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Bestandsanlagen in Mindsphere einbinden

Kommunikationslösungen von HMS verbinden die Fertigungsebene (OT) mit IoT-Anwendungen und Clouds wie Mindsphere (Bilder: HMS)

Kommunikationslösungen von HMS verbinden die Fertigungsebene (OT) mit IoT-Anwendungen und Clouds wie Mindsphere (Bilder: HMS)

Mit Mindsphere steht ein modernes und leistungsfähiges cloudbasiertes IoT-Betriebssystem zur Verfügung. Es eignet sich insbesondere für größere, ­anspruchsvolle Neuanlagen (Greenfield) im Siemens-Umfeld. HMS ist ­Mindsphere-Connectivity-Partner und hat sich darauf spezialisiert, Neu- und Bestandsanlagen mit Fremd-SPS an Mindsphere anzubinden. Für Einsteiger gibt es auch eigene IoT-Komplettlösungen, um ohne Risiken erste Erfahrungen mit der Cloud zu machen, und mit der Möglichkeit, diese bei Bedarf später an die großen IoT-Systeme wie Mindsphere anzukoppeln.

01  Das IIoT-Gateway Ewon Flexy 205 unterstützt die Protokolle aller namhaften SPS-Hersteller und ­ermöglicht so die Einbindung von Fremd-SPS in Mindsphere

01  Das IIoT-Gateway Ewon Flexy 205 unterstützt die Protokolle aller namhaften SPS-Hersteller und ­ermöglicht so die Einbindung von Fremd-SPS in Mindsphere

02  Beim Ewon Flexy 205 werden Zugangsdaten für den Log-in zum Mindsphere-Server per Konfiguration hinterlegt und auch,  welche Daten in die Cloud übertragen werden sollen

02  Beim Ewon Flexy 205 werden Zugangsdaten für den Log-in zum Mindsphere-Server per Konfiguration hinterlegt und auch, welche Daten in die Cloud übertragen werden sollen

03  Anybus-Edge-Gateways sind intelligente Bindeglieder zwischen Feldebene  und Cloud; sie übernehmen auch Datenvorverarbeitung und Filterung

03  Anybus-Edge-Gateways sind intelligente Bindeglieder zwischen Feldebene und Cloud; sie übernehmen auch Datenvorverarbeitung und Filterung

Mit dem Ziel, die Investitionskosten einer neuen Produktionsanlage möglichst gering zu halten, erwägen Anlagenbetreiber immer häufiger, nicht alle Maschinen neu zu erwerben, sondern bewährte, qualitativ hochwertige und gut erhaltene Bestandsmaschinen weiter zu nutzen und mit in das Gesamtkonzept der Neuanlage einzubinden. Dies reduziert einerseits die Investitionskosten, andererseits stellt die Integration der Bestandsmaschinen in Mindsphere [1] eine technische Herausforderung dar, deren Komplexität zunimmt, wenn die Bestandsanlagen auf Fremdsteuerungen, wie von Rockwell, Schneider Electric, Mitsubishi, Hitachi oder Omron, basieren.

Hürden überwinden im heterogenen Maschinenpark

Bei neuen Maschinen kommen meist speicherprogrammierbare Steuerungen der aktuellen Generation zum Einsatz. Diese bieten bereits umfangreiche Kommunikationsmöglichkeiten. So unterstützt die neue Generation der Siemens-Steuerungen sogar die direkte Anbindung an Mindsphere. Anders bei Bestandsmaschinen oder Maschinen mit Fremdsteuerungen: Hier bieten die eingesetzten Steuerungen zwar meist schon zahlreiche Kommunikationsschnittstellen, diese basieren jedoch oftmals auf proprietären Protokollen (z. B. Siemens MPI, Rockwell DF1) oder auf konventioneller Feldbustechnik (z. B. Profibus, Modbus) und lassen sich damit nicht direkt an moderne ethernetbasierte Kommunikationsstandards cloudbasierter Automatisierungslösungen anbinden.

Maschinensteuerung sollte unverändert bleiben

Hat sich die Bestandsmaschine bewährt und funktioniert einwandfrei, ist es sinnvoll, die Maschinensteuerung mit ihrer Hard- und Software möglichst unverändert zu belassen. Denn: Oftmals stimmt die Dokumentation nicht mehr mit der aktuellen Version des SPS-Programms überein, oder das schon etwas in die Jahre gekommene Konfigurationsprogramm ist unter der aktuellen Windows-Version nicht mehr lauffähig.

Getreu dem Motto „Never touch a running system“ gilt es bei der Inte­gration der Bestandsmaschine in das neue Automatisierungssystem nur mit den Möglichkeiten auszukommen, die von der jeweiligen Steuerung standardmäßig unterstützt werden. Diese Herausforderung lässt sich am besten durch den Einsatz eines Gateways lösen, das einerseits möglichst viele der verschiedenen SPS- und Feldbusprotokolle beherrscht (southbound) und andererseits für die Kopplung mit den modernen IT-Systemen (northbound) die aktuellen Kommunikationsstandards, wie OPC UA und MQTT, unterstützt.

Das Industrial-IoT-Upgrade für Bestandsanlagen

Genau an dieser Stelle setzt das IIoT-Gateway Ewon Flexy 205 von HMS [2] an, das als Option einen Agenten für die direkte Integration in Mindsphere bereithält (Bild 1). Das modular aufgebaute Gateway für Fernwartung und Datendienste unterstützt für die Kopplung an die Maschinensteue­rungen (southbound) eine Vielzahl an seriellen, Feldbus- und SPS-Protokollen. Das Gateway lässt sich so mit fast allen aktuellen und vielen älteren Steuerungen verbinden, zum Beispiel von Siemens, Rockwell/Allen Bradley, Schneider Electric, Mitsubishi, Omron und Hitachi. Auch proprie­täre Protokolle wie Siemens MPI werden unterstützt. Das Flexy-Gateway wird über den Konfigurationsport der Steuerung angebunden und hat damit Zugriff auf deren Programm- und Datenbereiche, ohne dass dazu das SPS-Programm oder die Konfiguration der Steuerung geändert werden muss. Die Kopplung an die modernen IT-Systeme ist entweder lokal oder remote über eine sichere VPN-­Verbindung und standardisierte Protokolle, wie OPC UA oder MQTT, möglich.

Anbindung aller Steuerungen an Mindsphere

Hat sich der Anwender für Mindsphere von Siemens als Cloudlösung entschieden, kann er auf zahlreiche Apps aus dem Store zurückgreifen. Das Angebot umfasst die Bereiche „Connect & Monitor“, „Analyze & Predict“ sowie „Digitalize & Transform“. Aber auch hier stellt sich die Frage, wie die Daten der Bestandsmaschinen aus der Fabrik sicher an Mindsphere übertragen und den Apps zur Bearbeitung zugänglich werden. Mit dem IIoT-Gateway Ewon Flexy 205 ist das einfach: Per Konfiguration werden Zugangs­daten für den Log-in zum Mindsphere-Server hinterlegt und die Daten ausgewählt, die in die Cloud über­tragen werden sollen (Bild 2). Alles weitere – also die sichere Datenverbindung und -übertragung – übernimmt das IIoT-Gateway. Hoch ist die Anzahl an Daten, nämlich 1 500 Tags, die sich übermitteln lassen. ­Damit ist das Gateway für komplexe Anwendungen bestens geeignet und kann auch bei der Integration von ­Bestandsanlagen gute Dienste leisten. Das Besondere an der Flexy-205-­Lösung ist, dass die über Flexy übertragenen Daten von allen Mindsphere Tools und Apps genutzt werden können (Bild 3).

Mindsphere als High-End-Lösung

Mindsphere oder vergleichbare Lösungen wie Thingworx oder die SAP Cloud eignen sich bestens als High-End-­Lösungen für komplexe, weltweit vernetzte Applikationen. Wer sich für diese Lösungen ­entscheidet, sollte sicherstellen, dass fundiertes Prozess-, ­Security- und IT-Know-how im Unternehmen vorhanden ist oder qualifizierte und erfahrene Berater in das Projekt eingebunden werden. Nicht zuletzt sollten auch die zu ­erwartenden Betriebs- und Lizenzkosten genau betrachtet werden, bevor man sich für ein IoT-System entscheidet, denn für Systeme wie Mindsphere rufen die jeweiligen ­Hersteller nicht selten fünf- bis sechsstellige jährliche ­Betriebskosten auf.

Einstiegslösung mit Mindsphere Connectivity

Als Alternative für kleine und mittlere Projekte sowie für Neueinsteiger in die cloudbasierte Automatisierung steht mit dem Anybus-Edge-System eine skalierbare Komplett­lösung aus einer Hand zur Verfügung, die Anwendern den Einstieg in die Cloudthematik leicht macht und bei Bedarf später in die großen IoT-Cloud-Systeme eingebunden ­werden kann. Alle ihre Komponenten sind optimal aufeinander abgestimmt. So können Anwender erste Erfahrungen sammeln, ohne die Daten auf den Servern Dritter ablegen zu müssen.

Die Anybus-Edge-Lösung setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Dem Edge-Gateway und dem HMS-Hub bestehend aus dem Edge-Broker und dem HMS-­Portal: Das Anybus-Edge-Gateway ist die an der Maschine installierte Hardware, die auf Fabrikebene eine Verbindung zu den dort vorhandenen industriellen Netzwerken, wie Profinet oder Ethernet/IP, herstellt. Zudem können hier aber auch Daten aus der Fabrik vorverarbeitet, analysiert, sinnvoll zusammengefasst und für eine intelligente und sichere Übermittlung an die Cloud vorbereitet werden. Dies wird mit HMS Sequence bewerkstelligt, einem einfachen grafischen Programmiertool.

Um den Datenfluss so gering wie möglich zu halten, ­werden Daten ereignisgesteuert übertragen. Das Gateway lässt sich zur Anpassung an Anwendungsanforderungen ­einfach parametrieren und stellt selbstständig eine sichere Verbindung zum Edge-Broker her, um die vorher definierten Daten zu übertragen. Anschluss an die Cloud kann ­sowohl über Ethernet, WLAN oder Mobilfunk realisiert werden (northbound). Das Gateway gibt es in einer Vielzahl verschiedener Varianten und bietet so für nahezu jeden ­Anwendungsfall die passende Lösung.

Das Herzstück des Anybus Edge-Systems ist der HMS-Hub mit dem Edge-Broker, der die sichere Datenüber­tragung zwischen Fabrik und Cloud herstellt. Dazu ist die ­Datenkommunikation komplett mit dem auch bei Banken üblicherweise benutzten Standard TLS 1.2 Ende-zu-Ende verschlüsselt. Somit sind Datenintegrität und Vertraulichkeit sichergestellt. Das eingesetzte und speziell auf die IIoT-Anforderungen entwickelte Kolibri-Protokoll arbeitet bi­direktional und ereignisgesteuert. Es überzeugt durch geringe Latenzzeit und ist auch bei einer größeren Anzahl von verbundenen Geräten sehr performant.

Zum HMS-Hub gehört auch das Hub-Portal. Das ist die Cloud im engeren Sinne. Daten der Anybus-Edge-Gateways werden über den HMS-Hub mit IoT-Softwareanwendungen ausgetauscht. Hier werden alle Daten der Applikation verwaltet und übersichtlich dargestellt. Dashboards beispielsweise geben einen Überblick über die Live-Prozess­daten einer Anlage oder Maschine. Trendgrafen zeigen kontinuierliche Änderungen in Anlagen- oder Maschinenteilen oder können Aufschluss über Verschleiß in einzelnen Komponenten geben. Alarmmanagement per E-Mail oder SMS ist möglich. Aber auch eigene Applikationen lassen sich ­erstellen. Der Anschluss an 3rd-Party-Clouds oder Datenbanken ist einfach möglich, beispielsweise für die Abrechnung. Möchte der Anwender aufgrund steigender Anforderungen irgendwann von der HMS-Komplettlösung auf die großen Cloudlösungen wie Mindsphere wechseln, ist der Übergang dank der offenen Schnittstellen zur Anbindung des HMS-Hub an 3rd-Party-Systeme jederzeit und ohne Neukonfiguration der Gateways und Steuerungen in der Anlage realisierbar.

Fazit

Bei der Integration von Bestandsanlagen in moderne cloudbasierte IoT-Systeme kommt der Datenkommunikation über flexible IoT-Gateways eine Schlüsselfunktion zu. Um mit allen Komponenten in heterogenen Produktionsumgebungen zu kommunizieren, ist eine Vielzahl von Schnittstellen in alle Richtungen der Prozesskette eine Grundvoraussetzung. HMS bietet mit dem IIoT-Gateway Ewon Flexy 205 sowie mit dem Anybus-Edge-System Lösungen, um die Daten aller gängigen Systeme und Komponenten unterschiedlicher Hersteller zusammenzuführen und in über­geordnete IT-Systeme einzubinden. Zusammen mit dem umfangreichen Netzwerk spezialisierter IoT-Partnerfirmen entsteht so eine Komplettlösung, mit der Anlagenbetreiber neue Wertschöpfungspotenziale mit Bestandsanlagen realisieren können. (hz)


Literatur:
[1] Mindsphere World e. V., Karlsruhe: www.mindsphereworld.de
[2] HMS Industrial Networks GmbH, Karlsruhe: www.hms-networks.de


Thilo Döring ist Geschäftsführer der HMS ­Indus­trial Networks GmbH in Karlsruhe.

Thilo Döring ist Geschäftsführer der HMS ­Indus­trial Networks GmbH in Karlsruhe.

Autor:
Thilo Döring ist Geschäftsführer der HMS ­Indus­trial Networks GmbH in Karlsruhe.