Sie übernehmen in Zukunft das Steuer(n)

Virtuelle SPS und zentrales IoT-Gateway

Werfen Fertigungsunternehmen von heute einen Blick in die Zukunft, treffen sie auf kürzere Produktlebenszyklen, kontinuierlich steigende Produktvielfalt sowie stetig fallende Losgrößen. Hinzu kommt die Übertragung, Verarbeitung und Auswertung riesiger Datenmengen. Traditionelle Fertigungssysteme, die hohe Produktionsmengen und kontinuierliche Verbesserung gewohnt sind, müssen sich folglich dynamisch und bedarfsgerecht wandeln. Doch wie sieht dann die Fertigung von morgen aus? Dieser Frage gehen Forscher des Forschungsinstitutes Fortiss nach. Im Rahmen der Plattform Fortiss Future Factory (f++) evaluieren sie z.B. im EU Projekt OpenMOS neue Ansätze für Produktionsanlagen der Zukunft. Ziel der Forschungsarbeiten ist, die Modularität zu erhöhen, Anlagenteile automatisiert in Betrieb zu nehmen sowie Lösungen industrienah aufzubereiten - z.B. mit einer virtuellen SPS.


Eine Kerneigenschaft von Industrie 4.0-Anwendungen wird dabei berücksichtigt: Dezentralität. Während früher der Begriff 'dezentral' in der Automatisierung meist auf verteilte digitale IO-Module beschränkt war, wird er heute mit verteilter Funktionalität für professionelle, skalierbare IoT-Anwendungen gleichgesetzt: Die Komponenten einer Anwendung (z.B. Aktoren, Sensoren usw.) besitzen nun eine eigene Rechenleistung, mit der sie Aufgaben selbstständig erledigen und nur bedingt auf zentrale Einheiten (z.B. klassische SPS) zurückgreifen müssen. Mit dieser Funktionalität vor Ort, d.h. direkt auf den Komponenten einer 'verteilten' Steuerung, ist beispielsweise Edge Computing zur Erfassung, Überwachung, Verarbeitung und Speicherung von Daten sowie zur verteilten Steuerung der Anwendung möglich. Auch Hardware lässt sich virtualisieren, sodass Komponenten der Umgebung konsolidiert werden können. Um die zentrale und dezentrale Architektur von Steuer- und Regeleinheiten, die Modularität und Skalierbarkeit eines Systems zu simulieren, wurde die 'f++ in the box', eine tragbare Miniaturversion der Fabrik von morgen, entwickelt. Der modulare Demonstrator, der in einen Koffer passt und im 3D-Drucker erstellt wurde, besteht aus einer Förderbandstrecke (Grundmodul) zum Transport von Werkstücken und verschiedenen Bearbeitungsmodulen (z.B. Stapler, Drehstation), die über eine mechanische Schnittstelle variabel zusammengesetzt werden.

Gut kombiniert: 4diac und Insys Icom IoT-Gateway

Für die flexible, skalierbare Anlagenautomatisierung der Zukunft wird Software immer wichtiger, aber auch komplexer. Fortiss nutzt daher Eclipse 4diac, um neue Methoden und Werkzeuge hierfür zu entwickeln. "4diac reduziert den Aufwand für den Softwareentwickler und unterstützt ihn gleichzeitig dabei, Steuerungsprogramme für Industrieanwendungen in einer höheren Qualität zu erstellen", sagt Dr. Alois Zoitl, Mitgründer von Eclipse 4diac und Kompetenzfeldleiter Industrie 4.0 der Fortiss GmbH. Durch die Opensource Infrastruktur ist 4diac als virtuelle Steuerung in vielen IoT-Anwendungen, z.B. im Smart Building, im Smart Grid oder in der Smart Factory, einsetzbar. Eclipse 4diac enthält eine Laufzeit- sowie eine Entwicklungsumgebung und basiert auf dem Standard IEC61499 für verteilte adaptive Steuerungssysteme. Diese Norm erweitert die klassische SPS-Norm IEC61131 um Funktionen, die von Systemen im IoT gefordert werden, sodass sich verteilte industrielle Steuerungslösungen entwickeln lassen. Dazu zählen verteilte Ressourcen, ereignisbasierte Abläufe, dienstbasierte Funktionalität und vor allem die Trennung von Logik und Kommunikation. Die Laufzeitumgebung von 4diac lässt sich optimal in ein Gateway, beispielweise in die Smart Devices MRX und MRO des Kommunikationsspezialisten Insys Icom integrieren. Dabei handelt es sich um leistungsstarke Router für den industriellen Einsatz, die mit einer embedded Linux-Umgebung (Icom Smartbox genannt) ausgestattet sind. Dort fungiert sie als virtuelle Steuerung für angeschlossene Peripherie. Durch Integration der API des Routerbetriebssystems in 4diac lassen sich auch digitale Ein-/Ausgänge und serielle Schnittstellen auf dem Smart Device nutzen, das somit die Aufgaben einer 'zentralen' SPS übernimmt. "Ein Vorteil gegenüber klassischen Steuerungen ist die zentrale Lage der Smart Devices innerhalb einer Anlage, weil sie mit sämtlichen Komponenten und dem Internet vernetzt sind", erklärt Markus Heider, Leiter Entwicklung bei Insys Icom. "Die Internet-Anbindung erfüllt die vielfältigen Anforderungen an IT-Sicherheit, die an die M2M- und IoT-Datenkommunikationsexperten seit jeher gestellt werden. Da das Smart Device gleichzeitig die Koordination der Steuerungsaufgaben und die Kommunikation übernimmt, ist kein Technologiewechsel notwendig."

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Dezentralisierte Steuerungsaufgaben, Remote Access, Monitoring

Die Steuerungsaufgaben lassen sich dezentral verteilen, d.h. Ereignisse werden dort verarbeitet, wo sie auftreten, Steuerungsaufgaben dort übernommen, wo es am sinnvollsten ist. Die Norm IEC 61499 unterstützt dies, weil sie per Definition ereignisbasiert arbeitet. Die benötigten Steuerungsprogramme lassen sich mit der Entwicklungsumgebung 4diac IDE erstellen. Dabei können vorhandene Funktionsblöcke genutzt oder eigene Blöcke mit Standardprogrammiersprachen der IEC61131, bei komplexeren Aufgaben und der Einbindung vorhandener Algorithmen mit C++, programmiert werden. "Durch diese Flexibilität kann man sowohl die Vorteile der SPS-Programmierung als auch die der Softwareentwicklung mit einer höheren Programmiersprache nutzen", bekräftigt Dr. Alois Zoitl, "Außerdem ist der Aufwand für die Konfiguration oder deren Änderung deutlich geringer." Die Entwicklungsumgebung 4diac IDE ermöglicht, die Applikation per Drag&Drop zu modellieren sowie verfügbare Geräte des Systems flexibel festzulegen. Eine Anwendung lässt sich so auf mehrere Geräte verteilen und sofort einsetzen, wenn z.B. die Performance einer Komponente an ihre Grenzen stößt. Nach IEC 61499 sollten alle Netzwerk-Komponenten nahtlos in das verteilte Steuerungsnetz integriert werden. Über die Smart Devices MRO und MRX von Insys Icom lassen sich, nach der erwähnten API-Einbindung in 4diac, Gerätefunktionen wie der Geräteneustart oder der Aufbau eines VPN-Tunnels für den sicheren Fernwartungszugriff nahtlos nutzen. Zudem erhält man Informationen zum Netzwerkstatus (z.B. Mobilfunk-Qualität) und kann SMS versenden oder empfangen. Für Betriebs- und Wartungszwecke kann unterhalb der IEC 61499-Applikationsdatenebene ein transparenter, aber gesicherter Zugriff auf die Komponenten des Steuerungsnetzes notwendig sein, z.B. um Softwarekomponenten auszutauschen oder zu debuggen. Dafür steht z.B. bei Insys Icom ein professioneller VPN-Dienst zum Aufbau und Betrieb eines sicheren, stabilen virtuellen Netzwerks bereit. Kombinieren lässt sich dieser bei Mobilfunkanwendungen mit passenden M2M-SIM-Karten und -Services, die in das hoch vorintegrierte, technische Ecosystem, die Insys Smart IoT-Plattform, integriert sind. Die in 4diac implementierten Kommunikationsprotokolle TCP/UDP, OPC/OPC UA, Modbus, Powerlink oder MQTT können auch ein vom Steuerungsnetz unabhängiges Monitoring der automatisierten Anlage etablieren. Die Icom Data Suite ermöglicht ein protokoll- und herstellerunabhängiges Vernetzen und Verarbeiten von Datenpunkten wie z.B. ein rückwirkungsfreies Monitoring des Steuerungsnetzes. Da in den Linux-Containern der Icom Smartbox verschiedene Software unabhängig voneinander laufen kann, sind 4diac und die Icom Data Suite parallel auf dem gleichen Smart Device ausführbar. Zudem ist das weitere lokale Verarbeiten der anfallenden Daten (Edge Computing) sowie ein Zugang zu cloudbasierten Systemen wie Cumulocity oder Telekom Cloud der Dinge zur Datenanalyse, -visualisierung und zum Reporting möglich. Eclipse 4diac, Smart Devices von Insys icom sowie weitere Komponenten der Insys Smart IoT-Plattform bieten in Kombination alle genannten Möglichkeiten und zeigen einen Weg, zukunftsfähige, sichere Automatisierungsnetzwerke mit verteilter Funktionalität an der richtigen Stelle aufzubauen.

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