Profinet-Daten ohne Rückwirkungen abgreifen

„Wir lauschen passiv mit und müssen nicht aktiv an die SPS ran“, stellt A. Beck heraus. „Der aktive Teil wird physisch entkoppelt.“ Dies bringt große Vorteile mit sich, da vor allem bei Retrofit Projekten niemand in die Steuerung eingreifen will. Änderungen an der SPS- oder Maschinenkonfiguration sind nicht erforderlich. „Die passive Datenerfassung beeinflusst das laufende Profinet Netzwerk in keiner Weise. Unsere App ‚belauscht‘ alle EthernetFrames und hat dabei nur reine Prozessdaten von Profinet im Fokus“, schließt der Hilscher Experte an. Der Ort der Installation der App hängt laut A. Beck vom Daten-Load und der Leistung des Host-Systems ab.

Die Lösung arbeitet mit einem Standard-Gbit-Ethernet-Port als Erfassungsschnittstelle. Der Container ermittelt automatisch die Profinet-Netzwerkstruktur während einer Netzwerk-Start-up-Phase und bereitet sie in seinem integrierten Web-Interface topologisch vor. „Die App lauscht am Profinet mit, wenn die SPS hochläuft. Dabei werden alle Geräte erkannt und aufgelistet“, erklärt A. Beck. Alternativ kann der Anwender die Topologie auch selbst über die GSDML-Dateien vorbereiten. Das Profinet-Netzwerk wird kontinuierlich oder Intervall-basiert abgetastet.

Anschließend bestimmt der Anwender im Netzwerkbaum individuell, welche Prozessdaten an einen beliebigen MQTT-Broker publiziert werden sollen (Bild 2). Der zentrale Aspekt von MQTT ist die ereignisgesteuerte Publish/ Subscribe-Architektur. Das MQTT-Publisher-Intervall beträgt im Minimum 1 ms. Der Datendurchsatz hängt von der Prozessorleistung ab. Es können alle Profinet-Daten lückenlos übertragen werden. „MQTT stellt sozusagen das Tor zur Außenwelt dar“, ergänzt A. Beck. „Wir ertüchtigen Anwender, mit Standard-Ethernet Prozessdaten abzugreifen und auf den MQTT-Bus zu konvertieren.“

Datenabgriff in Netzen mit und ohne Managed Switches

Die Lösung kann einfach physikalisch per Plug-and-play in jedes bestehende Profinet-System integriert werden. „Das Mitschneiden von Profinet-Daten in passiver Weise funktioniert besonders einfach, wenn das Profinet geswitcht ist“, fügt A. Beck an. Der rückwirkungsfreie Datenabgriff am Industrienetzwerk kann durch einen herkömmlichen Managed-Switch mit Mirror-Port erfolgen und an einen beliebigen Gbit-Ethernet-fähigen Container-Host weitergeleitet werden. „Wer in seinem Profinet-Netzwerk über Managed Switches verfügt, kann sofort loslegen“, fügt er an. „Die bisher oft vorhandene Sorge, die IT- mit der OT-Ebene zu verbinden und damit Security-Risiken einzugehen, entfällt.“

Die Zuführung der Daten in den Container-Kontext kann alternativ auch über Container-Systeme mit integrierter Industrienetzwerk-Schnittstelle erfolgen. Das erfordert den Einsatz von netX-basierten Kommunikationslösungen, wie PC-Karten oder Embedded-Modulen. „Möglich ist zum Beispiel auch der Einsatz einer solchen Tap-Lösung im Ethercat-Netzwerk, wofür es einen gleichwertigen Container gibt. Hierbei muss aber aufgrund der Ringstruktur zwingend eine Schnittstellenlösung mit netX-Chip integraler Bestandteil des Netzes sein“, erläutert A. Beck. Zukünftig ist laut A. Beck geplant, diesen Zugriff nicht nur über Hilscher-Geräte zu ermöglichen, sondern die entsprechenden Linux-Treiber auch für Drittgeräte freizugeben, die bereits auf netXTechnologie setzen, „um die Barriere zwischen PC-Karten-Käufer und moderner Containertechnik zu eliminieren“

Hilschers passive Datenweiche netMIRROR kann immer dann zum Einsatz kommen, wenn man Unterbrechungen des Profinet-Netzwerks beispielsweise bei Spannungsausfällen des Container-Hosts vermeiden möchte. Der netMIRROR ist die zuverlässige und effiziente Lösung, um einen permanenten Zugang in das industrielle Kommunikationsnetzwerk zu integrieren, ohne das Netzwerk zu beeinflussen. „Die 1:1 physisch gespiegelten Mirror-Daten werden dann der App zugeführt“, fügt A. Beck an. Dafür verfügt der netMIRROR über zwei Ports zum Abgriff. Für den Produktmanager ist dies der „sicherste und empfohlene“ Weg, wenn keine Managed Switches vorhanden sind.

Die von der Profinet Tap App für den MQTT-Bus generierten Daten werden zukünftig konform zu den Vorgaben der Open Industry 4.0 Alliance sein, in der Hilscher aktiv mitarbeitet. „Die Open Industry 4.0 Alliance hat sich zu MQTT bekundet“, bestätigt A. Beck. „Wichtig dabei ist, dass sich die unterschiedlichen Apps untereinander über die Topic-Liste verstehen. Diese OI4-Konformität ermöglicht es, dass die Apps Daten untereinander austauschen können.“ Dazu müssen die Daten der Apps einer einheitlichen Semantik nach der OI4 Development Guideline entsprechen. Die Apps melden sich dann bei der OI4 Registry an und schon kann der Datenaustausch über den MQTT-Bus mit Drittapplikationen vereinheitlicht erfolgen.

Anwendungen mit wirtschaftlichen Vorteilen

„Die Daten lassen sich Analysesoftwarelösungen zuführen“, erläutert A. Beck. „Davon profitieren Anlagenbetreiber bei einem minimalen Integrationsaufwand.“ Zum Beispiel können sie frühzeitig Anomalien in Produktionsprozessen erkennen oder diese nach Auswertung von Verhaltensregeln optimieren und somit die Produktivität steigern.

„Die Anwender können aus den gewonnenen Profinet-Daten Informationen gewinnen und Werte schaffen“, betont der Automatisierungsexperte. „Dies funktioniert zum Beispiel auch in heterogenen Anlagen mit verschiedenen SPS, die die Profinet-Netzwerke steuern.“ Nach Analyse der Profinet-Daten können Maßnahmen zur Steigerung der Anlagenproduktivität abgeleitet werden. „Das ist auch ein probates Mittel für große Roll-out-Prozesse“, findet der Experte. Weiterhin kann das Gesamtverhalten von kontrollierten Profinet-Signalen mit Unterstützung von Machine-Learning-Algorithmen untersucht werden. „Innerhalb der Anomalieerkennung schaut sich die ML-Software das Spektrum an, erkennt den Regelalgorithmus und identifiziert Werte, die ansonsten allmählich unbemerkt aus dem Ruder laufen würden“, erläutert der Produktmanager.

Eine weitere Anwendung ist die lückenlose Prozess-Datenerfassung ohne Gefahr eines Datenverlusts. Dies dient als Basis für den sicheren 24/7-Betrieb sowie zur Beweisführung. Als Beispiel nennt A. Beck das Erfassen des Drehmoments beim Festziehen von Schrauben und Ablegen in einem Langzeitarchiv: „Bei späteren Reklamationen oder Schadensfällen ist eine konkrete Zuordnung zum Werkstück möglich.“

„Auch eine vorausschauende Wartung kann mit den Profinet-Daten über eine Datenanalyse realisiert werden“, setzt der Hilscher-Manager fort. „Dazu bedarf es im einfachsten Fall einer simplen App, die Zählerstände überwacht. Diese informiert dann nur im Bedarfsfall das Service-Personal über eine durchzuführende Wartung – und dies alles ohne aktive Netzwerkteilnehmer.“

Denkbar sind noch viele weitere Anwendungsszenarien. „Als Kommunikationsexperte setzen wir bei Hilscher auf die sichere und einfache Zurverfügungstellung der erforderlichen Daten“, schießt A. Beck ab. „In die Entwicklung der einzelnen wertschaffenden AI- oder ML-Applikationen wollen wir nicht investieren. Dafür möchten wir passende Partner finden.“

Literatur

1. Hischer Gesellschaft für Systemautomation mbH, Hattersheim: www.hilscher.com