Cloudsysteme sind heute aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken: Rechenleistung und Speicherkapazität von Cloudarchitekturen lassen sich nahezu unbegrenzt buchen und einsetzen. Die Server sind dabei extrem hoch verfügbar. Bei kostenpflichtigen, kommerziellen Anwendungen steigen die Preise mit dem Datenaufkommen. Ideale Voraussetzungen, um in der Industrie hochverfügbare Steuerungssysteme durch cloudbasierte Lösungen zu ersetzen? Nur bedingt. Was gegen einen Einsatz von Cloudsystemen als Steuerung spricht, ist die Anforderung nach hartem Echtzeitverhalten in der Industrieautomation. Um eine SPS oder sogar einen Motion Controller in der Cloud auszulagern, müssten konstante Latenzzeiten im Millisekundenbereich garantiert werden. Diese Zeiten sind aber letztlich abhängig von den genutzten Netzwerken sowie den Standorten der Server – und damit erst einmal nicht pauschal deterministisch. Somit sind dezentrale Steuerungen zumindest als Fallback-Szenario unabdingbar.
Eventbasiert und zyklusorientiert
Wenn man von zentraler, cloudbasierter Steuerungstechnik spricht, wird meist von eventbasierter Abarbeitung ausgegangen – sie scheint für solche Systeme prädestiniert. Allerdings sind zyklusorientierte Applikationsstrukturen heute Stand der Technik und werden in unterschiedlichen Industrien hunderttausendfach erfolgreich eingesetzt. Hierfür steht auch eine breite Basis an geschultem Personal zur Verfügung, da in nahezu allen Schulen, Hochschulen oder Universitäten hauptsächlich die zyklusorientierte Projektierung von Maschinen und Anlagen gelehrt wird. Aber warum sollte man nicht auf eventbasierte Applikationsstrukturen umstellen, um cloudbasierte Systeme nutzen zu können? Einfach deshalb, weil diese ganz entscheidende Nachteile mitbringen. Insbesondere in großen, übergreifenden Projekten lassen sich nicht immer alle Events vorhersehen. So kann es passieren, dass durch Prozessfehler wie Bandabrisse oder verkeilte Werkstücke Lawinen von Events auftreten, deren Last und Auswirkungen kaum vorhersagbar sind. Um diese Event-Lawinen sicher abarbeiten zu können, ist für Interrupt-Handling und Zwischenspeicherung von Daten viel mehr Rechenleistung erforderlich als bei zyklischer Abarbeitung. Will man auf der sicheren Seite sein, dann ist dafür eine mindestens hundertfach stärkere Steuerung keinesfalls übertrieben.
IIoT bereits Realität
Nahezu jede moderne Steuerung verfügt heute über einen Ethernet-Anschluss und kann entweder direkt oder per Gateway mit dem Internet verbunden werden. Damit ist das Industrial Internet of Things (IIoT) bereits ein Stück weit Realität. Dabei spielt es keine Rolle, welche Hardwareplattform der Steuerung zu Grunde liegt. Ob klassische SPS mit diskreten I/Os, Panel-Steuerungen, PC-basierte Systeme mit Feldbusanschluss oder sogar Maker-Plattformen wie Raspberry Pi oder Beaglebone – mit entsprechenden Softwareprotokollen, z.B. in Form von Bibliotheksfunktionen, können sie Daten über das Internet verschicken und empfangen. Projektierungswerkzeuge wie das Codesys Development System machen es einfach, Steuerungsdaten mit der Cloud oder anderen Systemen auszutauschen. Dabei sorgt die Plattformunabhängigkeit des Tools dafür, dass einmal erstellter Applikationscode zum Datenaustausch problemlos auf unterschiedlichen Geräten abgearbeitet werden kann. Was allerdings fehlt, ist eine konsistente Administration der Geräte, abgestimmt auf die Bedürfnisse von Automatisierern. Dafür ist die Cloud sicher der richtige Platz. Eine Voraussetzung für alle Überlegungen in Richtung Steuerungstechnik in der Cloud ist jedoch: Anbindung und Datenübertragung müssen sicher sein. Nicht zuletzt die wiederholten Meldungen über Datendiebstahl im kommerziellen Bereich sorgen für eine berechtigte Skepsis bei Industrieunternehmen. Aufgrund der Anwendungsvorteile internetbasierter Systeme sowie gezielter Maßnahmen zur Einhaltung der IT-Security steigt jedoch deren Akzeptanz trotz gefühlter Gefährdung. So werden auch in industriellen Systemen Sicherheitsmechanismen eingesetzt, die sich in kommerziellen Bereichen bewährt haben. Hier handelt es sich beispielsweise um Verschlüsselung und Signierung von Daten und Kommunikation mit X.509-Zertifikaten, hardwarebasierte Verschlüsselung sowie Assistenten zum Aufdecken von Sicherheitslücken oder potenziellen Schwachstellen.
Sinnvolle Szenarien
Die bisher erläuterten Fakten lassen die Prognose zu, dass die Cloud durchaus ihren Platz in der industriellen Steuerungstechnik finden wird. Einerseits wird sie der natürliche Ablageort für Produktionsdaten sein, die gesammelt, angezeigt und ausgewertet werden sollen. Selbst wenn moderne Steuerungen heute über reichlich Speicherkapazität verfügen, würden sie durch Big Data, also das dauerhafte Sammeln großer Datenmengen, überfordert. Anhand intelligenter Algorithmen können Maschinen- und Anlagenbetreiber mit solchen Daten z.B. eine vorausschauende Wartung durchführen, weil aktuelle Maschinendaten im Vergleich zu eingelernten Daten des Normalzustandes einen Hinweis auf Anomalien und den bevorstehenden Ausfall von Komponenten geben. Ein weiterer viel diskutierter, aber auch bereits erfolgreich umgesetzter Anwendungsfall: Machine Learning bzw. Artificial Intelligence als intelligente Optimierung von Maschinen auf Basis ihrer eigenen Daten. Diese Anwendungsfälle für Big Data benötigen große Datenmengen und beliebig performante, nach Bedarf skalierbare Rechnersysteme. Solche Funktionen können Maschinenbauern und Betreibern helfen die Produktivität zu steigern, Komfort und Funktionsumfang zu erweitern und Ausfall- bzw. Stillstandszeiten zu reduzieren. Für den Datenaustausch zwischen SPS und Cloud verwendet man Cloudprotokolle wie HTTPS per Web Client/REST oder MQTT. Sie können meist in Form von Bibliotheksfunktionen einfach von der Steuerungsapplikation aus verwendet werden.
