Data zijn de nieuwe grondstof

Door Bernd Müller

Ze hebben allemaal een revolutie teweeggebracht in de manier waarop ze werken en goederen produceren en de productiviteit vermenigvuldigd. En ze hebben nieuwe ‘grondstoffen’ ontwikkeld: Stoomkracht, elektrische energie, elektrische signalen. Industrie 4.0 is opnieuw een grote stap vooruit: data is de nieuwe grondstof van de 21ste eeuw. Zo komen de fysieke en digitale wereld samen en tegelijkertijd nemen de netwerken toe: elke machine, elk ‘ding’ wisselt informatie uit met andere.

Dit heeft gevolgen voor de organisatie in productiebedrijven, vooral met betrekking tot de datastroom. De klassieke automatiseringspiramide met bovenaan het bedrijfsniveau (ERP), het besturingsniveau in het midden en het veldniveau aan de basis zal oplossen in een infrastructuur zonder hiërarchie. Het analyseren en visualiseren, het nemen van beslissingen en het vertalen daarvan naar fysieke bewegingen, alsmede het vastleggen van informatie in een digitale tweeling vinden continu en gelijktijdig plaats en zijn onderling afhankelijk.

In de weg

Oliver Riedel, professor aan het Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) van de Universiteit Stuttgart is er van overtuigd dat de automatiseringspiramide stap voor stap zal verdwijnen. De hiërarchische communicatiestructuren zullen plaats maken voor flexibele hiërarchieën waarin cyberfysieke systemen via een hecht netwerk informatie uitwisselen met elkaar en met de bedrijfs-IT en cloud Wat dit doel in de weg staat, is de huidige wildgroei van communicatienormen. Sinds het begin van de jaren 2000 bloeit de Ethernet-standaard (IEEE 802.3), maar in fabrieken is van een standaard geen sprake. De verschillende Ethernet-varianten zijn niet automatisch compatibel zijn. En dan zijn er nog vele andere veldbusstandaarden. Maar wat niet heeft gewerkt op het publieke internet zal ook niet lukken binnen de muren van de fabriek. Gebruikers vragen vandaag de dag om algemene, open standaarden die een onbelemmerde datastroom mogelijk maken – door het hele bedrijf en op alle gebieden. Het is onvermijdelijk: de vele netwerkstandaarden zullen convergeren naar één standaard.

TSN

Nu maakt bij een klik op een link in de webbrowser niet uit of de een halve seconde eerder of later opbouwt. Maar in de automatisering gaat het om milliseconden, soms zelfs om microseconden. Ethernet werkt met stochastische toegangsmethoden en grote datapakketten, zogenaamde frames, en is daarom op zichzelf niet realtime geschikt.

Een uitweg is het tijdgevoelige netwerk TSN. Dit is een toekomstige standaard gebaseerd op een voorstel van het Ethernet Panel. Het grote voordeel is dat het niet afkomstig is van de automatiseringsomgeving, maar van de audio/video-sector, en het zal dus waarschijnlijk te maken krijgen met minder afwijzing en concurrerend denken van de kant van automatiseringsbedrijven. Concertzalen beschikken over real-time Ethernet, zodat geluidssignalen van verschillende microfoons altijd zonder vertraging op de talrijke luidsprekers worden afgespeeld. Want zelfs vertragingen van enkele milliseconden tussen audiokanalen zouden als echo’s waarneembaar zijn.

Toegepast op automatisering zou TSN als oplossing op basis van convergente netwerken vele voordelen bieden. Alle deelnemers in een TSN-netwerk zijn tijdgesynchroniseerd, zodat ze precies op het juiste moment de juiste actie uitvoeren. TSN heeft verschillende zogenaamde verkeersklassen met verschillende tijdvensters, die het mogelijk maken gegevens te prioriteren op basis van bandbreedte en nauwkeurigheid. Belangrijke informatie die geen vertraging toelaat kan een hogere prioriteit worden toegekend waar bandbreedte en tijdsvensters voor zijn gereserveerd. TSN wordt een gestandaardiseerde, volledig compatibele, uitbreiding van Ethernet. Het is nog niet beschikbaar in veel producten, maar de eerste apparaten en demonstratoren bestaan al.

OPC-UA

TSN zorgt ervoor dat de gegevens op tijd arriveren waar ze nodig zijn. Het bevat echter geen informatie over wat deze gegevens betekenen. Een tweede standaard zorgt hiervoor: OPC-UA. Dit is een communicatieprotocol voor gegevensuitwisseling tussen cyberfysische systemen en is nu een beetje de quasi-norm. Real-time is het niet. Maar de experts van de Stuttgart ISW werken hier aan samen met standaardisatiecommissies. "Communicatie is niet langer een uniek verkoopargument", zegt Oliver Riedel. "Wie TSN of OPC-UA probeert te bestrijden en blijft vertrouwen op propriëtaire oplossingen, zal waarschijnlijk niet lang meegaan."

Ook het onderwerp ‘veiligheid’, de verdediging tegen hackeraanvallen, is nog onderwerp van discussie. Voor het aspect veiligheid, de bescherming van werknemers, bestaan al goede oplossingen. De bediener moet er bijvoorbeeld op kunnen vertrouwen dat zijn machine onmiddellijk stopt wanneer hij op de rode noodknop drukt. Dergelijke commando’s hebben bij TSN de hoogste prioriteit. Met deze eigenschappen, heeft TSN het potentieel om de Babylonische verwarring in industriële gegevenscommunicatie op te lossen.

Explosief

Als iedereen met iedereen communiceert, neemt het aantal verbindingen explosief toe. Goed nieuws voor een bedrijf als Lapp dat zich toelegt op de verbindingen. "Lapp legt de verbindingen in fabrieken, voor machines, voor elke industriële activiteit", stelt Georg Stawowy, bij Lapp lid van de raad van bestuur en verantwoordelijk voor techniek en innovatie. Zelfs als de automatiseringspiramide verdwijnt, zal het laagste niveau met de basisinfrastructuur voor het transport van data altijd nodig zijn.

Verbindingstechnologieën worden daarom nog belangrijker. Dit geldt niet alleen voor hun aantal, maar ook voor hun kwaliteit, duurzaamheid en beschikbaarheidseisen. Verbindingstechniek mag dan vanuit investeringsperspectief een ondergeschikte rol spelen in een geautomatiseerde fabriek, maar bij falen kunnen de kosten snel hoog oplopen. Denk aan een assemblagelijn in een autofabriek die hierdoor tot stilstand komt. "Sommige gebruikers mogen dan in een kabel of connector een C-onderdeel zien, maar het zijn A-onderdelen wat betreft hun belang", stelt Stawowy.

Goede raad

En het zijn onderdelen die knowhow bevatten. De eisen die aan de verbindingstechnologieën zelf worden gesteld en hun verscheidenheid nemen toe en het wordt voor veel gebruikers steeds moeilijker om bij te houden welke producten en combinaties geschikt zijn voor hun specifieke eisen. Er zijn twee mogelijkheden: je vertrouwt op je ervaring en bestelt onderdelen die waarschijnlijk aan de eisen voldoen. Of je kunt advies inwinnen bij deskundigen, wat gezien de steeds complexere materie en volgens Stawowyi de voorkeur verdient. Belangrijk hierbij is een holistisch begrip dat verder gaat dan pure productkennis. "We stellen dat we onze klanten begrijpen en zien onszelf als gidsen." Dit betekent dat ze de uitdaging van de klant begrijpen en maken voor hem of haar een oplossing op maat. Met de juiste producten uit het portfolio, eventueel ook maatwerkproducten, en – zoals steeds populairder wordt – inbouwklaar inclusief de engineering. Stawowy: "Dit houdt ook in dat we klanten voorzien van de nieuwste kennis, bijvoorbeeld via webinars of video’s met uitleg." Deze opleidingsactiviteiten zullen in de toekomst worden uitgebreid tot de basis van de automatiseringstechniek.

Vraag naar kabels

Het portfolio van de onderneming met hoofdkantoor in Stuugart bevat alle belangrijke componenten die een gebruiker nodig heeft om een zijn fabriek te ontwerpen volgens de principes van Industrie 4.0, met inbegrip van een grote selectie van datakabels voor verschillende standaarden zoals Profinet of CC-Link. Sinds kort horen daar ook switches bij voor de distributie van gegevens onder ruwe, veeleisende omstandigheden. Verdere toevoegingen volgen. Maar die altijd zijn gebaseerd op wat de klant nodig heeft, stelt het bedrijf. Daarom onderzoekt het de communicatietrajecten in klanttoepassingen om precies te bepalen wat de eisen zijn en hoe een ideale oplossing moet worden ontworpen. Op basis hiervan zal de portefeuille navenant verder worden uitgebouwd.

Deze activiteiten worden ook weerspiegeld in de omzet. De divisie Industrial Data Communications groeit momenteel met meer dan 20 procent per jaar. Vooral de Ethernetactiviteiten groeien sterk. Strategisch gezien zal de industriële datacommunicatie toenemen ten opzichte van de klassieke Ölflex -aansluitkabel – maar alleen relatief, omdat dit deel van de business ook in absolute termen groeit. Dat is niet verwonderlijk, want naast netwerken blijft de elektrificatie groeien en met elektrificatie neemt ook de vraag naar kabels toe. Aandrijvingen, verlichting en airconditioning hebben elektriciteit nodig.

En draadloos?

Maar waarom kabels als je ook gegevens kunt overbrengen via WLAN, Bluetooth of andere draadloze technologieën? Dat is in principe waar, maar onder zware fabrieksomgeving hebben draadloze technologieën verschillende nadelen, van verbindingsstabiliteit tot wachttijden (latency), waardoor realtime toepassingen moeilijk te realiseren zijn. Draadloos betekent niet het einde van bekabeling, maar is een verstandige oplossing in een snel groeiende markt voor speciale toepassingen. Ook hiervoor worden met partners draadloze oplossingen aangeboden en zullen waar nodig verdere componenten aan het programma worden toegevoegd.

Voorspellen is moeilijk, zeker als het om de toekomst gaat – dat wist Mark Twain al. Daarom is voorzichtigheid geboden bij speculaties over hoe de industrie zich over een paar decennia zal ontwikkelen. En wanneer misschien een vijfde industriële revolutie zal plaatsvinden en wat deze zal brengen. Voor Stawowy is het voor de komende tien jaar wel duidelijk: "We zullen waarde-creërende netwerkarchitecturen zien; de relaties tussen bedrijven, klanten en gebruikers zullen dan niet meer worden bepaald door hun locatie of hun verbondenheid met een bedrijf, maar met welke digitale ecosystemen ze zich verbinden. Wat de toekomst ook brengt – Lapp levert de infrastructuur."