Das Magazin der Automatisierungstechnik Sonderausgabe Smart Sensors. Warum Messen, Steuern, Regeln jetzt neu erfunden wird

Transkript

1 Das Magazin der Automatisierungstechnik Sonderausgabe Smart Sensors Warum Messen, Steuern, Regeln jetzt neu erfunden wird

2 6

3 Herr der Dinge Ob Industrie 4.0 das Zeug zum Exportschlager für die deutschen Automatisierer haben wird, ist für Pepperl+Fuchs-Chef und ZVEI-Vordenker Dr. Gunther Kegel noch lange nicht ausgemacht. Sein Credo: Auf dem Weg zum IIoT, zum Industrial Internet of Things braucht es jetzt ganz schnell offene Standards und es muss mit Hochdruck an einer ganz neuen Automatisierungs-Infrastruktur gearbeitet werden. Bei der wird die Sensorik von zentraler Bedeutung sein. Allerdings nur dann, wenn sie sich vom Messgerät zur hochvernetzten Datenquelle weiterentwickelt. atp plus: Die deutsche Industrie und mit ihr die Automatisierungsunternehmen befinden sich im Industrie 4.0-Fieber und in Goldgräberstimmung. Bei genauer Betrachtung ist jedoch nur selten Industrie 4.0 drin, wo Industrie 4.0 draufsteht und viele Anwender in der Fertigungs- und Prozessindustrie fragen sich, was ihnen der Einsatz der neuen IIoT-Technologien wirklich bringen soll. Haben Sie schon eine Antwort? Dr. Kegel: Theoretisch eine ganze Reihe von Antworten. Aber in der Praxis, draußen im Feld, leider zumeist keine wirklich befriedigenden. Ihre Kritik hat einen wahren Kern: Die Verunsicherung, die teilweise im Umgang mit neuen Themen wie dem Internet der Dinge festzustellen ist, ist oftmals hausgemacht, die müssen wir uns mitunter auch selbst zuschreiben. Viele Hersteller haben in der Vergangenheit zu sehr aufs Marketing geschielt und es versäumt, ihre Technologien besser zu erklären, sprich dem Anwender verständlich zu machen, worin der konkrete Nutzen, der Mehrwert, für ihn besteht. atp plus: Nach Möglichkeit auf Euro und Cent genau? Dr. Kegel: Ja, an diesen Punkt müssen wir zwangsläufig kommen. Auf einigen Gebieten, wie dem Asset Management, insbesondere bei Predictive Maintenance, der vorausschauenden Instandhaltung, sind wir inzwischen schon so weit, dass wir echte Businessmodelle entwickeln können. Für Industrie 4.0 beziehungsweise Smart Sensors, ob in der Fertigung oder in der Prozessindustrie fehlen uns aber die grundlegenden Erfahrungen, die Daten und Zahlen, mit denen wir das machen können. Deswegen führen wir zum Beispiel zusammen mit großen Kunden aus der Prozessindustrie derzeit große Projektversuche durch, an denen wir genau das versuchen: Daten aus der Feldebene vom Sensor oder Aktivator bis in die Cloud zu transportieren und dort den Wert dieser Daten zu analysieren. Um dies zu tun, brauchen wir Daten. Und zwar nicht nur ein paar, sondern big data. atp plus: Womit wir bei Ihrem angestammten klassischen Geschäft wären Ja, aber als Hersteller von Sensorlösungen brauchen wir das Feedback des Anwenders, vor allem was den Bereich der Kommunikation in der Anlage angeht. Gehen wir davon aus, dass ein Smart Sensor nicht nur ein einfaches Messgerät, sondern eine Datenquelle ist, heißt das eigentlich, wir müssen die IP-basierte Kommunikation bis 7

4 zu jedem Sensor, bis in die letzte Ecke des Feldes ausrollen. Denn wenn ich die Daten wirklich sinnvoll nutzen will, brauche ich jeden Sensorwert möglichst direkt und mit maximaler Datentiefe. atp plus: Man nehme ein intelligentes Sensorik-Modul und versehe es mit einer IP-Schnittstelle. Fertig ist das Internet der Dinge. Hört sich eigentlich nicht so kompliziert an... Dr. Kegel: Ist es aber. Denn die Steuerungs- und Datenerhebungs-Infrastruktur, die heute im Einsatz ist, gibt oft nur einen Bruchteil der Daten weiter nach oben, sei es aus Bandbreitengründen, sei es aufgrund der internen Vernetzung. Die Daten, die mir dann fehlen, sind vielleicht nicht gerade für diese Applikation wichtig, sind aber vielleicht genau die, die ich für ein neues Geschäftsmodell, eine neue Anwendung nutzen kann. Zwar ist die Komplexität eines granular aufgebauten Sensor-Netzwerkes mit IP-basierter Kommunikation wesentlich höher, aber nur so bekomme ich die unverdichteten Daten. Das heißt, nur wenn ich die teils unglaublichen Datenmengen, die mir meine Sensorik liefert, direkt an die Cloud Lösungen übertrage, kann ich belastbare Modelle generieren. Nur dann kann ich überhaupt anfangen von Big Data zu sprechen. atp plus: Also Kabel an die Sensoren, ab ins Feld. Wo liegt das Problem? Dr. Kegel: Die Herausforderung besteht zunächst in der Sicherheit. Die Chemie- und die Verfahrensindustrie knüpft an den Einsatz solcher Sensornetzwerke ganz bestimmte Bedingungen, wie zum Beispiel den Ex-Schutz, den es zu beachten gilt. Dafür braucht es dann eine eigene Physik, die auf zwei Drähten IP-Kommunikationen und Energie überträgt und das auch noch eigensicher, sodass dies auch in der Zone 1 möglich ist. Denn hier spielt ja die eigentliche Musik im Bereich der Stoffwandlung. 20 bis 30 Prozent der Daten müssten nach unserer Schätzung direkt aus dem explosionsgefährdeten Bereich übertragen werden. Nutze ich wiederum die alte 4 bis 20 ma-hart-kommunikation, erreiche ich nicht die Bandbreite und die Datenmenge, die ich brauche, um den Sensor zur Datenquelle zu machen. atp plus: Dann ist IIoT nur etwas für Greenfield-Projekte? Dr. Kegel: Nein, wir sind dabei mit der Branche einen eigenen Physical Layer für IP-Kommunikation zu entwickeln, der die Anforderungen und die Bedingungen der Verfahrensindustrie und der entsprechenden Namur- Empfehlungen erfüllt. atp plus: Egal wie, um neue smarte Geschäftsmodelle realisieren zu können, braucht es somit eine hoch vernetzte und eine an die neuen Smart- und Big Data-Anforderungen angepasste Messtechnik. Ist dazu nicht auch eine völlig neue Denke bei Herstellern und Anwendern nötig? Dr. Kegel: In gewisser Weise schon: Da ist zum Beispiel der Messtechniker, der einen Sensor als Mess-Signalgeber sieht, dessen Werte eine Millisekunde später schon ungültig geworden sind; der in geschlossenen analogen Regelkreisen mit 4 bis 20 ma-kommunikation denkt. Für ihn ist es schwierig zu verstehen, dass derselbe Sensor jetzt Daten, also Messwerte, plus Zeitstempel und weitere Angaben am laufenden Band produzieren soll, die mittels IP übertragen, dann von IT-Spezialisten ausgewertet werden können. Wir brauchen aber das Know-how von beiden: Von dem, der den Sensor baut und dessen Physik versteht, und das Wissen der IT, die den Berg an Daten sinnvoll zu nutzen weiß. Zum Beispiel kann man dann auch noch nach Monaten im Sinne eines Profilings eine Fehleranalyse machen und ist froh über die gespeicherten Terrabytes an Messdaten. atp plus: Analoge und digitale Welt werden demzufolge in der Messtechnik jetzt zusehends verschmelzen. Dr. Kegel: Auch, wenn es der ein oder andere immer noch nicht wahrhaben will, bin ich davon überzeugt, dass das so kommen wird. atp plus: Wie lange wird dieser Prozess dauern? Dr. Kegel: Niemand kann das nach dem heutigen Stand vorhersagen, ob das zwei, drei, fünf oder noch zehn Jahre dauern wird. Denn natürlich wird man nicht von heute auf morgen alles umschmeißen können. Industrie 4.0 oder Internet of Things setzt ja zunächst einmal eine ganz neue Infrastruktur voraus. Diese muss optimal für die Generierung, den Transport und die Verarbeitung von 8

5 Daten ausgelegt sein. Auch die Anzahl an Sensoren muss deutlich steigen, damit ich auch alle Rohdaten zur Verfügung habe, die ich dann anschließend auswerten kann. So kann zum Beispiel die sensorische Ausstattung eines Steamcrackers für den sicheren, effizienten Betrieb ausreichend sein, für eine vollständige Modellbildung reicht diese Sensorik nicht aus. Da wird es dann auch schwierig den sogenannten Digitalen Zwilling zu erstellen. atp plus:...und die Anlage in Sachen Simulation auf ein ganzes Neues Planungs-, Produktivitäts- und Effizienz- Level zu heben. Dr. Kegel: Deshalb macht es Sinn, schon jetzt in Leuchtturmprojekten Deep Dives zu unternehmen, also eine Anlage beispielhaft mit Sensoren auszustatten, zu vernetzen und zu testen, was sinnvoll im Sinne von Industrie 4.0 ist und was nicht, und die Frage zu stellen: Welche neuen Möglichkeiten ergeben sich durch die Daten, die ich jetzt habe? Danach kann ich überlegen, ob das übertragbar ist und ob es mir Vorteile bringt. Dann erst kommen die Business-Modelle dran, die dann mit den gewonnenen Daten belastet werden können. Auch der Return on Invest kann dann zumindest für dieses eine Projekt bereits ermittelt werden. atp plus: In welcher Industrie wird es die stärksten Veränderungen durch IoT-Ansätze geben? Woher kommt die nächste Revolution? Dr. Kegel: Zwar sind die eben beschriebenen Ansätze in der Chemie durchaus wegweisend, aber Veränderungen, die einen starken disruptiven Charakter haben werden, sehe ich eher in der Fertigungsindustrie. Hier werden wir noch kürzere Lebenszyklen bekommen, die Produktionsmittel müssen sich noch schneller an neue Produkte anpassen lassen, also noch flexibler werden, und hier wird es womöglich auch eine ganz andere, vielleicht völlig neue Sensorik der Zukunft, geben. atp plus: Alle Intelligenz in den Chip, die Sensoren immer kleiner bis auf die Mikroebene: Ist das dann die Sensorik 4.0? Dr. Kegel: Ja und nein, denn der Sensor von heute wird im Wesentlichen auch noch in fünf Jahren so aussehen, wie jetzt. Solange wir reale Dinge herstellen, Produkte, mit denen Geld verdient werden soll, bringt uns eine Miniaturisierung keinen echten Mehrwert. Zwar wird der Drucksensor von morgen viel smarter kommunizieren und intelligenter werden, er bleibt aber ein Drucksensor. Anders hingegen sieht es bei der Sensorik aus, die sich mit der Position von Dingen und Verfügbarkeiten beschäftigt: Überall dort, wo wir heute einfache Sensoren einsetzen, die die Anwesenheit und Abwesenheit von Dingen feststellen, kann es durchaus sein, dass wir demnächst dreidimensionale Sensoren nutzen, die uns ein komplexes und genaues Abbild ihrer Umgebung zeichnen. Das wird unter anderem auch möglich, weil die Kos- atp plus: Wie tief sind Sie schon getaucht? Dr. Kegel: Zur Zeit sind wir noch im Storytelling -Modus. Es gibt tolle Use-Cases, große Möglichkeiten und Geschichten, aber was uns das am Ende des Tages wirklich bringt, bleibt zu fragen. Belastbare und clevere Business- Modelle, die mir klar zeigen, mit welchen Kosten welcher Aufwand und welcher Nutzen verbunden ist, und das aufgrund vorhandener Daten, haben wir in Deutschland schlicht noch sehr wenige. Gunther Kegel Vorsitzender der Geschäftsleitung Pepperl+Fuchs GmbH 9

6 ten für die Herstellung solcher optischer Sensoren mehr oder weniger im freien Fall sind. So haben die LED- und die Lasertechnik schon in den letzten Jahren Riesensprünge gemacht und können auf kleinstem Raum sehr günstig in Form von Bauelementen eingebaut werden. Schon heute haben wir optische Sensoren, die in der Lage sind, komplexe Geometrien oder Oberflächen sehr schnell zu erfassen, und Signalprozessoren, die mit einer immensen Geschwindigkeit Signale in einer Sekunde verarbeiten. Das wäre vor wenigen Jahren noch undenkbar und auch kaum zu bezahlen gewesen. atp plus: Aber Industrie 4.0 ist das doch immer noch nicht... Dr. Kegel: Richtig, aber an dem Beispiel wird deutlich, wie die Sensorik sozusagen unter der Haube von Industrie 4.0 wichtige technische Voraussetzungen für die umfassende Vernetzung schafft. Wir hatten mal gesagt, Industrie 4.0 ist der deutsche Weg zum Internet of Things, genauer gesagt zum industriellen Internet der Dinge. Das Besondere, was wir uns vorgenommen haben, war: Wir sorgen dafür, dass es über offene Standards eine dreidimensionale Kommunikation gibt, horizontal entlang der Wertschöpfung, vertikal bis zum Geschäftsmodell und in der zeitlichen Richtung entlang des Lebenszyklus. Offene Standards und dreidimensionale Vernetzung. Wenn ich das habe, dann rede ich von Industrie 4.0. Legt man diese Definition zugrunde, gibt es Industrie 4.0 noch nicht, selbst bei den tollsten Leuchtturmprojekten. Denn: Wir haben noch keinen verbindlichen Standard, der diese drei Dimensionen der Kommunikation wirklich offen festlegt. Da liegt also noch ein Haufen Arbeit in Sachen Normung und Standardisierung vor uns, auch wenn es im Marketing schon heißt, wir sind bereits angekommen. atp plus: Alle Anforderungen wird man aber wahrscheinlich nur auf der berühmten grünen Wiese sofort umsetzen können. Was ist das Mittel der Wahl bei bestehenden Anlagen? Dr. Kegel: Ein Weg ist zum Beispiel, bereits vorhandene standardisierte genormte Schnittstellen, wie IO-Link zu nutzen und diese auf die IP-Ebene hochzuheben. Wir machen das bei Pepperl+Fuchs mit unserer Smart Bridge- Technologie. Deswegen wird das Thema IO-Link auch eine Art Renaissance erleben, weil es für die einfachen Sensoren eine Schnittstelle ist, die sich relativ leicht auf eine IP-basierte Kommunikation erweitern lässt. Wenn ich also die IO-Link-Daten einmal in meiner Business-Applikation habe, dann sind die Daten genauso verfügbar und handhabbar, wie wenn ich IP-basiert kommunizieren würde. Außerdem kommt die IO-Link- Schnittstelle ohne zusätzlichen Kosten aus, ist in der Automatisierungsbranche etabliert und wird bereits in vielen Produktionen verwendet. Es wäre also ein geschickter Move zu sagen: Ok, nehmen wir doch erst einmal eine vorhandene standardisierte Schnittstelle wie IO-Link und setzen die dann irgendwann auf die IP-Kommunikation oben drauf. Quasi als Zwischenschritt. atp plus: Was bringt das? Dr. Kegel: Solange viele ihre festverdrahtete Struktur noch nicht aufgeben wollen, ist dies eine Möglichkeit, über Nebenpfade, wie mit der Smart Bridge, an die ich unzählige Sensoren und Aktoren anschließen kann, die Rohdaten direkt nach oben zu geben, ohne die fest verdrahtete Kommunikation, die weiterhin über analoge oder binäre Schnittstellen läuft, zu unterbrechen. In der Fertigung geht das mit IO-Link und in der Prozessindustrie ist dies mit Wireless-HART möglich. Das wird für viele Industrie 4.0-Applikationen ein sinnvoller Weg sein. Natürlich darf man die Kosten für so eine doppelte Infrastruktur nicht unterschätzen, aber es ist damit schon heute möglich, Daten auf eine höhere Ebene, auf die IP-Ebene zu bringen. Das langfristige Ziel ist es ja aber, die Daten direkt aus dem Feld über standardisierte Schnittstellen für die drei oben erwähnten Dimensionen in eine unter Umständen cloud-basierte Anwendung zu geben und damit zu arbeiten. Das ist aber nur der erste Schritt. atp plus: Wie lautet der zweite? Dr. Kegel: Genauso wichtig ist es, sich auch Gedanken über den Inhalt der Verwaltungsschale zu machen, so dass ich am Ende die Komponenten einfach zusammenstecken kann und sich die Sensoren und Aktoren je nach Applikation selbst konfigurieren und fähig sind, mitei- 10

7 nander zu kommunizieren. Dann setze ich ganz oben einen Dienst ein, je nach Anwendung, und die Geräte melden sich dann zur Stelle und erledigen die für diesen Dienst jeweiligen Aufgaben, und zwar ohne dass der Ingenieur den Geräten das jedes Mal individuell beibringen muss. Das ist alles vorstellbar und würde ganz neue Möglichkeiten eröffnen. atp plus: Ist das die Mission, die hinter Industrie 4.0 steht, die autonome Anlage? Dr. Kegel: Was ich sehe, wenn ich nach vorne blicke, ist: Auf lange Sicht bleibt in der Anlage nur das Ding. Der Sensor und der Aktor, das andere brauche ich doch nicht mehr. Die verbinde ich dann mit entsprechend hochleistungsfähigen, digitalen Schnittstellen in eine Computerwelt. Ob das eine Cloud- oder Fogbasierte Struktur hat, ist dabei erst einmal egal. Und genau dort ist dann das Leitsystem oder eine Steuerung eigentlich nur noch eine Softwareapplikation. Denn was macht eine Steuerung heute? Sie liest Sensorwerte ein, trifft eine Entscheidung aufgrund definierter Vorgaben und steuert Aktorwerte wieder aus. Warum muss ich das dezentral, warum muss ich das mit dedizierter Hardware machen, wenn ich doch alle Geräte in der für mich notwendigen Sicherheit- und Echtzeitfähigkeit an ein großes IT-System anbinden kann? Warum kann ich dann nicht einfach meine Applikationen dort installieren und den Rest das System machen lassen oder vielmehr die Dinge? atp plus: Steuerungssysteme raus, Hardware raus, klassische Leitsysteme raus, dezentrale Module raus. Es scheinen uns ziemlich disruptive Zeiten ins Haus zu stehen... Dr. Kegel: Das wird sich zeigen. Ich weiß nur: Wenn wir nicht bereit sind, Zeit und Hirnschmalz in die Weiterentwicklung und die Ausformung dieser Dinge, vor allem der Schnittstellen- und Verwaltungsschalenthematik, zu investieren; wenn wir es nicht schaffen, uns auf gemeinsame Standards zu einigen, dann wird das Internet of Things in der Industrie eine relative lineare Entwicklung nehmen, bei der die Optimierungspotenziale irgendwann abflachen werden. Nur, von netten Digitalisierungsprojekten allein haben wir nichts. Der erwünschte Lawineneffekt kommt erst zustande, wenn wir es schaffen, über gemeinsame Standards die Vernetzung intelligenter Komponenten Wirklichkeit werden zu lassen, dann ist noch viel mehr möglich und es kann in ganz neuen Kategorien gedacht werden. Vor allem aber kann, wenn wir es richtig machen, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie durch Industrie 4.0 deutlich gesteigert werden. ZUR PERSON Gunther Kegel begann seine berufliche Laufbahn nach dem Studium der Elektrotechnik und Promotion an der TU Darmstadt bei Pepperl+Fuchs in Mannheim, Hersteller von Elektronik für die Fabrik-/ Prozessautomation, und ist heute Vorsitzender der Geschäftsleitung. Er ist Mitglied im Vorstand des e.v., im VDE-Präsidium und Wissenschaftsbeirat der Metropolregion Rhein-Neckar, in verschiedenen Aufsichtsräten, im Hochschulrat der Hochschule Mannheim und im Board der FieldComm Group. Er ist Vorsitzender des Ausstellerbeirates Industrial Automation der Hannover Messe sowie Mitherausgeber der Zeitschrift atp edition. Im ZVEI-Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.v. ist er seit 1998 Mitglied des Gesamtvorstands und seit 2007 Vorsitzender des Fachverbandes Automation. 11