und Apps zum Auslösen von Benachrichtigungen bei Erkennung abnormaler Gerätedaten. Mit AWS IoT TwinMaker und Matterport können Benutzer digitale Zwillingsdaten kontextualisieren, Erkenntnisse und Analysen sammeln und jederzeit und überall auf Echtzeit- und Zeitreihenrepliken ihrer Räume zugreifen.

Intelligente Fabriktechnologien (die Architekturen der Fabrik der Zukunft ergänzen) nutzen zunehmend drahtlose Konnektivität wie 5G und Edge Computing, um:

• Erhöhen Sie die Flexibilität der Fertigung. • Ermöglichen Sie eine adaptive Produktionsplanung. • Prognostizieren Sie Ausfälle, bevor es zu kritischen Arbeitsunterbrechungen kommt.

Diese Funktionen minimieren Garantie-, Abfall- und Ausfallkosten und erhöhen gleichzeitig die Arbeitssicherheit, vorzugsweise während sie gleichzeitig die Ziele von Maschinenbauern und Endbenutzern erfüllen.

Paczkowski: Drahtlose Konnektivität wie Wi-Fi, 5G und WirelessHART hat sich rasant weiterentwickelt – sowohl im Hinblick auf die Kommunikationsgeschwindigkeit als auch auf die verfügbaren Protokolle. Die physische Installation von Kupfer- oder Glasfaserkabeln ist bei Automatisierungsprojekten ein erheblicher Kostenfaktor. Einmal installiert, schränkt die kabelgebundene Infrastruktur die Erweiterbarkeit und zukünftige Flexibilität etwas ein. Daher stellen Endbenutzer fest, dass moderne drahtlose Technologien eine gute Möglichkeit bieten, viele lokalisierte Netzwerkanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Erweiterung oder Änderung von Installationen in der Zukunft zu vereinfachen. Emerson PACSystems- und PACEdge-Produkte unterstützen drahtlose Technologien und kabelgebundene Methoden, sodass Benutzer Optionen für alle Implementierungsanforderungen haben.

J. Schröder: Das Inc. Magazine hat 5G als Katalysator für die vierte industrielle Revolution der Welt bezeichnet. Sobald die 5G-Netze voll ausgelastet sind, werden sich meiner Meinung nach für Industrie und Verbraucher zwei wesentliche Vorteile ergeben.

Erstens ermöglicht die größere Reichweite von 5G-Netzen, dass Hochgeschwindigkeitsdaten einen größeren Prozentsatz der Welt erreichen, sodass mehr Geräte mit dem Internet verbunden sind und Daten zwischen Servern hin- und hergeleitet werden können. Landwirte, Holzfäller, Bergleute, Feuerwehrleute bei Waldbränden und andere, die in abgelegenen Gebieten tätig sind, können in einer vernetzten Welt arbeiten. Dies wird eine breite Palette von Geräten ermöglichen – einschließlich autonomer Roboter.

Der zweite große Vorteil von 5G (und Wi-Fi 6 innerhalb von Gebäuden) ist die hohe Geschwindigkeit und Bandbreite. Durch die erweiterten Fähigkeiten von Wi-Fi 6 und 5G werden Geräte kleiner und halten länger, da der Großteil der erforderlichen Rechenleistung auf einem Server liegt und die Daten an das Gerät gestreamt werden. Bedenken Sie, dass Virtual-Reality- (VR) und Augmented-Reality-Technologien (AR) elektrisch und rechenintensiv sind – viel mehr als Streaming. Die Auslagerung der Verarbeitung auf einen Server und die Umwandlung von Geräten in Streaming-Geräte wird die Verbreitung von VR und AR ermöglichen, da Feldgeräte kostengünstiger (aufgrund bescheidenerer Prozessor- und Batteriespezifikationen) und ergonomischer (aufgrund ihres geringeren Gewichts) werden.

Smart-Factory-Bild: Dreamstime • Suwin Puengsamrong

Morris: Obwohl Lager keine neue Technologie sind, haben sie einen langen Weg zurückgelegt. Lager können aus Metall oder Kunststoff sein, und alle Polymere haben unterschiedliche Eigenschaften für den Einsatz in bestimmten Anwendungen – einschließlich lebensmittelechter und medizinischer Anwendungen, bei denen Metalllager nicht ideal sind. Keramiklager zeichnen sich durch heiße, schnelle und abrasive Anwendungen aus. Magnetlager, die Magnetschwebetechnik nutzen, um sich ohne tatsächlichen physischen Kontakt um eine Welle zu drehen, verhindern Verschleiß und ergänzen Anwendungen, die hohe Geschwindigkeiten und geringe Vibrationen erfordern.

Erneuerbare Energien sind zu einer großen Industrie geworden. Windkraftanlagen verfügen über große Lager – typischerweise Großwälzlager. Die medizinische Industrie setzt Lager in hochmodernen MRT-Geräten und CT-Scannern ein. Die Robotik hat viele Prozesse automatisiert; Hier vervollständigen Lager rotierende Roboterarme und Ausrüstung, um Roboter vertikal und horizontal zu bewegen. Elektrofahrzeuge verwenden außerdem verschiedene Lager, darunter Keramiklager wegen ihrer Leichtigkeit und hohen Geschwindigkeiten.

Morris: Die IIoT-Konnektivität und die Zustandsüberwachungstechnologie für all diese Lager sind in den letzten Jahren rasant gewachsen. Zum ersten Mal stehen Wartungsteams, Ingenieuren und Technikern Leistungs- und Zustandsdaten in Echtzeit zur Verfügung. Predictive Maintenance ist in den letzten Jahren besonders weit fortgeschritten. Wir müssen nicht länger warten, bis etwas ausfällt, um das Problem zu beheben; Wir können potenzielle Probleme erkennen (als kleine Änderungen bei Vibrationen, Hitze und Leistung), bevor sie katastrophal werden.

Da große Lager sehr kostspielig sein können (und monatelange Vorlaufzeiten haben), ist die vorausschauende Wartung für sie sehr nützlich geworden – insbesondere angesichts der heutigen Lieferketten- und Durchlaufzeitprobleme. Leistungsdaten können gespeichert und zur detaillierten Analyse an die Cloud gesendet und dann für technische Verbesserungen und verbesserte Wartungspläne verwendet werden. Darüber hinaus können alle diese Daten aus der Ferne überwacht werden, um den Bedarf an Wartungspersonal rund um die Uhr zu reduzieren, indem das Personal Probleme an mehreren Standorten gleichzeitig überwachen und darauf reagieren kann.

Mehrere heute auf dem Markt erhältliche Produkte ermöglichen eine einfache und kostengünstige Zustandsüberwachung von Lagern mithilfe sensorgesammelter Daten. Letzteres wird analysiert und das System warnt Benutzer bei Zustandsanomalien. Benutzer können die Daten sogar über mobile Apps überwachen.

Lesen Sie die restlichen Erkenntnisse unserer Experten in Teil 2 dieser Serie, indem Sie hier klicken. Schauen Sie sich auch unbedingt die Juni-Ausgabe von Design World an, in der Sie einen Folgeartikel zu diesem Thema finden.