Interview zum Verbundforschungsprojekt Picasso des ISW Stuttgart

"Wir sind auf dem richtigen Weg"

Wie kommt die SPS in die Cloud? Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, wurde das Forschungsprojekt Picasso ins Leben gerufen. Das SPS-MAGAZIN sprach mit Prof. Dr. Jörg Krüger vom IWF der TU Berlin, und Dr. Jan Schlechtendahl vom ISW der Universität Stuttgart über Hintergründe und Ziele des Projektes sowie über noch anstehende Herausforderungen.


Herr Schlechtendahl, was gab im ISW den Anstoß dazu, sich mit dem Thema industrieller Steuerungstechnik in der Cloud zu beschäftigen?

Dr. Jan Schlechtendahl: Die Idee zur Steuerung in die Cloud ist quasi an der Kaffeemaschine entstanden und hat uns doch schnell von ihrer Zukunftsfähigkeit überzeugt. In der Folge haben wir gemeinsam mit dem IWF der TU Berlin und weiteren Kooperationspartnern einen Forschungsantrag dazu beim BMBF gestellt.

Prof. Dr. Jörg Krüger: Die beiden Institute ISW und IFW ergänzen sich sehr gut. Denn vom historischen Hintergrund ist die Uni Stuttgart sehr nah an der Werkzeugmaschine dran, während mein Bereich den Fokus mehr auf die Robotersteuerung legt. Beide Seiten waren aber letztendlich überzeugt, dass in Zukunft keine spezifischen Hardwareplattformen mehr benötigt werden. Diese Entkoppelung der Steuerung von der Hardware ist der wirklich revolutionäre Schritt von Industrie 4.0.

Wie ging es nach der Bewerbung weiter?

Krüger: Bei der Vorstellung unsere Idee konnten wir mit unseren Unternehmenspartnern auch klar aufzeigen, welches Interesse von industrieller Seite beim Thema Cloud besteht. Das hat überzeugt, sodass wir uns in der hohen Bewerberlage der zweiten Industrie-4.0-Ausschreibung des BMBF durchgesetzt haben - aus über 100 Bewerbungen wurden letztendlich nur rund zehn Projekte akzeptiert. Anschließend ging es an das konkrete Ausarbeiten der genauen Spezifikationen, was aufgrund unseres vielseitigen Konsortiums einfach gelungen ist.

Welche Reaktionen haben Sie denn aus der Industrie zum Thema Steuerung aus der Cloud erreicht?

Krüger: Das hängt von Publikum und der Branche ab. Während die Werkzeugmaschinenbauer oft noch sehr vorsichtig sind, denken einige Unternehmen in anderen Bereichen wie Chemie und Pharma bereits weit voraus. Beispielsweise hinsichtlich der Virtualisierung von Steuerungen. Das hat mich wirklich überrascht. Denn die Virtualisierung ist ein wesentliches Element für die Entkopplung der Steuerung von der Hardware und damit eine wichtige Voraussetzung für den Cloud-Ansatz.

Schlechtendahl: Aber es gab auch Interesse im klassischen Maschinenbau, bisweilen aus Beweggründen, an die wir gar nicht gedacht haben - z.B. Know-how-Schutz. Wenn ich die Algorithmen auf meinem eigenen Server hier in Deutschland laufen lasse, dann muss ich sie nicht in Form von SPS-Software in die ganze Welt ausliefern.

Krüger: In der Cloud können die entscheidenden Technologieparameter weit entfernt von der Hardware sowie verschlüsselt und somit geschützt vor Reverse Engineering laufen. Insgesamt hat uns das Interesse von Industrieseite gezeigt: Wir sind auf dem richtigen Weg und die Dynamik ist vielleicht doch höher als anfänglich gedacht.

Während es in der Chemie- und Pharmaindustrie meist um kontinuierliche Prozesse geht, muss der WZM-Hersteller schnelle Bewegungssteuerungen realisieren. Spiegelt das Interesse der Anwender also die benötigten Zyklus- und Reaktionszeiten wider?

Schlechtendahl: Ja, das muss man gerechterweise sagen. Im ersten Zug lassen sich langsam laufende Applikationen und Prozesse aus der Online-Cloud steuern - Schaltbefehle wie Klappe auf, Klappe zu, Motor im Dauerbetrieb an oder aus. Die Steuerung einer Verpackungsmaschine über das Internet ist hingegen aktuell noch unrealistisch. Denn hier gehen die benötigten Reaktionszeiten herunter bis auf eine Millisekunde und das kann heute über das Internet noch niemand zuverlässig realisieren.

Krüger: Dabei sind die Vorteile einer Cloud und der Entkopplung von Steuerung und Hardware - beispielsweise deutlich mehr und flexibel verteilte Rechenleistung - nicht zwangsläufig an das Internet gebunden. Der Anwender kann auch von einer lokalen Private Cloud und einer entsprechenden Änderung der IKT-Struktur profitieren.

Das Picasso-Projekt hat sich ja trotzdem stark mit der Online-Anbindung auseinander gesetzt. Wie weit sind Sie denn hinsichtlich der Reaktionszeiten gekommen?

Schlechtendahl: Unsere letzte Dauermessung mit dem typischen Datenvolumen einer Werkzeugmaschine lag bei rund 42 Millisekunden. Allerdings sind innerhalb von Deutschland mit einem DSL-Anschluss auch zwölf Millisekunden und weniger erreichbar. Das ist dann schon die Größenordnung einer klassischen SPS. Weh tun allerdings unberechenbare Ausreißer. Gerade bei langen Übertragungsstrecken kommt es vereinzelt zu deutlichen Verzögerungen im Bereich von Sekunden - innerhalb von Deutschland haben wir diese allerdings nicht gesehen.

Lassen sich solche Ausreißer denn auf absehbare Zeit ausschließen?

Schlechtendahl: Ich sehe hier zwei Entwicklungen. Zum einen rückt die Cloud näher an die Maschine heran und so zeigt der Gegentrend zur Internet-Cloud aktuell stark in Richtung Edge und lokaler Cloud. Denn fest steht: Je näher die Maschine an der Cloud ist, desto stabiler läuft die Verbindung. Der zweite Trend sind die Standardisierungsbemühungen in Richtung TSN und Deterministic Networking. Diese Entwicklungen, um die Kommunikation auf absehbare Zeit echtzeitfähig zu machen, haben durchaus das Potenzial die Lücken zu schließen, die wir im Picasso-Projekt heute noch haben.

Funktionalität und Veränderungspotenzial von TSN werden in der Branche aktuell viel diskutiert. Wie schätzen Sie die Bedeutung ein?

Schlechtendahl: Die Cloud in Form einer werkseigenen Rechnerfarm, die zentral Roboter und Maschinen steuert, ist längst schon realisierbar. Aber wenn es um größere standortübergreifende Netze geht und auf IP-Ebene kommuniziert wird, dann wird es ohne deterministische Kommunikation auf Basis von DetNet und TSN nicht funktionieren.

Krüger: So ist es. In Zukunft sollen ja komplett aber flexibel vernetzte Strukturen die klassische hierarchische Automatisierungspyramide ablösen. Dabei wird sich die Herausforderung ergeben, das der Anwender gar nicht mehr feststellen kann, über welche Strecke die jeweilige Kommunikation läuft. Zuverlässige Mechanismen für die echtzeitfähige Synchronisierung der unterschiedlichen Wege sind dann unerlässlich.

Auf welche technischen Herausforderungen sind Sie denn im Rahmen des Picasso-Projekt gestoßen, die als nächstes angegangen und gelöst werden müssen?

Krüger: Aus meiner Sicht sind es zwei wesentliche Themen: Neben der bereits angesprochenen Echtzeitfähigkeit geht es natürlich nicht ohne die entsprechende IT-Sicherheit. Unvorstellbar, dass ein Angreifer eine komplette Fabrik über die Cloudbasierte, zentral gesteuerte Struktur lahmlegen kann.

Schlechtendahl: Ein dritter Punkt, den ich ergänzen will, ist die Orchestrierung. Wenn kooperierende Roboter verschiedene Steuerungsinstanzen haben - der eine wird z.B. aus Europa gesteuert, der andere aus Singapur - dann können sie durch die entstehende Latenz nicht sauber miteinander arbeiten. Hier sind noch einige Fragen hinsichtlich Modellierung und Überwachung der Kommunikationsarchitekturen zu klären. Genauso wie bei der Security stellt die Steuerungtechnik an dieser Stelle ganz neue Anforderungen an die bereits etablierten IT-Lösungen.

Krüger: Abseits der reinen technischen Themen wird für den Erfolg der Steuerungs-Cloud aber auch ein attraktives und vielfältiges Angebot von Mehrwertdiensten ausschlaggebend sein. Die Cloud wird im Sinne von 'Automation as a Service' ein Spektrum von Automatisierungsfunktionen anbieten müssen: von der klassischen SPS-Funktion über die Bewegungssteuerung, Interpolarisationsdienste oder Services für die Koordinatentransformation. Doch der Anwender muss dieses Angebot auch kennen. Hier verfolgt das ISW mit dem Konzept der Gelben Seiten 4.0 einen spannenden Ansatz für ein ganzheitliches Diensteverzeichnis.

Wo sehen Sie denn das größte Anwendungspotential für die Steuerung aus der Cloud?

Krüger: Hier sind viele Bereiche zu nennen. Neben der bereits angesprochenen steuerungsspezifischen Vorteile, bietet die Cloud sehr viel Potential für kollaborative Prozesse in Hinsicht des Plattform-as-a-Service-Gedankens. Auch bei der Verkettung einzelner Zellen und Anlagen kann die Kommunikation über die Cloud sehr viel effizienter erfolgen als herkömmlich. Weiterhin gibt es auch beim Retrofit spannende Möglichkeiten, z.B. um die Mechanik von Altanlagen möglichst unverändert weiter zu betreiben. Oder um veraltete Steuerungsrechner und Betriebssysteme ohne Sicherheitslücken zu virtualisieren. Genauso werden Updates der verschiedenen Steuerungsebenen durch die Cloud und deren flache Hierarchien spürbar leichter. Last but not least erhalten Datamining, Big Data und Analyse durch die Cloud deutlich mehr die Wertschöpfungspotenzial.

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