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So wird die IoT-Technologie in der Praxis unserer Community angewendet

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Die Voraussetzung für ausgelagerte Dienste in der Robotik

Die Vernetzung von Robotern stellt Anwender und die industrielle Automatisierungswelt vor neue Herausforderungen. Vor allem die Verknüpfung der Operational Technology (OT) mit der IT erfordert eine neue Verbindungstechnik: Einerseits sind die Bandbreitenanforderungen der Maschinendaten gering, andererseits ist oft eine echtzeitfähige Verbindung für Steuerungsinformationen gefordert. Eine skalierbare Zukunft mit IIoT kann nur dann gelingen, wenn eine herstellerübergreifende Vernetzung möglich wird – ein Aufruf für die Industrie. 

Die Herausforderung: Kommunikation mit der IT-Ebene nicht herstellerübergreifend möglich

Roboter haben einen sehr breiten Anwendungsbereich – in der Autoindustrie, der Elektronikbranche, in der Metallverarbeitung oder bei der Herstellung von Konsumgütern. Die Digitalisierung erlaubt und erfordert es, Zugriff auf Maschinendaten für ausgelagerte Dienste auf Edge-Devices oder in Cloudservices zu geben.  

KUKA geht diesen Weg: Der Hersteller macht Roboterdaten für spezifische Anwendungen wie Asset Management, Fehlerbehebung, Zustandsüberwachung oder Diagnose nutzbar. Mit spezifischen Cloud-Anwendungen erzielen Kunden höchste Verfügbarkeit und eine optimale Auslastung der Anlagen. Bei einem Hersteller von elektronischen Geräten werden sie zum Beispiel zusammen mit Spritzgussmaschinen eingesetzt. Roboter, Maschine und weitere Werkzeuge zum Schleifen, Entgraten oder Fräsen bilden dabei eine integrierte Produktionsstation. Der Roboter agiert als „Man in the Middle“, der das gefertigte Werkstück der Maschine entnimmt und es zu den Werkzeugen für die Nachbearbeitung bringt. Zum Beispiel führt der Roboter das Bauteil an einem Werkzeug entlang, um es zu entgraten. Wichtig ist hierbei die präzise Taktung, für die alle Komponenten inklusive des Roboters miteinander kommunizieren müssen. Bisher wurden herstellerspezifische, hardwaregebundene Schnittstellen genutzt. Die genutzte Operational Technology (OT) ist zwar computerbasiert, aber nicht ohne weiteres mit IT-Systemen zu vernetzen. 

 

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KUKA Robots for Plastics Industry

 

Um den Kunden digitale Leistungsangebote zu bieten, bedarf es einer guten Kommunikation zwischen allen Ebenen und Systemen beim Kunden. Die Herausforderung liegt darin, dass solche konvergenten Netzwerke heute noch nicht durchgängig verfügbar sind. Also können die Nutzer aktuell nicht aus der IT-Ebene heraus auf alle Geräte in der OT zugreifen. Die Vielzahl an proprietären Feldbussen verhindert „die letzte Meile“ zu Daten aus dem Roboter, Geräten und Maschinen. Denn viele Unternehmen wollen Maschinen- und Prozessdaten mit IT-Anwendungen analysieren. Sie können damit die Supply Chain steuern, die Produktqualität steigern und die Maschinenlaufzeiten optimieren. Hierfür sind Standards im Shopfloor gefordert, die eine sichere, zuverlässige, hersteller- und plattformunabhängige Kommunikation gewährleisten. Sie fördern die enge Zusammenarbeit zwischen Herstellern und Endanwendern. Nur so kann eine skalierbare Vernetzung gelingen. 

Die Lösung: Neue Technologien und Partnerschaften schaffen eine standardisierte und herstellerübergreifende Vernetzung

Grundsätzlich basiert die Lösung auf allgemeinen IIoT-Prinzipien: Sensoren oder Schnittstellen zu vorhandenen SPSen senden die Daten per Kabel oder Funk an ein Gateway, das die Verbindung ins Internet aufbaut und die Sensordaten an eine Cloud-Plattform schickt. Häufig ist das Gateway ein sogenanntes Edge-Device mit eigener Rechenkapazität, beispielsweise um Daten zu filtern und zu komprimieren. 

KUKA Roboter
  1. Intelligente Sensoren für die Industrie können neben der primären Sensorfunktionalität zusätzliche Informationen für den Prozess bzw. Digitalisierung einer Maschine liefern. So gibt es beispielsweise kompakte 3D Sensoren für die Kollisionsüberwachung, die neben der eigentlich Objektposition auch Größe und Form ermitteln. Dadurch regelt ein Roboter seine Arbeitsgeschwindigkeit und passt sich an die Umgebung an – etwa beim Herausnehmen eines Spritzgussbauteils. Diese Sensoren ermitteln Werte wie Bildinformationen, Temperatur, Feuchtigkeit oder Vibration und senden die Maschinen- und Prozessdaten in die Cloud.
  2.  Voraussetzung dafür ist eine effiziente Kabelstrecke, die den Sensor mit einem IIoT-Gateway verbindet. Harting nutzt Single Pair Ethernet (SPE) als Verkabelung. Der neue Industriestandard erlaubt mit nur einem Adernpaar eine Bandbreite von maximal einem Gigabit pro Sekunde. Zum Vergleich: In der IT sind für diese Bandbreite 8-adrige Kabel üblich. SPE ist eine robuste und materialsparende Ethernet-Verkabelung, die langfristig die bisher üblichen Feldbusse ersetzen soll.
  3. Als Übertragungsprotokoll dient das standardisierte OPC UA over TSN, das den Industrie-4.0-Standard OPC UA mit Echtzeitfähigkeiten erweitert. Die „Open Platform Communications Unified Architecture“ bietet eine herstellerübergreifende Kommunikation vom Sensor über Gateways bis hin zu den verarbeitenden IT-Systemen im Backend oder in der Cloud. TSN macht hier OPC UA Echtzeitfähig. OPC UA ist eine wichtige Voraussetzung für die durchgehende, sichere Vernetzung von der Feldebene bis in die Cloud.

Das Ergebnis: Eine standardisierte Wertschöpfung für die Zukunft

Mit den miniaturisierten Sensoren erhalten die Nutzer der Roboter und Werkzeugmaschinen deutlich mehr Daten als bisher möglich. Die geringe Baugröße sowie die unkomplizierte Verkabelung ermöglichen auch das Nachrüsten von älteren Industrierobotern und Werkzeugmaschinen. Dadurch können die nutzenden Unternehmen sowohl ihren Maschinenpark als auch ihre Prozesse analysieren. 

Der Einsatz von SPE macht ein solches System für größere Unternehmen mit mehreren, großflächigen Werken deutlich kosteneffizienter als die herkömmliche Ethernet-Verkabelung. Die typische Bandbreite von Industrial-IoT-Anwendungen ist gegenüber IT-Netzen gering. Deshalb sind vieladrige Ethernet-Kabel vor allem angesichts der Rohstoffpreise für Kupfer zu aufwendig, Single-Pair-Verkabelung reicht aus.  

Gleichzeitig ist mit dem Standard OPC UA die einfache Verbindung zwischen OT und IT möglich. Moderne Industrial-IoT-Anwendungen verarbeiten damit jede Art von Maschinen- und Prozessdaten. Allein die Informationsgewinnung erleichtert den Unternehmen zum Beispiel die Steuerung der Supply Chain und die Reaktion auf Anomalien. Hinzu kommt: TSN als Echtzeit-Protokoll mit minimaler Latenz erlaubt es außerdem, die Roboter oder andere Komponenten auf dem Shopfloor mit einem MES (Manufacturing Excecution System) fernzusteuern. 

Anwender

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Die KUKA AG ist ein weltweit führender Anbieter von Robotik sowie Anlagen- und Systemtechnik und ein Pionier in der Industrie 4.0. KUKA hat einen Umsatz von rund 2,6 Mrd. EUR und rund 14.000 Mitarbeitende. Der Hauptsitz des Anbieters intelligenter Automatisierungslösungen ist Augsburg.

Umsetzungspartner

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Von der Fabrikautomation über die Logistikautomation bis hin zur Prozessautomation - die Sensorlösungen von SICK halten die Industrie in Bewegung. Als Technologie- und Marktführer bietet SICK mit Sensorintelligenz und Applikationslösungen die perfekte Basis, um Prozesse sicher und effizient zu steuern, Menschen vor Unfällen zu schützen und Umweltschäden zu vermeiden.

Die HARTING Technologiegruppe ist ein weltweit führender Anbieter von industrieller Verbindungstechnik für die drei Lebensadern Data, Signal und Power mit 14 Produktionsstätten und 44 Vertriebsgesellschaften weltweit.

Weltweit vertrauen Kunden auf B&R als zuverlässigen Partner für die Maschinen- und Fabrikautomatisierung. B&R bietet ein integriertes Ökosystem aus Hard- und Software für Steuerungstechnik, Mechatronik und sichere Konnektivität für industrielle IoT-Lösungen.

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