Systemintegration in Industrie 4.0 und IoT: Vom Ethernet bis hin zum Internet und OPC UA (German Edition)

Wer Industrie 4.0 sagt, meint Internet oder auch IoT und wer IoT sagt, meint auch Ethernet. Alle drei Begriffe sind eng miteinander verbunden. Das Buch zeigt die geschichtliche Entwicklung und die Technische Entwicklung von Hardware, Software sowie Protokolle von Ethernet über Internet (IoT) bis hin zu OPC UA, der heute besten plattformunabhängigen Kommunikationsvernetzung. Ein Fokus von Industrie 4.0 ist die Betrachtung und Einordnung der Künstlichen Intelligenz und der Prädiktiven Wartung . Es werden Beispiele für Vernetzungstopologien von der Fabrikebene über die SPS-Ebene, SCADA/HMI-Ebene MES bis hin zur ERP-Ebene erläutert. Schwerpunkte sind Feldbusse, Internet und Ethernet TCP/IP. Es werden die verschiedenen Ethernet/Internet- und echtzeitfähigen Feldbusse wie PROFINET, EtherCAT, Ethernet/IP sowie deren Implementierung erläutert. Thema sind horizontale und vertikale Kommunikationsstrukturen, Feldbusse und Kommunikationsprotokolle gemäß des OSI-Modells und der Automatisierungspyramide gezeigt und wie diese in modernen Industrieanwendungen Eingang finden. Geleitwort Danksagung Inhaltsverzeichnis Über den Autor 1 Einleitung, warum dieses Buch Literatur 2 Geschichte der Automatisierung 2.1 Geschichte der Automatisierung von der Antike bis heute Literatur 3 Industrie 4.0 und IoT– Zusammenhänge 3.1 Geschichte von Industrie 4.0 3.2 Inhalte und Forderungen von Industrie 4.0 3.3 Einordnung von Industrie 4.0 3.4 Beispiel einer Planung zur Simulation der Wertschöpfungskette 3.5 Lösungsgeschäft in der Automatisierung oder ‚Consultative Value Selling‘ oder ‚Value added Selling‘ 3.5.1 Schichtdickenmessung als Beispiel zum Lösungsverkauf oder ,Consultative Value Selling‘ in der Automatisierung 3.5.2 Typische Kenngrößen für das Lösungsgeschäft Literatur 4 Künstliche Intelligenz (KI) 4.1 Künstliche Intelligenz heute 4.2 Die Geschichte von KI 4.3 Künstliche Intelligenz und Lernverfahren 4.3.1 Definition von Künstlicher Intelligenz 4.3.2 Grundsätzliche Lernverfahren für KI 4.4 Struktur von KI und Klassifikatoren 4.5 Maschinenlernen – Statistische Lernverfahren und der Bayes-Klassifikator 4.5.1 Signalverarbeitung und Mustererzeugung als Vorstufe von KI-Maschinenlernen 4.5.2 Beispiel KI-Bayes-Klassifikator 4.6 Beispiel zur KI-Bildverarbeitung und Merkmalserzeugung – Lernen von Symbolen 4.7 Beispiel eines KI-Expertensystems – Evolutionäre Algorithmen 4.8 KI und Künstliche Neuronale Netzwerke 4.8.1 Geschichte der Künstlichen Neuronalen Netzwerke (KNN) 4.8.2 Normierung für die Eingangsdaten und die Gewichte 4.9 Lernverfahren für Künstliche Neuronale Netzwerke – Backpropagation Algorithmus 4.9.1 Generelles zum Lernverfahren 4.9.2 Lernverfahren des ADALINE’s mit linearer Übertragungscharakteristik 4.9.3 Das Gradientenabstiegsverfahren 4.9.4 Der Backpropagation-Algorithmus 4.9.4.1 Konvergenzverhalten des Backpropagation-Algorithmus 4.9.4.2 Adaptive Lernalgorithmen 4.10 Prädiktive Wartung oder Predictive Maintenance in Industrie 4.0 4.10.1 Beispiel prädiktive Wartung bei Schichtdickenmessgeräten 4.11 Zusammenfassung von KI Literatur 5 Internet of Things – IoT 5.1 Geschichte von IoT und IIoT 5.2 Radio Frequency Identification – RFID 5.2.1 Geschichte von RFID 5.2.2 Technik von RFID und Integration ins Internet 5.2.3 Funktionsweise von RFID 5.2.4 Bauformen und Baugrößen von RFID-Systemen 5.2.5 Verschlüsselung, Modulations- und Kodierungsverfahren bei RFID-Systemen 5.2.6 Einsatzgebiete von RFID mit entsprechenden Applikationen 5.2.7 Normen zu RFID 5.2.8 Technische Begrenzungen, Risiken und Nachteile der RFID-Technik 5.3 Zusammenfassung IoT und RFID Literatur 6 Die Automatisierungspyramide von 1985 – Grundlegende Struktur in IoT und Industrie 4.0 6.1 Geschichte und Normierung der Automatisierungspyramide 6.2 Die Automatisierungspyramide von 1985 6.2.1 Die Feldebene: Sensoren und Aktoren 6.2.1.1 Entwicklung der Sensoren in der Analysenmesstechnik im Hinblick auf die Automatisierung 6.2.2 Die SPS-Ebene (Speicherprogrammierbare Steuerungen) 6.2.2.1 Geschichte der SPS – Speicherprogrammierbare Steuerung 6.2.2.2 Funktionsweise der SPS 6.2.2.3 Programmierung der SPS 6.2.2.4 Programmiersprache STEP 7 für SPS 6.2.3 Die SCADA Ebene (Supervisory Control and Data Acquisition) 6.2.3.1 Geschichte von SCADA 6.2.3.2 Funktionsweise von SCADA 6.2.3.3 Zusammenfassung SCADA-System [48] 6.2.4 Die MES Ebene (Manufacturing Execution System) 6.2.4.1 Funktionsweise des MES und Abgrenzung zum ERP-System 6.2.4.2 Normierungen und Verbandsaktivitäten für MES-Systeme 6.2.4.3 Zusammenfassung MES-Systeme 6.2.5 Die ERP Ebene (Enterprise Resource Planning) 6.2.5.1 Aufgaben des ERP-Systems 6.2.5.2 SAP als Beispiel für ein weltweites ERP-System und Industrie 4.0/IoT 6.2.5.3 Geschichte von SAP 6.2.5.4 Erfahrungen mit SAP 6.2.5.5 Funktionsweise von SAP und Anwendungsfehler 6.2.5.6 Zusammenfassung ERP/SAP 6.2.5.7 Beispiel Smart Manufacturing, Fabrik 4.0 in der Analysen- Messtechnik im Jahre 2000 6.3 Anforderungen an Sensoren, SPS, Gateways und Computer innerhalb der Automatisierungspyramide 6.3.1 Randbedingungen für Sensoren, SPS und Automatisierungskomponenten 6.3.2 Komplexitätspyramide für die Systemintegration in Industrie 4.0 und IoT/IIoT 6.3.3 Automatisierung – Offline, Online, Inline 6.3.4 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) 6.3.4.1 CE-Kennzeichnung 6.3.4.2 CE-Kennzeichnung und Funkzulassung 6.3.5 Schutzarten IP (Ingress Protection) 6.3.6 Explosionsgefährdete Umgebungen ATEX, FM, IECEx 6.3.7 Funktionale Sicherheit oder SIL – Safety Integrity Level 6.4 Zusammenfassung Automatisierungspyramide und Produktanforderungen Literatur 7 Vertikale und horizontale Kommunikation innerhalb der Automatisierungspyramide – OSI Modell 7.1 Verteilung von Feldbussen und Bussysteme, Namurstudie 7.1.1 Namurstudie zu Kosteneinsparungen bezüglich Systemintegration durch Bussysteme 7.1.2 Anforderungen an Feldbusse, Vor- und Nachteile von Feldbussen 7.2 Das OSI Modell (Open Systems Interconnection Model) 7.2.1 Schicht 1: Bitübertragungsschicht (Physical Layer) 7.2.2 Schicht 2: Sicherungsschicht für Daten und Verbindung (Data Link Layer) 7.2.2.1 Typische Netzwerk-Topologien von Bussystemen (Schicht 2) 7.2.2.2 Weitere 2-Schicht-Protokolle 7.2.2.3 ARP-Protokoll und Internet 7.2.2.4 Funktionsweise des ARP-Protokoll mit Ethernet 7.2.3 Schicht 3: Vermittlungsschicht (Network Layer) 7.2.4 Schicht 4: Transportschicht – Ende zu Ende Kontrolle (Transport Layer) 7.2.4.1 Typische Protokolle für die vierte Schicht 7.2.5 Schicht 5: Sitzungsschicht (Session Layer) 7.2.6 Schicht 6: Darstellungsschicht (Presentation Layer) 7.2.7 Schicht 7: Anwendungsschicht (Application Layer) 7.2.8 Zusammenfassung OSI Modell 7.3 Geschichte der Bussysteme – Vom Ethernet über Internet bis hin zu OPC UA 7.4 Gremien und Normierungen der Feldbussysteme 7.4.1 Die 19 Feldbusfamilien 7.4.2 IEEE 802 – Institute of Electrical and Electronics Engineers 7.4.2.1 Ethernet Alliance 7.4.3 PROFIBUS&PROFINET International (PI) 7.4.3.1 Die verschiedenen PROFIBUS-Kommunikationsprotokolle und Bediensoftware- nicht auf dem Ethernet basierend 7.4.4 ODVA (Open DeviceNet Vendors Association, Inc.) 7.4.5 OPC Foundation 7.4.6 FDT/DTMTM und PACTware – Normierung der Konfiguration und Bediensoftware für den Kontrollraum 7.4.6.1 Funktionsweise des FDT/DTMTM Konzepts 7.4.6.2 Stand der Technik 7.4.6.3 Zusammenfassung FDT/DTMTM 7.4.7 FieldComm Group 7.4.8 Zusammenfassung der Geschichte der Gremien und Feldbussen Literatur 8 Ethernet, Internet IPv4 und IPv6 8.1 Ethernet und Industrial Ethernet 8.1.1 Echtzeitanforderungen für Feldbusse und Industrial Ethernet 8.1.2 Ethernet Geschichte 8.1.3 Ethernet und OSI Modell 8.1.4 Ethernet-Protokolle 8.1.4.1 Ethernet II Frame 8.1.4.2 Weitere Ethernet-Frames 8.1.4.3 Maximaler Datendurchsatz 8.1.5 CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection 8.1.6 Funktionsweise des Address Resolution Protocol (ARP) mit Internet und Ethernet 8.2 Internet- Protokoll IPv4 8.2.1 Definition und Geschichte des Internet Protokolls 8.2.2 Technik des Internets 8.2.3 IPv4 Header und Ethernet II Frame 8.2.4 Internet-Protokoll IPV4 und Adressvergabe 8.2.5 CIDR Classless Inter-Domain Routing 8.3 Internet Protokoll IPv6 8.3.1 Ipv6 Header und Ethernet II Frame 8.3.2 Internet Protokoll IPv6 und Adressvergabe [107] 8.3.3 Adressaufbau von IPv6 im Detail 8.3.4 Adress-Aufteilung und generelle Adresszuweisung beim IPv6 Protokoll 8.3.5 Sonderadressen des IPv6/IPv4 8.3.6 Funktionalität von IPv6 8.3.7 Umnummerierung und Multihoming 8.3.8 Mobiles IPv6 8.3.9 Vergleich zwischen IPv6 und IPv4 8.3.9.1 Betriebssysteme für IPv6 und Routing [174–178] 8.3.10 Sicherheitssoftware 8.3.10.1 Paketfilter und Firewalls 8.3.10.2 IPSec Sicherheitssoftware 8.4 Ethernet TCP/IP – Protokollsuite 8.4.1 Geschichte von TCP/IP und Generelles 8.4.2 Aufbau des TCP Headers 8.4.3 Datenübertragung 8.4.3.1 Verbindungsaufbau 8.4.3.2 Verbindungsabbau 8.4.3.3 TCP/IP-Segment-Größe 8.4.3.4 Aufteilung der Anwendungsdaten auf TCP/IP 8.4.3.5 Retransmission Timer 8.4.4 Flusssteuerung und Staukontrolle 8.4.5 TCP Prüfsumme und TCP Pseudoheader 8.5 UDP Datagram Protocol 8.5.1 UDP Datagram Protocol und OSI Modell 8.5.2 Funktionsweise des UDP 8.6 TCP/IP Protokollsuite 8.7 Zusammenfassung Ethernet und Internet Literatur 9 Hardware Ethernet 9.1 Bussysteme 9.1.1 Paralleler Bus, serieller Bus, Master/Slave, Initiator, Target 9.1.2 Generelle Bus-Technologie 9.1.3 Adressierungsverfahren 9.1.4 Bussystem Zusammenfassung 9.2 Ethernet Verbindungen und Vernetzungen, ASIC’s 9.2.1 Verbindungsmöglichkeiten des Ethernets in der Bitübertragungsschicht (Physikalischer Layer) 9.2.2 10 Mbit/s-Ethernet mit Kupferkabel 9.2.3 Mbit/s-Ethernet mit Lichtwellenleiter (Glasfaser) [27] 9.2.4 100 Mbit/s-Ethernet mit Kupferkabel 9.2.5 100 Mbit/s-Ethernet mit Lichtwellenleiter (Glasfaser) 9.2.6 Mbit/s-Ethernet oder 1Gbit/s Ethernet mit Kupferkabel 9.2.7 1000 Mbit/s-Ethernet oder 1 Gbit/s Ethernet mit Lichtwellenleiter (Glasfaser) 9.2.8 Kupferkabel CAT x 9.2.9 Lichtwellenleiter 9.2.10 8P8C-Stecker und RJ45-Stecker 9.2.11 ASICs für die Bitübertragungsschicht von Ethernet 9.2.11.1 ANALOG DEVICES: ADIN1300 10/100/1000-Mbit- Ethernet – PHY Gigabit-Ethernet Transceiver [40] 9.2.11.2 ARM/Hilscher: NETX 52 [41] 9.2.11.3 MICROCHIPTechnology/Micrel: KSZ8851-16 MLL [42] 9.2.11.4 Texas Instruments: ASIC DP83825I Low Power [43] 9.3 Weiterentwicklungen für Ethernet 9.3.1 Power over Ethernet (PoE) Technologie für die Zukunft 9.3.2 Tbit/s-Ethernet und seine Zukunft 9.3.3 Ethernet APL (Advanced Physical Layer) 9.3.3.1 Geschichte des Kommunikationsstandard Ethernet APL 9.3.3.2 OSI Modell und Ethernet-APL 9.3.3.3 Technik von Ethernet-APL 9.3.3.4 Single Pair of Ethernet 9.3.3.5 Zusammenfassung von Ethernet APL und Ethernet SPE Literatur 10 Ethernetbasierte Feldbusse und Bussysteme 10.1 EtherNet/IP 10.1.1 EtherNet/IP Geschichte 10.1.2 OSI Modell und EtherNet/IP, ControlNet und DeviceNet 10.1.3 Technik von EtherNet/IP und TCP/UDP 10.2 PROFINET 10.2.1 PROFINET Geschichte 10.2.2 OSI Modell und PROFINET 10.2.3 Technik des PROFINET 10.2.4 Zusammenfassung PROFINET 10.3 EtherCAT 10.3.1 Geschichte EtherCAT 10.3.2 OSI Modell und EtherCAT 10.3.3 EtherCAT-Frame 10.3.4 Technik des EtherCAT 10.3.5 ASIC EtherCAT von Beckhoff 10.3.6 Zusammenfassung EtherCAT 10.4 CC-Link 10.4.1 CC-Link Geschichte 10.4.2 OSI Modell und CC-Link 10.4.3 Der CC-Link Frame 10.4.4 Technik des CC-Link 10.4.5 Beispiel einer CC-Link-Safety Anwendung 10.5 Modbus TCP 10.5.1 Geschichte Modbus 10.5.2 OSI Modelle für und Modbus TCP und RTU 10.5.3 Modbus-Protokolle für Modbus TCP und RTU 10.5.3.1 Modbus TCP Protokoll 10.5.3.2 Modbus RTU-Protokoll 10.5.4 Zusammenfassung Modbus 10.6 IO-Link 10.6.1 Geschichte IO-Link 10.6.2 Technik des IO-Link und Spezifikationen 10.6.2.1 IO-Link Anschlusstechnologie 10.6.2.2 IO-Link über Single Pair Ethernet (SPE) 10.6.3 IO-Link Software 10.6.3.1 IO-Link Decvice Description 10.6.3.2 IO-Link Safety 10.6.4 IO-Link Wireless 10.6.5 Zusammenfassung IO-Link 10.7 OPC UA (Open Platform Communication Unified Architecture) 10.7.1 Einleitung und Fakten zu OPC UA 10.7.2 Geschichte OPC UA 10.7.3 OSI Modell und OPC UA 10.7.4 Funktionsweise von OPC UA 10.7.5 Vernetzungstopologie von OPC UA 10.7.6 Cloud Computing 10.7.7 Beispiel einer OPC UA Struktur in der Solarindustrie 10.7.7.1 SECS/GEM und Anwendungen 10.7.7.2 CIGS- Solarzelle 10.7.7.3 Prozess zur Herstellung einer CIGS Solarzelle 10.7.8 Zusammenfassung OPC UA 10.8 WLAN/Wi-Fi 10.8.1 WLAN/Wi-Fi Geschichte 10.8.2 OSI Modell und WLAN/Wi-Fi 10.8.3 WLAN/Wi-Fi Frame 10.8.4 Technik des WLAN/Wi-Fi 10.8.5 Zukünftige Entwicklungen 10.8.6 ASIC für WLAN/Wi-Fi 10.8.6.1 ASIC RN1810/RM1810E 10.8.6.2 Kombinierte Wi-Fi/Bluetooth-PC-Einsteckkarte mit Intel AX200 [156] 10.8.7 Zusammenfassung WLAN/Wi-Fi Literatur 11 Hardwareentwicklungen – μ-Controller, ASICs, FPGA und Multicore-Prozessoren und Feldbusse 11.1 Zeitgeschehen von Hardwareentwicklungen 11.2 Multicore-Prozessoren 11.3 Leistungsvergleich- von μ-Controller zu Multicore-Prozessoren Literatur 12 Zusammenfassung Des Zeitgeschehens Literatur Glossar Personenverzeichnis Sachverzeichnis