Erschienen am: 07.09.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 9 2017

Begleitend zur Abschlussphase des Forschungsprojekts Picasso erschien im vergangenen Jahr eine Artikelserie im SPS-MAGAZIN. Sieben Monate nach Abschluss des öffentlich geförderten Projektes zur Erforschung von Cloud-Technologien für die Steuerungstechnik, kommt der Zusammenschluss von Cloud-Anbietern mit namhaften Herstellern der Automatisierungstechnik einer Reizüberflutung gleich. Praxistaugliche Lösungen, um die Steuerung physikalisch von der Maschine zu trennen, gibt es jedoch so gut wie nicht.


Bild: Inst. f. Steuerungstechn. der Werkzeugm.

Cloud-Technologien nehmen für die Produktions- und Automatisierungstechnik eine immer größere Bedeutung ein und ermöglichen durch ihren skalierbaren und theoretisch unendlichen Vorrat an Ressourcen eine kostengünstige und performante Ausführungsplattform für Mehrwert-generierende Smart Services. Angefangen bei der Erfassung von Daten (Data Mining) haben sich Forschung und Entwicklung über die Ausgliederung der Anwendungslogik (Business Logic) auf übergeordnete, verteilte Systeme hin zu der Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) entwickelt. Resultierend aus diesen Entwicklungsschritten etablieren sich bereits die ersten Lösungen durch den Einsatz von maschinellem Lernen für Industrie 4.0. Picasso steht für 'Industrielle cloudbasierte Steuerungsplattform für eine Produktion mit cyber-physischen Systemen'. Lösungen für die Ziele des Projekts - die monolithische Steuerung von der Maschine zu trennen und auf Cloud Architekturen auszuführen - existieren bis heute jedoch kaum auf dem Markt. Das ist zwei Herausforderungen geschuldet, die zur Gewährleistung einer zeitdeterministischen Kommunikation zwischen Aktorik/Sensorik und Steuerung (z.B. einer SPS) notwendig sind.

Echtzeit in der Cloud

Für die zeitlich korrekte Ausführung und zyklischen Aufrufe von Steuerungen benötigen diese ein Echtzeit-Betriebssystem. Viele Steuerungsanbieter setzen hierbei auf Industrie-PCs und führen darauf auf dem Markt erhältliche Betriebssysteme mit Echtzeitanteil aus. Durch die sehr hardware-nahe Architektur ist eine Ausführung auf hoch performanten IT-Infrastrukturen bzw. auf Server-Hardware, wie sie in Data Centern eingesetzt werden, meist nicht möglich. Während der Bearbeitung von Picasso wurde im Rahmen des Projekts eine cloud-ähnliche Infrastruktur auf Basis des Hypervisors Jailhouse mit der Schnittstelle libvirt entwickelt. Für den breiten Einsatz von Steuerungen aus der Cloud fehlt es aktuell jedoch noch an einer ähnlichen Ausführungsplattform, welche in Data Centern bereitgestellt wird und einen skalierbaren, echtzeitfähigen Einsatz von Steuerungen erlaubt.

Echtzeit in der Kommunikation

Die zweite Herausforderung findet sich in der Kommunikation. In der Vergangenheit wurde eine Vielzahl von Ethernet-basierten Feldbussen entwickelt, welche den Echtzeitanforderungen gerecht werden, jedoch nicht mit herkömmlichen IT-Infrastrukturen kompatibel sind. IP-Traffic innerhalb von Lokal- oder Weitverkehrsnetzen ist hingegen nicht echtzeitfähig. Trotz steigender Bandbreiten und performanter Internetanschlüsse, zeigen Langzeitmessungen zu hohe Fluktuationen und Peaks in den Round-Trip Times (RTT). Die kommenden Standards von Time Sensitive Networking (TSN) nach IEEE802.1 schlagen die Brücke zwischen den beiden Welten und ermöglichen eine garantierte Übertragungsrate - und folglich eine zeitdeterministische Kommunikation - parallel zu herkömmlichem IP-Traffic. Um TSN in der Automatisierungstechnik nutzbar zu machen und gleichzeitig eine möglichst große Kompatibilität von Endgeräten zu gewährleisten, hat sich im Anschluss an Picasso der vom Institut für Steuerungstechnik der Universität Stuttgart (ISW) geleitete Industriearbeitskreis ;TSN for Automation' gegründet. Mit Experten und Anwendern soll die Entwicklung von TSN für die Automatisierungstechnik vorangetrieben werden und die Einrichtung eines TSN-Labors als Plattform für Implementierungen und die Verteilung von Starterkits verfolgt werden. Des Weiteren sollen langfristig der Austausch mit Normierungsgremien sowie Anwenderschulungen stattfinden. Defizite in der echtzeitkritischen Kommunikation über Lokal- und Weitverkehrsnetze können somit beseitigt werden und zeitgleich wird eine hybride Netzwerkinfrastruktur auf Basis gewöhnlicher IT Architekturen geschaffen.

Defizit an Experten

Die Ergebnisse und weiterführenden Arbeiten durch Picasso zeigen, dass der Trend von Hardware-Lösungen hin zu software-orientierten Architekturen und Steuerungssystemen nie größer war. Die Vorteile in der Nutzung herkömmlicher Ressourcen bzw. Rechner-Architekturen ermöglichen deutlich flexiblere Programmierung, schnellere Inbetriebnahmen und steigern den Entwicklungsfokus von Automatisierungstechnikern auf das eigentliche Prozess-Know-how anstelle der notwendigen Basistechnologien. Statistiken zufolge fand 2013 bis heute fast eine Verdopplung der Erträge bei Machine-to-Machine-Geräten (M2M) statt. Der Trend bis 2020 prognostiziert eine ähnliche Entwicklung. Analog hierzu steht die Entwicklung des Datenaufkommens, wobei Volumen und Menge exponentiell gewachsen sind. Insbesondere durch die Verbreitung des Internets und einer branchenübergreifenden Vernetzung von Geräten, sind IT-Abteilungen nicht selten der heutige Krisenherd in Unternehmen. Einerseits bedingt durch die steigende Anzahl und Heterogenität netzwerkfähiger Geräte, andererseits durch ein wachsendes IT-Aufkommen in bisher monolithischen Systemen wie der Produktionstechnik. Diese Berücksichtigung neuer Fachbereiche in einem ganzheitlichen unternehmensweiten IT-Konzept ist häufig überfordernd und macht ein Defizit an interdisziplinär ausgebildeten Fachkräften deutlich. Die Ziele von IT-Experten bestehen im Service und der Wartung der Unternehmens-IT-Infrastruktur, die neben herkömmlichen Office-Lösungen auch die Automatisierung und einen strukturierten Ablauf von Geschäftsprozessen bereitstellt. Produktionstechniker versuchen nach dem o.g. Trend der Automatisierungstechnik, IT-Technologien zu nutzen, um Probleme in Fertigungseinrichtungen zu lösen. Hinsichtlich des Wissensstands der komplementären Disziplinen erweisen sich meist Lücken, die eine in der Ressourcenplanung oft nicht berücksichtigte enge Zusammenarbeit erfordern.

Schnelle Entwicklung

Neben bestehender Experten und Fachkräfte herrschen ähnliche Verhältnisse in der Ausbildung klassischer Studiengänge. So beschränken sich Inhalte der Studiengänge Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik lediglich auf den jeweiligen Fachbereich. Auch der in den 1990er-Jahren entwickelte interdisziplinäre Studiengang Mechatronik wird heutigen Anforderungen durch Industrie 4.0 nicht mehr vollständig gerecht. Hierfür sind neben den Grundlagen in Informatik auch Kenntnisse zur Informationstechnologie notwendig und folglich eine Ergänzung der Ausbildung hinsichtlich dieser Grundlagen notwendig. Hierzu wurde an der Universität Stuttgart das Vorlesungsspektrum ergänzt und der Lehrstuhl "Produktionstechnische Informationssysteme" geschaffen. Die kurzen Innovationszyklen aus der IT-Branche erhalten mit der Hightech-Strategie Industrie 4.0 auch im produktionstechnischen Umfeld Einzug. Insbesondere innerhalb von IT-Abteilungen stellt diese Entwicklung viele Unternehmen vor neue Herausforderungen. Lösungen durch Cloud-Technologien, maschinelles Lernen und die Vernetzung von Anlagen bringen viele Chancen mit sich und erfordern eine enge Zusammenarbeit verschiedener Fachbereiche. Diese Erkenntnisse wurden insbesondere den Projektpartnern von Picasso während der Arbeiten am Projekt deutlich. Der revolutionäre Ansatz von Steuerungen aus der Cloud stand oft in Konflikt mit konservativen IT Vorgaben und stellte daher Partner mit großen IT-Infrastrukturen vor organisatorische Hürden. Um einen engen Austausch über verschiedene Fachbereiche hinweg zu fördern veranstaltet das ISW der Universität Stuttgart zum zweiten Mal die "Stuttgarter Innovationstage - Steuerungstechnik aus der Cloud". Mit Vorträgen aus den Fachbereichen IT und klassischer Automatisierungstechnik sowie juristischen und mathematischen Aspekten können die Kongressteilnehmer am 30. und 31. Januar 2018 in Stuttgart einen ersten Schritt zum interdisziplinären Wissensaustausch machen.

Quellangaben:

1. Kretschmer, F.; Altenberg, J.: Echtzeit virtualisiert - Steuerungstechnik aus der Cloud; SPS MAGAZIN 7/2017; TeDo Verlag, Marburg.

2. Schlechtendahl, J.: Vision, Fiktion oder schon Realität - Steuerungstechnik aus der Cloud; SPS MAGAZIN 6/2017; TeDo Verlag, Marburg.

3. Grieß, A.: Wie sich der Markt für Connected Devices entwickelt; 2014; Statista GmbH, Hamburg; (https://de.statista.com/infografik/2775/weltweite-ertraege-im-markt-fuer-connected-devices/ - letzter Zugriff 21.08.2017)