Die Einführung von Industrie 4.0 im Jahr 2011 war mit besonderen Herausforderungen verbunden. Erstens mussten die in einer durchschnittlichen Industrieanlage verwendeten proprietären Geräte vereinheitlicht werden, um datengesteuerte Strategien umzusetzen. Zweitens wurde ein zuverlässiges Kommunikations- und Datenübertragungsmittel benötigt, um den Datenaustausch zu ermöglichen, und schließlich war ein deterministisches Netzwerk erforderlich, um die Echtzeit-Datenübertragungen für intelligente Anwendungen zu realisieren.
Die Lösung der Herausforderungen erforderte Fortschritte in der Kommunikationstechnologie und einen Vereinheitlichungsstandard, den OEMs und Anlagenbesitzer nutzen können, um die digitale Transformation und Industrie 4.0-Geschäftsmodelle zu erreichen. 5G und OPC UA bieten Lösungen für die Herausforderungen der Kommunikation und Vereinheitlichung im Industriesektor.
Einführung in die OPC Unified Architecture (UA) Standards
Vor ein oder zwei Jahrzehnten bestanden die Anlagen in den durchschnittlichen Fertigungshallen aus Geräten mehrerer OEMs, die eigene Software und Tools zur Verwaltung der von ihnen hergestellten Geräte entwickelten. Diese firmeneigenen Anlagen wurden zusammen mit älteren Anlagen verwendet, die immer noch 40 % der Anlagen in einer durchschnittlichen Fabrikhalle ausmachen, und diese Anlagen funktionierten innerhalb ihrer eigenen Silos. So bestanden die Produktionszyklen aus Geräten, die nicht miteinander kommunizieren oder in miteinander verknüpften Umgebungen arbeiten konnten.
So konnten beispielsweise Schneide- oder Schleifmaschinen, die CNC-Maschinen mit Rohstoffen versorgen, nicht miteinander kommunizieren oder Bestandsdaten austauschen, es sei denn, diese Maschinen stammten von einem einzigen Anbieter. Dies kann dazu führen, dass eine CNC-Maschine über weniger Rohstoffe verfügt, als sie zur Deckung der Nachfrage benötigt. Das Ergebnis sind entweder Ausfallzeiten oder eine schlechte Kundenzufriedenheit aufgrund von nicht erfüllten Aufträgen. Die Lösung von Industrie 4.0 für die Kommunikationsherausforderung war die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, und genau das ist es, was OPC UA löst.
OPC UA bietet Herstellern die Standards für die Implementierung einer unabhängigen, serviceorientierten Plattform, die die in der Fertigung verwendeten proprietären und älteren Geräte bedient. Seit ihrer Gründung im Jahr 2008 hat die OPC Foundation die Partnerschaft von OEM-Stakeholdern wie Siemens, Rockwell, Schneider, Bosch usw. in ihrem Kreis begrüßt. Die Beteiligung dieser großen Unternehmen bedeutet, dass die Hersteller ein offenes Kommunikationsprotokoll nutzen können, um die Kommunikation zwischen proprietären Geräten zu unterstützen.
Die OPC Foundation bietet auch einen Rahmen, der die Frage des Determinismus beantwortet. Früher erfolgte die Übertragung von Datenpaketen durch die massenhafte Übertragung von Datenpaketen an die einzelnen Geräte in der Werkstatt. Dies bedeutete, dass die einzelnen Geräte mehrere Datenpakete empfangen konnten, bis sie genau die Informationen erhielten, die an sie gesendet wurden. Die Technik der Massenübertragung von Daten war unzuverlässig, und die Hersteller konnten keine genauen Zeitangaben machen, wann die einzelnen Geräte bestimmte Datenpakete erhalten, so dass ein deterministischer Ansatz erforderlich war.
In Szenarien, in denen kritische industrielle Prozesse in Echtzeit ablaufen müssen, ist eine deterministische Vernetzung erforderlich. OPC UA over Time Sensitive Networking (TSN) wurde ins Leben gerufen, um die Determinismus-Herausforderungen zu lösen, mit denen der industrielle Sektor bei der Vernetzung und Kommunikation konfrontiert ist. OPC UA over TSN verbessert drahtgebundene Ethernet-Netzwerke durch die vorhersehbare zeitliche Bereitstellung von Informationen. Auf diese Weise können Hersteller die Zustellung bestimmter Datenpakete über offene Netzwerke priorisieren, um eine Echtzeitkommunikation zwischen Anlagen in der Fertigung zu erreichen.
Die Verwendung von kabelgebundenen Netzwerken in der Fertigung ist mit verschiedenen Einschränkungen verbunden. Zu diesen Einschränkungen gehören die Kosten für die Erweiterung von kabelgebundenen Netzwerken, um neue Anlagen in der Fertigung zu berücksichtigen, und die Nutzung von Ethernet zur Unterstützung von IoT, Edge-Implementierungen oder Plattformen für die digitale Transformation in großem Maßstab. Um diese Beschränkungen zu umgehen, ist ein zuverlässiges drahtloses Netzwerk erforderlich, das skaliert werden kann, um den gestiegenen Anforderungen gerecht zu werden, und das in der rauen Umgebung von Industrieanlagen zuverlässige Netzwerke mit niedriger Latenz liefern kann – hier kommt 5G eine wichtige Rolle zu.
5G-Netz und die intelligente Industrieanlage
Die drahtlose Vernetzung ist im Industriesektor nicht neu, aber ältere Iterationen wie 3G- und 4G-Netzwerke bieten nicht die zuverlässige Netzwerklatenz und Bandbreite für Echtzeit-Datenübertragungen. Die Übertragung von datenintensiven Informationen im 4K-Videoformat oder der Austausch von Echtzeitdaten zwischen mehreren IoT-Geräten und einem digitalen Zwilling erfordern beispielsweise eine hochleistungsfähige Netzwerkstabilität, die 4G nicht bieten kann.
Der Bedarf an Netzwerkzuverlässigkeit und -geschwindigkeit wurde zu den Hauptproblemen, die 5G angeht. Es ist eine Tatsache, dass das 5G-Netz die erste Iteration der drahtlosen Kommunikation ist, die für den Industriesektor entwickelt wurde. Bei voller Kapazität werden 5G-Netze mehr als fünfmal schneller sein als 4G-Netze und mehr als eine Million Geräte auf einem Quadratmeter unterstützen. Bei der Einführung von 5G wird außerdem ein modularer Ansatz verfolgt, bei dem 5G-Boxen verwendet werden – im Gegensatz zu den umfangreichen Upgrades, die bei der Erweiterung kabelgebundener Netze erforderlich sind. Dies bedeutet, dass 5G-Netze die Zuverlässigkeit bieten, die 4G nicht bieten kann, und die Skalierbarkeit sowie die Erschwinglichkeit, die kabelgebundene Netze nicht bieten können.
5G-Netze werden auch die weit verbreitete Einführung von Lösungen für die digitale Transformation wie intelligente Hardware und Analysesoftware in der Fertigung unterstützen. Durch die Nutzung von 5G können Hersteller problemlos neue IoT-Geräte in die Produktion einbinden, Big-Data-Sätze an digitale Zwillingslösungen übertragen und Industrie 4.0-Anwendungsfälle problemlos erweitern.
5G-Netze werden auch deterministische Netzwerke ermöglichen, indem sie deterministische SLAs und intelligentes Network Slicing nutzen, um sicherzustellen, dass Hersteller Datenübertragungen und Echtzeitkommunikation priorisieren können. Die Einführung von 5G-Netzen wird eine umfassende Unterstützung für Edge- und Cloud-Computing-Anwendungen im Fertigungssektor bieten. Beispiele hierfür sind der Einsatz von digitalen Zwillingsanwendungen für die Fernüberwachung und die Ermöglichung der Kommunikation zwischen Edge-Geräten und zentralisierten Cloud-Ökosystemen.
Schlussfolgerung
Maschine-zu-Maschine- und Maschine-zu-Cloud-Kommunikation sind Schlüsselaspekte für die Verwirklichung der intelligenten Fabrik im Sinne von Industrie 4.0. Die von der OPC Foundation erzielten Fortschritte und die Weiterentwicklung der drahtlosen Technologien werden die deterministische Vernetzung ermöglichen, die für die Automatisierung industrieller Arbeitsabläufe und die Realisierung der „Lights Out“-Fabrik erforderlich ist.