Durchgängige Kommunikation für die Smart Factory

Das Licht am Schaltschrank springt auf Grün. Der Werkstückträger hat sich korrekt auf die Förderlinie abgesenkt, ein Sensor sendet das Positioniersignal. Die Bewegung sieht simpel aus und ist doch das Ergebnis eines hochkomplexen Zusammenspiels aus Sensoren, Aktoren, Leitungen und Netzwerkkomponenten. Nur wenn jeder Schritt exakt auf die anderen abgestimmt ist, vom ersten Signal bis zur Ausführung der Förderbewegung, kommen die Informationen zuverlässig dort an, wo sie gebraucht werden: in der Cloud.

In der nächsten Station wird der Träger mit dem Werkstück beladen – einer Tafel Schokolade. Anschließend gleitet er zu verschiedenen Bearbeitungsstationen, bis schließlich an der Entnahmestation die Tafel an die Messebesucher ausgegeben wird. Beim fünften Durchlauf ertönt ein Signal: Der Stapel mit den schokoladigen Werkzeugträgern ist fast leer. Ein Sensor erkennt per optischer Abstandsmessung den Nachschubbedarf und meldet dies in Echtzeit an das System. In Sekundenbruchteilen gelangt der Messwert über eine ausgeklügelte Abfolge von Leitungen und Datenhubs in die Cloud, wo die Information abrufbar ist.

Die Schokoladen-Förderanlage von Lapp ist weit mehr als eine leckere Attraktion: Sie veranschaulicht modellhaft, wie in Produktionsumgebungen zahlreiche Sensoren und Aktoren zusammenarbeiten, um Daten von der Feldebene bis in die Cloud zu übertragen und so effiziente, transparente Abläufe zu ermöglichen.

Aus der Feldebene in die Cloud

In der intelligenten Fabrik ist die Cloud eine Art „'Gehirn': Es steuert Abläufe, verarbeitet Informationen und koordiniert das Zusammenspiel aller Komponenten. Doch ähnlich wie das menschliche Gehirn auf ein funktionierendes Nervensystem zur Informationsübertragung angewiesen ist, braucht auch die Smart Factory eine leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur. Im industriellen Internet der Dinge (IIoT) übernehmen diese Aufgabe Leitungen, Steckverbinder und aktive Komponenten wie Switches und Router. Sie sind die Nervenbahnen, die Daten sicher von der Feldebene bis ins digitale Zentrum, also in die Cloud transportieren.

Im Sensor werden die Daten erzeugt: Er wandelt physikalische Messgrößen in digitale Informationen um und gibt sie über seine IO-Link-Schnittstelle weiter. „IO-Link ist das optimale Kommunikationsprotokoll für die Feldebene, also die unterste Ebene der Automatisierungspyramide, in der Signale erfasst und weitergegeben werden“, erklärt Jürgen Greger, Produktmanager Industrial Communication bei Lapp. Neben der Übertragung von Prozesswerten ermöglicht sie auch Diagnosefunktionen, Parametrierung aus der Ferne und den schnellen Gerätetausch per Plug & Play.

Der Anschluss erfolgt über Epic-M12-Steckverbinder und robuste Sensor-/Aktorleitungen wie die Unitronic-Sensor M12 SH des Herstellers, die es vorkonfektioniert in verschiedenen Längen gibt und sich für den Einsatz in Schleppketten eignen. Selbst bei einem Wechsel von alten (analogen) Sensoren gegen einen IO-Link-Sensor können die Installateure bereits vorhandene Standardleitungen mit M12-Anschluss weiterverwenden.

Cybersecurity beginnt schon vor der Produktion

Vernetzte Anlagen, KI-Systeme und softwaregetriebene Funktionen machen die Automatisierung leistungsfähiger – und verwundbarer. Wirksame Cybersecurity muss deshalb schon in Entwicklung, Architektur und Integration ansetzen, nicht erst im laufenden Betrieb.

Daniel Bunse

Aktive Komponenten für die Feldebene

Am anderen Ende der Leitung sorgen Epic-M12-Steckverbinder für die Verbindung zu einem IO-Link-Master wie dem Unitronic Access MP08 IOL. Das Gerät hat acht M12-Anschlüsse, eine Spannungsversorgung und eine Netzwerkverbindung zur Ausgabe. Damit bringt Lapp erstmals aktive Komponenten in die Feldebene. Diese Dezentralisierung reduziert Verdrahtungsaufwand und Fehleranfälligkeit, da die Sensoren nicht mehr einzeln im Schaltschrank verdrahtet werden müssen. Umfangreiche Diagnosemöglichkeiten zur schnellen Fehlersuche und -behebung erhöhen die Anlagenverfügbarkeit.

Der IO-Link-Master bündelt die Signale der angeschlossenen Sensoren und überträgt sie über IoT-Protokolle in die Steuerungsebene. Die Unitronic-Access-Geräte sind als Single- oder Multiprotokoll-Varianten erhältlich. Letztere unterstützen klassische Industrial-Ethernet-Standards wie Profinet, Ethernet/IP, EtherCAT, Modbus TCP, CC-Link IE sowie moderne IoT-Protokolle wie OPC UA, MQTT, REST API und CoAP. Das gewünschte Kommunikationsprotokoll lässt sich direkt am Gerät per Drehschalter auswählen, eine zusätzliche Softwarekonfiguration ist nicht nötig. Diese Vielseitigkeit ermöglicht echtes Plug & Play und schafft maximale Flexibilität für unterschiedlichste Anwendungen. So entsteht eine skalierbare Lösung, die sich in unterschiedliche industrielle Umgebungen integrieren lässt.

Finale Komponente der Datenkette ist der MQTT-Broker, der die Übergabe der gesammelten Maschinendaten an die Cloud organisiert. Meist basiert er auf einem industrietauglichen Einplatinencomputer wie einem Industrial Raspberry Pi. Er empfängt die Daten und leitet die MQTT-Nachrichten über das TCP/IP-Netzwerk sicher in die Cloud weiter. Von dort können Anlagenbetreiber aus der Ferne auf die Informationen zugreifen – für vorausschauende Wartung, Qualitätsüberwachung oder Prozessoptimierung.  

Für Lapp ist die Schokoladen-Förderanlage die Blaupause einer modernen Kommunikationsarchitektur. In realen Produktionsumgebungen, in denen Hunderte Sensoren und Aktoren miteinander kommunizieren, wird dieser um zusätzliche Netzwerkebenen erweitert. Zwischen IO-Link-Master und MQTT-Broker koordinieren auch Managed Switches und Router den Datenfluss. Das Unternehmen setzt dabei auf Komponenten wie den Profinet-zertifizierten Switch Etherline Access PNF für stabile Kommunikation, die Etherline Access NAT/Firewall für erweiterten Schutz und den Etherline Access Managed Switch mit Lichtleiteranschlüssen für hohe Übertragungsraten bis zu 1 GBit/s. Zur Verbindung der Switches kommen Patchkabel wie Etherline PN Cabinet Cat.6A für elektrische Verbindungen oder GOF Duplex Patchcords für Lichtwellenleiter zum Einsatz. So entsteht ein durchgängiges Kommunikationssystem, das mit den Anforderungen wächst und von der spielerischen Demoanlage bis zur vernetzten Großproduktion Daten nutzbar macht.

Komplettes Portfolio, individuelle Lösungen

Komponenten, die optimal aufeinander abgestimmt sind, sind Voraussetzung für das reibungslose Zusammenspiel industrieller Kommunikationssysteme. Lapp bietet dafür ein Komplettportfolio, das neben robusten Leitungen und Steckverbindern auch aktive Netzwerkkomponenten und Cloud-Schnittstellen umfasst.

„Bei uns bekommt der Kunde alle aktiven und passiven Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt und in bewährter Qualität aus einer Hand“, verspricht Thomas Leitmann, Applikationsingenieur und zertifizierter Profinet-Ingenieur für den Bereich Industrielle Kommunikation bei Lapp. Während viele Anbieter ihre Lösungen innerhalb eigener Systemgrenzen entwickeln, setzt der Hersteller auf Kundennähe und Flexibilität. „Unser Team ist agil und bringt gleichzeitig jahrzehntelange Expertise in Verbindungstechnologien mit. Gemeinsam mit unseren Kunden finden wir auch bei ungewöhnlichen Herausforderungen eine individuelle Lösung“, so Leitmann.

Das zahlt sich besonders bei der digitalen Nachrüstung bestehender Anlagen aus. In diesen sogenannten Brownfield-Anlagen treffen die Experten von Lapp häufig auf eine Kombination älterer Komponenten, die weiterverwendet werden sollen, oder auf Systeme verschiedener Hersteller. Anstatt alles zu ersetzen, integriert der Hersteller neue Produkte in bestehende Strukturen. „Das schafft maximale Freiheit für unsere Kunden und sorgt dafür, dass sie ihre Anlagen zukunftssicher betreiben können“, unterstreicht Thomas Leitmann.