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15.03.2013

Fachbeitrag - Kommunikation und Vernetzung auf dem Weg zu Industrie 4.0

Der Begriff "Industrie 4.0" kursiert seit einiger Zeit in der Fachwelt und der Presse. Auch wenn die Versionsnummer eine Weiterentwicklung suggeriert, es geht um die 4. industrielle Revolution. Nach der Dampfmaschine (1. Revolution), dem Fließband (2. Revolution) und der Mikroelektronik (3. Revolution) sind es nun das Internet der Dinge [1] und Cyber-physical Systems (CPS) [2], die die industrielle Fertigung revolutionieren sollen.

CPS bestehen aus vernetzten eingebetteten Systemen, die sich selbständig untereinander koordinieren. Sie erkennen ihre physische Umgebung und beeinflussen diese auch koordiniert – auch durch Verwendung von über das Internet eingebundenen Diensten. Das adaptive Verhalten von CPS verspricht auch für die industrielle Fertigung Vorteile [3]: Die Sicherheit von Produktionsmaschinen kann mit Sensoren zur Erkennung von Fahrzeugen, mobilen Robotern und Menschen erhöht werden. Die Flexibilität kann erhöht werden, indem sich Produktionsanlagen individuell auf die durch Sensoren erkannte Werkstücke einstellen können. Die Ausfallsicherheit einer Produktionsanlage kann erhöht werden, wenn Störungsmeldungen durch das Netz an alle anderen Maschinen gelangen, damit diese auf die Störung reagieren können (dynamische Umrüstung). Auch können „Marktplätze“ aufgebaut werden, auf denen Produktionsaufträge dynamisch an verfügbare Anlagen verteilt werden können, u.U. sogar über Unternehmensgrenzen hinaus. Dabei können Parameter wie aktuelle Auslastung, Rüstzeiten, Fertigungszeit, Energiebedarf und Kosten berücksichtigt werden.

 

Kommunikation – die Basis von Industrie 4.0

 

Damit das „Internet der Dinge“ in einer Fabrik realisiert werden kann, müssen alle „Dinge“ dort miteinander vernetzt werden: Maschinen, Roboter, Steuerungen, Bediengeräte, Sensoren, Aktoren, Steuerungssysteme (SPS) und Planungssysteme (ERP). Je nachdem, auf welcher Ebene die Vernetzung stattfinden soll, kommen dafür Sensor-Aktor-Busse, Feldbusse, (W)LAN oder WANs in Frage. Einige dieser Technologien müssen für den Einsatz in Industrie 4.0 verbessert bzw. weiter entwickelt werden, um Echtzeitfähigkeit zu integrieren oder den Durchsatz zu erhöhen. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt der FAU Erlangen-Nürnberg mit der Auckland University (Neuseeland) wurde eine Verbesserung des Controler-Area-Network (CAN) untersucht. Die Idee dabei war es, Nachrichten auf dem CAN-Bus so einzuplanen, dass die Auslastung steigt und die durchschnittlichen Antwortzeiten unter hoher Last verringert werden [4]. Während des Betriebs werden Nachrichten auf jedem Knoten die Offsets dynamisch in Abhängigkeit vom aktuellen Datenverkehr auf dem Bus angepasst (Dynamic Offset Adaptation Algortihm, DynOAA). Die Anpassungsentscheidungen erfolgen auf Basis von Verkehrsfluss-Überwachung durch die einzelnen Knoten selbst. Der Ansatz erlaubt es, Nachrichten weniger pessimistisch einzuplanen und damit, reduzierte und teilweise optimale Antwortzeiten dynamisch zu erreicht, ohne A-priori-Wissen und ohne zentrale Überwachung.

 

Middleware – am besten Dienst-orientiert Für die Vernetzung von CPS und für den „Internet-der-Dinge-Gedanken“ sind Kommunikationssysteme auf den unteren Schichten im ISO-OSI-Referenzmodell ein wichtiger Baustein. Um verteilte Dienste und Informationen zu integrieren und den Anwendungen verfügbar zu machen, wird eine Middleware benötigt. Dafür bieten sich Dienst-orientierte Architekturen (SOA) an [5], insbesondere Web Services (WS), insbesondere wegen des „Baukastenprinzips“, d.h. der Möglichkeit zur Komposition von mehreren einzelnen Diensten zu höherwertigen Diensten [6]. Dadurch lässt sich eine bessere Unterstützung für Produktionsprozesse gewährleisten und neue Produktionsverfahren lassen sich schneller umsetzen, weil die für die Produktionsprozesse notwendigen Aufgaben unkompliziert und Anwendungsunabhängig aus den vorhanden einzelnen Diensten zusammengesetzt werden können. Auch lassen sich neue dynamische Produktionsmodelle, wie z.B. Wahlmöglichkeit zwischen mehreren Anbietern für einen Service, leichter implementieren.

 

Abbildung 1: Die Architektur unserer WS-basierten Middleware für CPS [7]

 

Wir haben einen Prototyp einer Web-Service-basierten Middleware für CPS entworfen [7]. In Abbildung 1 ist die Gesamt-Architektur dieser Middleware zu sehen. Das Auffinden und Veröffentlichen der Dienste erfolgt durch die Service-Discovery- und Service-Publishing-Komponente, welche mittels UDDI oder durch dynamische WS-Discovery-Mechanismen implementiert werden können. Die Zeitsynchronisation Time Sync und die verteilte Ausführung der Aufgaben Global Task Execution, wird durch den Koordinator Global Coordination koordiniert und gezielt geregelt. Aufbauend darauf, werden die Dienste in der Service Runtime ausgeführt. Der Notification Service benachrichtigt über Veränderungen in der physikalischen Umgebung, die wiederum durch den Predictable Execution Service, welcher die Schnittstelle zu einem Aktor realisiert, beeinflusst wird. Durch den EBC Component Service, kann auf die Logik zur Laufzeit Einfluss genommen werden. Dadurch lassen sich neue Komponenten, die unabhängig von der verteilten Anwendung sind, in die Anwendung integrieren.

 

Formale Methoden in der Praxis

 

Entwurfsmethoden – High-level-Modellerierung Um bessere Ergebnisse beim Entwurf von Produktionsanlagen für Industrie 4.0 zu erhalten, müssen mehrere Disziplinen zusammenarbeiten. Ein sequentieller Entwurf, bei dem zunächst die Maschine, dann die Regelkreise und zuletzt die Steuerungshard- und software entworfen werden, reicht nicht aus, weil dabei viele potentiell optimale Entwurfsmöglichkeiten verloren gehen. Da aber die Time-to-market auch bei diesen Systemen eine große Rolle spielt, sind effiziente Entwurfswerkzeuge nötig, die es erlauben, ein Entwurfsentscheidungen für ein System auf Basis von Modellen auf hoher Abstraktionsebene zu evaluieren und zu bewerten.

 

Abbildung 2: Das Aktor-orientierte High-Level-Modell eines PROFINET IO Controllers [8]

 

Im Rahmen eines Projekts am ESI-Anwendungszentrum wurde die Hardware-Software-Co-Design-Methodik des Lehrstuhls für Informatik 12 (FAU Erlangen-Nürnberg) für die Modellierung und die Simulation eines PROFINET IO Controllers eingesetzt und an spezielle Bedürfnisse der Automatisierungstechnik angepasst [8]. Dazu wurde ein modulares Aktor-orientiertes High-Level-Modell eines PROFINET IO Controllers erstellt (siehe Abbildung 2), das es erlaubt, komplexe Topologien aufzubauen und ganze PROFINET IO Netze auf Systemebene zu simulieren.

 

Fazit

 

Kommunikation ist eine wichtige Grundlage für Industrie 4.0. Daher müssen einerseits existierende Kommunikationstechnologien weiterentwickelt und andererseits die Vernetzung von Diensten und Informationen durch eine leistungsfähige Web-Service-basierte Middleware unterstützt werden. Darüber hinaus müssen auch integrative Entwurfsmethoden erforscht werden, um die Vision von Industrie 4.0 realisieren und das Potenzial von CPS für die Automatisierungstechnik ausschöpfen zu können.

 

Literaturangaben


[1] F. Mattern & C. Flörkemeier: „Vom Internet der Computer zum Internet der Dinge“. Informatik-Spektrum, 33(2):107–121, 2010.

[2] E. Geisenberger & M. Broy, Hrsg: „Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems“. Springer, 2012.

[3] T. Klie: „Neue Möglichkeiten durch Cyber-physical Systems“. A&D – Automation & Drives, 14(1+2):40–42, Feb. 2012.

[4] T. Ziermann, Z. Salcic & J. Teich: „Improving Performance of Controller Area Network (CAN) by Adaptive Message Scheduling“. In M. T. Higuera-Toledano, U. Brinkschulte & A. Rettberg, Hrsg., Self-Organization in Embedded Real-Time Systems, S. 95–120. Springer, Heidelberg, 2012.

[5] H. L. La & S.D. Kim. A Service-based Approach to Designing Cyber-Physical Systems. In Proc. 9th IEEE/ACIS (ICIS), S. 895–900, 2010.

[6] T. Klie: „Policy Refinement Using Automatic Composition of Management Web Services in a Policy-based Autonomic Communications Environment“. Dissertation, TU Braunschweig, 2008.

[7] E. Meissner: „Entwurf und Implementierung einer Middleware für Cyber-Physical-Systems auf Basis von Web-Services“. Bachelor-Arbeit, FAU Erlangen-Nürnberg, 2012.

[8] L. Zhang, M. Streubühr, M. Glaß, J. Teich, A. v. Schwerin & K. Liu: „System-Level Modeling and Simulation of Networked PROFINET IO Controllers“. In Proc. Embedded World Conference, Nürnberg, 2012.

 

Autoren

Dr.-Ing. Torsten Klie

Geschäftsführer

Eugen Meissner, B.Sc.

Master-Student (Informatik)

 

 

 

 

Interdisziplinäres Zentrum für Eingebettete Systeme (ESI)

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Martensstr. 3

91058 Erlangen

 

Mail: info@esi.uni-erlangen.de

Web: www.esi.uni-erlangen.de

 


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