Forschungsprojekt CICS

Flexibel steuern mit der Datenwolke

Das Forschungsprojekt CICS entwirft eine Referenzarchitektur auf Basis von Web-Technologien für die Realisierung von industriellen Steuerungsprogrammen nach IEC61131. Mithilfe von Cloud-Computing soll die nächste Stufe der SPS-Entwicklung als im IP-Netz global verteilte Software forciert werden. Auf der SPS IPC Drives werden als Anwendungsbeispiel zwei redundant aufgebaute Test- und Prüfstationen mit Bestückungsroboter ausgestellt.
Eine Anlage für einfache Montageprozessen in der Fab21 der HS Düsseldorf wird im lokalen Netz über einen CICS-Controller im Webbrowser mit einem IEC61131-3-Programm gesteuert.
Eine Anlage für einfache Montageprozessen in der Fab21 der HS Düsseldorf wird im lokalen Netz über einen CICS-Controller im Webbrowser mit einem IEC61131-3-Programm gesteuert.

Die hochvernetzte Produktion nach Industrie 4.0 setzt adaptive und wandlungsfähige Steuerungssysteme voraus. Davon ist die Realität noch weit entfernt und Anpassungen an spezielle Anforderungen erfolgen in der Regel durch manuelle Programmierung. Hier setzt das Forschungsprojekt CICS (Cloud Based Industrial Control Services) an. Ziel ist die Erforschung einer Referenzarchitektur auf Basis von Web-Technologien, die geeignet ist, industrielle Steuerungsprogramme nach IEC61131 in Form von Services zu realisieren. Die Steuerungsdienste sollen verfügbare öffentliche und/oder private Cloud-Strukturen für Management und Ausführung der CICS nutzen. Als eine ergänzende Variante ist auch die Ausführung der Steuerungsdienste auf Webclients vorgesehen.

Anwendungstechnische Struktur eines CICS-Steuerungssystems im Client Mode (a) sowie im Server-based Mixed Mode Mode (b)


a) im Client Mode


b) im Server-based Mixed Mode Mode
Anwendungstechnische Struktur eines CICS-Steuerungssystems im Client Mode (a) sowie im Server-based Mixed Mode Mode (b) a) im Client Mode b) im Server-based Mixed Mode Mode

Rahmenbedingungen und Anforderungen

Ein weiteres Projektziel ist die Ermittlung und Analyse der Rahmenbedingungen und Anforderungen, um CICS in automatisierungstechnischen Anwendungen einsetzen zu können. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Abbildung und Transfer einer klassischen IEC61131-SPS mit Web-Technologien in eine Cloud-Struktur einschließlich der Definition zugehöriger schneller und zuverlässiger Prozessdaten-Schnittstellen (WebConnector). Dabei ist zwischen Client Mode (CM) und Server-based Mixed Mode (SMM) zu unterscheiden. Bei der CM-Variante wird der CICS-Controller aus der Cloud als Dienst geladen und läuft vollständig in einem beliebigen Webbrowser. In der SMM-Variante läuft die CICS-Runtime-Instanz in der Cloud und ein CICS-Router auf dem Client schafft die Verbindung zu den Prozessdaten in den Automatisierungsgeräten.

IEC61131 trifft Industrie 4.0

Das Steuerungsprogramm wird mit klassischen Programmiersystemen erstellt und als herstellerübergreifendes PLCopen-XML-Format in der Cloud gespeichert. Die Ausführung des Steuerungsprogramms erfolgt in einer CICS-Laufzeitumgebung, die wahlweise im Client (Webbrowser) oder in der Cloud arbeiten kann. CICS nutzt das Dienstparadigma CaaS (Control as a Service) zur Ausführung der Steuerungsalgorithmen. Die Automatisierungsgeräte sind über WebConnectoren, die als I4.0-Komponenten entsprechend dem RAMI-Modell implementiert sind, über das IP-Netz an die CICS-Runtime angeschlossen. Aktuell stehen I4.0-Komponenten für die standardisierten Industrieschnittstellen OPC DA und Modbus TCP zur Verfügung. Eine Anbindung über Node-RED soll erstmals auf der SPS IPC Drives 2016 vorgestellt werden. Node-RED ermöglicht dabei das flexible Routing von Daten zwischen einem CICS Control Service und verschiedenen industriellen Protokollen und Schnittstellen.

Test- und Prüfstationen auf der SPS IPC Drives

Auf der SPS IPC Drives in Nürnberg stellen die am Projekt Beteiligten als Anwendungsbeispiel zwei redundant aufgebaute Test- und Prüfstationen mit einem Bestückungsroboter als CICS-Demonstrator aus. Sämtliche I4.0-Komponenten werden wahlweise über einen serverbasierten oder clientbasierten CICS-Controller aus der Cloud gesteuert. Während ein serverbasierter Controller in einer beliebigen gehosteten Umgebung ablauffähig ist, kann ein clientbasierter CICS-Controller z.B. auf einem Tablet eingesetzt werden. Der Controller besitzt je 16 digitale sowie je vier analoge I/Os, ist programmierbar nach IEC61131-3 mit PC Worx oder Codesys und kann über das Internet-of-Things (IIoT)-Plattform WOAS (woas.ccad.eu) als Steuerungsdienst genutzt werden. Der clientbasierte CICS-Prototyp besitzt neben den gewünschten funktionellen Industrie-4.0-Eigenschaften auch eine hohe Datensicherheit, da die CICS-Runtime zwar aus der Cloud geladen wird, aber vollständig im lokalen Client läuft. Der Prozessdatenverkehr zwischen CICS-Controller und Automatisierungsgeräten erfolgt nur im lokalen Netz. Nach der klassischen Hardware-SPS und der PC-basierten Soft-SPS soll mit dem CICS-Vorhaben die nächste Stufe der SPS-Entwicklung, nämlich im IP-Netz global verteilte Software, das heißt Steuerungsdienste, erreicht und vorangebracht werden.

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Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS
http://www.esk.fhg.de

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