Steuerungstechnik aus der Cloud

Was ist heute bereits möglich?

Die Steuerungstechnik stellt in Zeiten von Industrie 4.0 einen Schlüssel für den Wandel der Produktion dar. Von ihr ausgehend können Live-Informationen aus Maschinen bereitgestellt werden, die dann von Services verarbeitet werden und einen Mehrwert für den Betreiber generieren. Solch ein Mehrwert kann auch darin bestehen, dass Anlagenparameter nachjustiert werden müssen. Auch hier kommt der Steuerungstechnik wieder eine entscheidende Aufgabe zu.


Im Kontext von Industrie 4.0 stellt die Cloud eine weitere Schlüsseltechnologie dar, um die klassische Architektur isolierter Systeme mit oft veralteten Schnittstellen aufzubrechen und statische Algorithmen durch bedarfsoptimierte Rekonfiguration zu verbessern [1]. Durch den Einsatz der Cloud verspricht man sich eine Verringerung des Integrationsaufwandes, umfassende Datenanalyse sowie ein Skalierbarkeit des Systems, um auf sich ändernde Anforderungen wie Markttrends oder die Auftragslage zu reagieren. Dieser Teil der Beitragsreihe "Steuerungstechnik aus der Cloud" stellt den zweiten Teil der Demonstratoren des öffentlich geförderten Forschungsprojekts Picasso (Industrielle cloudbasierte Steuerungsplattform für eine Produktion mit cyber-physischen Systemen) vor. Während im vergangenen Beitrag (siehe SPS-MAGAZIN Ausgabe 9/2016) bereits auf die Steuerung eines Industrieroboters aus der Cloud sowie HMI-as-a-Service eingegangen wurde, widmet sich dieser Artikel der detaillierten Beschreibung der Use Cases zur cloudbasierten Soft-SPS nach IEC61131.

Use Cases für eine cloudbasierte

Steuerungsplattform

Innerhalb des Forschungsprojekts sind vier Use Cases unterschiedlicher Anforderungen hinsichtlich Zykluszeit, Datenvolumen und Performanz definiert. Als Basis zur Realisierung der Use Cases, welche die Steuerungen unterschiedlicher Maschinen darstellen, kommt die echtzeitfähige Steuerungsplattform des Projekts zum Einsatz. Sie ermöglicht eine Mehrfachinstanziierung von Steuerungen unter Einhaltung der harten Echtzeitanforderungen. Innerhalb der Plattform werden die Steuerungen durch Mehrwertdienste (Service) ergänzt, welche z.B. anhand bereitgestellter Daten ein Condition Monitoring, eine Bildverarbeitung oder das Ausführen eines NC-Postprozessors ermöglichen. Die Orchestrierung und Verwaltung übernimmt ein Verzeichnisdienst (Gelbe Seiten für Industrie 4.0) auf Basis von OPC UA [2].

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Teilautomatisierter Handarbeitsplatz

Als Automobilzulieferer ist das Unternehmen Robert Bosch Anwender von Automatisierungstechnik. Mehrwert für Steuerungstechnik aus der Cloud sieht Bosch unter anderem beim Einsatz in Prozess- und Montagelinien mit heute einzeln, verteilten sowie isolierten Steuerungen. Mit Cloud-Technologie werden hier Systembrüche aufgehoben und Daten werden auf einer Plattform verfügbar gemacht. Weitere Vorteile bringen Mehrwertfunktionen in der Cloud wie beispielswiese Backup-Dienste und Datenauswertungen zur Maschinen- und Ressourceneffizienz. Der Use Case für Picasso stellt einen teilautomatisierten Handarbeitsplatz dar, dessen SPS zur Ansteuerung von Aktoren und Sensoren auf die Steuerungsplattform verlagert werden soll. Mit ca. 140kBits benötigter Bandbreite und ohne geschlossenen Regelkreise über die Steuerung, stellen teilautomatisierte Handarbeitsplätze geringe Anforderungen an die Plattform und Cloud-Anbindungen. Der Schwerpunkt bei Montagestationen liegt in der abgebildeten Logik eines Montageprozesses, welche mithilfe von Signalgebern dem Werker einzelne Arbeitsschritte visualisiert und durch Sensoren die Ausführung dieser überprüft. Zur Ansteuerung aus der Cloud ist daher eine Erweiterung existierender Soft-SPS-Lösungen erforderlich, welche die Übertragung von Ein- und Ausgängen an bzw. von einer lokalen Netzwerkbrücke ermöglicht. Die Netzwerkbrücke stellt dabei das lokale Verbindungsstück zwischen Cloud-SPS und Anlage dar.

Beibehaltung der Kommunikationseigenschaften

Die Zustände von Transferbändern, Lichtsignalen und weiteren Aktoren und Sensoren werden mithilfe von Buskopplern über einen industriellen Feldbus an die Netzwerkbrücke übertragen. Als Herausforderung gelten einerseits die Beibehaltung der bisherigen Komponenten sowie deren Kommunikationseigenschaften, andererseits die Erweiterung der Soft-SPS um einen Cloud-Treiber, welcher eine Übertragung von Soll- und Istwerten ermöglicht. Hierzu lieferte die Anforderungsanalyse von

Picasso Informationen zu Übertragungszeiten und -performanz heutiger Weitverkehrsnetze [3]. Zusammenfassend eröffnet die Zentralisierung einzelner SPS-Instanzen innerhalb einer Cloud-Plattform neue Möglichkeiten zur intelligenten Produktion von Morgen. Insbesondere hinsichtlich der einfachen Nutzung bewährter IT-Methoden (Backup, Redundanz, Verschlüsselung) reduziert die Cloud den Wartungsaufwand einzelner Anlagen drastisch und senkt folglich den benötigten Zeitaufwand und Kosten. Zur Verteilung relevanter Sicherheitsupdates ermöglicht die kontinuierliche Verfügbarkeit unerschöpflicher Ressourcen z.B. den spontanen Einsatz redundanter System zur Simulation oder Testdurchführung neuer Programme.

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Roboterbeauftragung durch Cloud-SPS

Die Firma Robomotion als langjähriger Hersteller von hochflexiblen Produktionsanlagen setzt bei ihren Lösungen inzwischen ebenfalls auf Steuerungstechnik aus der Cloud. Durch den Einsatz von cloudbasierter Steuerungstechnik zur Beauftragung von Robotersystem bzw. der Sollwertvorgabe ergeben sich neue Potentiale hinsichtlich der Verwendung und der Anbindung von HMIs, der Prozessauswertung und der Serviceleistung durch externe Drittanbieter. Für Robomotion, als Anbieter von Systemlösungen, vereinfacht sich die Anpassung von Prozessalgorithmen auf Kundenwunsch. Die Zeitaufwände für Rekonfiguration und Inbetriebnahme vor Ort werden somit deutlich reduziert. Bei dem zweiten Use Case, welcher in Kooperation mit den Cloud-Experten der Firma Sotec realisiert wird, steht daher die Roboterbeauftragung durch eine Cloud-SPS im Vordergrund. Hierbei erhöhen sich die Anforderungen an die Zykluszeit, da der Prozess vollautomatisiert abläuft. Im Vergleich zur Ansteuerung von Buskopplern des ersten Use Cases, generiert die Cloud-SPS Positionsvorgaben, welche einer lokal-verbleibenden Robotersteuerung zur Ausführung übergeben werden. Die Technologiebasis des Demonstrators besteht aus einem Kuka-Roboter vom Typ Agilus mit KRC4-Steuerung und der Codesys-Soft-SPS, welche in einer Cloud-Instanz ausgeführt wird. Die beiden Systeme werden über die Feldbus-Schnittstellen an der KRC4 und der Netzwerkbrücke sowie über speziell entwickelte Input-Output-Treiber (IoDriver) für die Codesys-Runtime aus dem ersten Use Case miteinander verbunden. Die Netzwerkbrücke, auf Basis der Hardwareplattform Cloudplug von Sotec, übernimmt dabei die transparente Anbindung der Feldbusebene mit der Cloud-SPS und verbindet industriellen Feldbus mit der Cloud-Instanz. Auf Basis der Messungen aus der Anforderungsanalyse hat sich für die Übertragung durch das Internet über WebSocket als performantes Protokoll herausgestellt. Der Datenaustausch mit der Robotersteuerung erfolgt über eine Ethercat-Master-Master-Kommunikation. Zur Ansteuerung der Anlage und Auswahl des Betriebsmodus verfügt die Steuerung über eine zusätzliche Schnittstelle für den Datenaustausch mit einem HMI-Client. Dieser kommuniziert ebenfalls über WebSocket mit einem externen HMI-Web-Server. Die Auslagerung dieses Dienstes ermöglicht eine zentrale Bereitstellung verschiedener webbasierter Bedienoberflächen, welche plattform- und herstellerunabhängig auf mobilen Endgeräten eingesetzt werden können.

Zusammenfassung und Ausblick

Die beiden vorgestellten Use Cases von Picasso zeigen deutlich, dass die Nutzung der Cloud für die Automatisierungs- und Steuerungstechnik heute schon möglich ist und großen Mehrwert haben kann. Trotz der noch existierenden Herausforderungen im Bereich der Kommunikationstechnik für z.B. regelungsgeführte Prozesse, überwiegen die Vorteile bei der Nutzung skalierbarer Ressourcen und zentraler Systemarchitekturen. Die vorgestellten Use Cases werden über die verbleibende Projektlaufzeit finalisiert und als Demonstratoren auf der Abschlussveranstaltung im Januar 2017 im Rahmen der Stuttgarter Innovationstage vorgestellt.

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