Die Zukunft der Fabriksteuerung
Das Internet der Dinge und Cloud-Computing führen zu neuen Steuerungsstrukturen.
Foto: Kuka
Mehr als verdoppeln werden sich in Deutschland bis zum Jahr 2022 die Umsätze rund um das industrielle Internet der Dinge. Zu dem Ergebnis kommt die Studie „Der deutsche Industrial-IoT-Markt 2017-2022“ vom eco – Verband der Internetwirtschaft e. V. und der Unternehmensberatung Arthur D. Little (siehe Seite 22). Dank seiner breiten und innovativen Industriestruktur und der hohen Roboterdichte sei Deutschland hier hoch entwickelt.
Wichtige Begriffe
IoT: Internet of Things bzw. Internet der Dinge; vernetzt physische und virtuelle Gegenstände miteinander.
SPS: Speicherprogrammierbare Steuerung; klassische Industriesteuerung
Cloud-Computing: Stellt über das Internet Speicherplatz, Rechenleistung bzw. Software zur Verfügung.
Edge-/Fog-Computing: Hier werden Daten und Dienste an den Rand des Netzwerkes verlagert, z. B. bei der mobilen Datenerfassung und Sensornetzen. Das reduziert das Übertragungsvolumen.ciu
Ein Blick in die Automatisierungstechnik zeigt, dass dabei große Veränderungen angestoßen werden. Während bei den klassischen speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) Prozess und Steuerung eng gekoppelt waren, geht der Trend schon seit längerem hin zu offenen Systemen, in denen die SPS durch eine Software ersetzt werden. Der nächste Schritt in der SPS-Entwicklung ist die vollständige Loslösung von Steuerfunktion und zugehöriger Anlage zu global verteilten, cloud-basierten Softwaresteuerungsdiensten mit standardisierten Schnittstellen.
Wie das funktionieren könnte und mit welchen Technologien solche Cloud-Lösungen entwickelt werden könnten, haben zwei Forschungsprojekte untersucht. Dabei wurden unterschiedliche Strategien verfolgt: Das Picasso-Projekt (Industrielle Cloud-basierte Steuerungsplattform), das die Universität Stuttgart koordiniert hat, hat die klassische SPS als virtuelle Steuerung umgebaut, um diese in die Cloud zu bringen. Im CICS-Projekt (Cloud based Industrial Services) haben die Forscher dagegen eine neue, auf Webtechnologien basierende SPS entwickelt, mit der die Programme und Algorithmen als Dienste in eine Cloud verlagert werden können.
Das Kooperationsforschungsprojekt Picasso hat sich das weltweit erfolgreiche App-Konzept zum Vorbild genommen und zur Steuerung von Robotern und Anlagen über Cloud-Plattformen einen Ansatz für industrielle Apps entwickelt. Forscher an der TU Berlin und dem Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Berlin haben dazu die klassische Maschinensteuerung virtualisiert. Sie zerlegten dazu alle Komponenten der Bewegungssteuerung in voneinander unabhängige Einzelteile und machten sie in eigenständigen Betriebssystemumgebungen (virtuellen Maschinen) in der Cloud lauffähig. Die Komponenten wurden anschließend wieder über Kommunikationsschnittstellen miteinander verbunden. Sie können so in einem Netzwerk der Steuerungsdienste ihre Funktionalität übernehmen.
„Ziel war es, die Anteile der Steuerung, die nicht unmittelbar mit Regelungsaufgaben befasst sind und daher nicht auf eine harte Echtzeit angewiesen sind, von der Maschine bzw. dem Steuerungsrechner der Maschine zu entkoppeln“, erläutern die Forscher ihr Konzept. Damit teilt sich die Steuerung in einen Echtzeitanteil, in dem zeitkritische Steuerungsaufgaben im Millisekundentakt laufen, und einen Nicht-Echtzeitanteil auf, der die gesamte Mensch-Maschine-Schnittstelle umfasst. Der nicht zeitkritische Steuerungsanteil konnte damit ausgelagert und in einer Cloud-Architektur abgebildet werden. Das habe den Vorteil, dass die Rechenleistung für die Bedienplattform in der Cloud nahezu beliebig skalierbar sei, während der stabile Echtzeitanteil durch eine angepasste Steuerungsplattform leistungsgerecht in der Maschine verbleibe.
In Pilotanwendungen beim Picasso-Partner Kuka konnten so Roboter Cloud-basiert gesteuert werden. Die komplette Sollwerterzeugung läuft dabei in einer virtuellen Umgebung. Das umfasst den Interpreter für Roboterprogramme, die Bahnplanungsalgorithmen und auch den Feininterpolator. Vor Ort verbleibt eine Rumpfsteuerung, die die Antriebsregelung übernimmt, Ausgangssignale an externe Komponenten wie Ventile oder Fließbänder weiterleitet und Eingangssignale von Sensoren und Schaltern empfängt. Um die Personensicherheit der Anlage zu garantieren, verbleibt auch die Sicherheitssteuerung direkt am Roboter. Die Ergebnisse des Projekts wurden Anfang 2017 auf den Stuttgarter Innovationstagen präsentiert.
Beim CICS-Projekt, das vor wenigen Wochen abgeschlossenen wurde, gingen die Forscher einen Schritt weiter: Sie haben sich von der vorhandenen SPS-Technik gelöst und durchgängig weborientierte Steuerungsdienste entwickelt. Für das Management und die Ausführung sollen diese verfügbare öffentliche und private Cloud-Strukturen nutzen.
Mit ihrem Projekt wollen die Forscher einen Beitrag zur Entwicklung von adaptiven und wandlungsfähigen Steuerungssystemen leisten. Die Programmierung, Inbetriebnahme und Wartung der meisten derzeit im Einsatz befindlichen Steuerungstechnologien sei für die Anforderungen der Industrie-4.0-Szenarien zu aufwendig und unflexibel, sagt Michael Stiller vom Fraunhofer-Institut für eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik (ESK) in München. Deshalb sei es Ziel des CICS-Projekts gewesen, mit den Forschungsergebnissen neue Steuerungssysteme zu ermöglichen, die sich flexibel und mit wenig Aufwand an anwendungsspezifische Bedürfnisse anpassen lassen, so Stiller.
Neben dem Fraunhofer ESK sind an dem CICS-Projekt der Lehrstuhl für Kommunikationstechnik der Uni Augsburg sowie das Düsseldorfer Telelabor beteiligt. Die Düsseldorfer haben ihr Know-how bei der Entwicklung von serviceorientierter Software für Webdienste auf Basis von Standard Webtechnologien eingebracht. Das Fraunhofer-Institut hat die zugehörigen Schnittstellen entwickelt und die Augsburger Forscher haben die Kommunikation optimiert und die Latenzzeiten reduziert.
Zunächst haben die Forscher einen Prototyp einer Cloud-Steuerung entwickelt und diesen anschließend an einer Referenzarchitektur getestet und optimiert. Diese kann sowohl aus der Cloud als auch lokal über einen Browser gesteuert werden. Das System zeigt sich sehr flexibel: Sensoren und Aktoren können nach dem Plug-&-Play-Prinzip ohne Neukonfiguration der Steuerung ausgetauscht werden.
Mit der CICS-Lösung können laut Stiller technische Prozesse mit Reaktionszeiten zwischen 150 ms und 200 ms zuverlässig über das Internet gesteuert werden. Damit könnte die Steuerung bereits heute in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt werden. Wird CICS ausschließlich im lokalen Netz ausgeführt, sind die Reaktionszeiten deutlich geringer. „Das Steuern der Produktion aus der Privat-Cloud hat den Vorteil, dass die Maschinen und Anlagen über ein Hochgeschwindigkeitsethernet verknüpft werden können und die lokalen Netze so deutlich kürzere Latenzzeiten besitzen“, erläutert Stiller.
Die Steuerung aus der eigenen Cloud (private Cloud) sei im Bereich von Millisekunden möglich, sodass über die Steuerungsservices auch einfachere Anlagen gesteuert werden könnten. „Um weitere Anwendungsfälle zu erschließen, hat die Universität Augsburg untersucht, mit welchen Methoden, wie durch geschickte Kombination bestehender Protokolle, eine weitere Verringerung der Reaktionszeiten möglich ist“, sagt Stiller. Die Ergebnisse werde man im Januar auf der Abschlussveranstaltung für das CICS-Projekt präsentieren.
