Dezentrale Steuerungen in der digitalen Fabrik
Einsatzmöglichkeiten und Anforderungen an die SPS 4.0

Matthias Seitz, Sergii Poluektov und Hans Peter, Hochschule Mannheim

Die intelligente Fabrik der Zukunft soll unter dem Schlagwort „Industrie 4.0“ durch sogenannte Cyber-Physical Systems (CPS) gesteuert werden. Damit ist gemeint, dass die Anlagenkomponenten selbständig den Prozess steuern und somit keine zentrale Steuerung mehr erforderlich ist. Man erhofft sich dadurch flexible Systeme, die nicht individuell programmiert werden müssen, sondern aus Modulen per Plug and Play zusammengesetzt werden können. Welche Aufgaben bleiben der SPS und welche Anforderungen muss sie hierfür erfüllen? Dieser Beitrag diskutiert an einem Beispiel die Möglichkeiten und Grenzen der SPS 4.0 aus heutiger Sicht.

Steuerung in der Cloud

Heutzutage werden die meisten Prozesse vom Bediener über ein Human Machine Interface (HMI) oder von einer zentralen Steuerung aktiviert und parametriert. Da in der Industrie 4.0 alle Systeme miteinander vernetzt sein sollen, könnten in Zukunft Fertigungsteile, die mit Mikroprozessor oder RFID ausgestattet sind, selbst Prozesse anstoßen oder ausführen [1]. Beispielsweise könnte dann eine Autotür den Lackierprozess selbst aktivieren und die einzusetzende Farbe vorgeben. 
 

Zu den Automatisierungskomponenten, die wie in Bild 1 skizziert als Cyber Physical Systems (CPS) realisiert werden sollen, zählen: 
  • Fertigungsteile, 
  • Sensoren, z. B. eine Kamera, 
  • Aktoren, z. B. Roboter und
  • ganze Anlagenteile, wie z. B. Förderbänder oder ein Hochregallager.

Bild 1: Dezentrale Steuerungen, die Daten über die Cloud austauschen.

Die Steuerungssoftware ist hierfür weitgehend auf die CPS zu verteilen, damit sie autonom Prozesse anstoßen und Aktionen ausführen können. Hierfür müssen die Systeme über offene Schnittstellen zur Programmierung und zum Datenaustausch verfügen. 

Heutzutage ist OPC ein Standard für den herstellerübergreifenden Datenaustausch zwischen Automatisierungskomponenten. Beispielsweise kann ein OPC-Server die Werte von SPS-Variablen bereitstellen und die HMI eines anderen Herstellers kann als OPC-Client auf diese zugreifen. Auch wenn der Datenaustausch über OPC aktuell noch nicht eine Automatisierung in Echtzeit ermöglicht, ist die Reduzierung der Übertragungszeiten in Zukunft vorstellbar. 

Mit OPC UA könnte ein Datenaustausch zwischen den einzelnen CPS über das Internet in Echtzeit erreicht werden [2]. Idealerweise würden die CPS dann drahtlos kommunizieren. 

Um die Software auf die einzelnen CPS zu verteilen, kann ein beliebiger Rechner (PC, Tablet, Smartphone) als Programmiergerät (PG) genutzt werden [3], auf dem ein universelles Programmiersystem läuft, das Software für alle CPS erzeugen kann. 

Für intelligente Feldgeräte, insbesondere drehzahlgeregelte Antriebe, ist es heute schon möglich, Teile der Software in einem SPS-Programmiersystem nach IEC 61131 zu programmieren und im Mikroprozessor (µP) des Antriebs ablaufen zu lassen. Es stellt sich jedoch die Frage, wie kleinteilig die CPS zugeschnitten werden sollten. Um nicht übermäßigen Integrationsaufwand zu erzeugen, können Teilanlagen, wie z. B. der Roboterarm, die Förderbänder oder das Hochregallager aus Bild 1, als wiederverwendbare Module modelliert werden, die von einer SPS gesteuert werden [4].

Die SPS kann man sich leicht als CPS vorstellen, denn sie läuft als Soft-SPS heute schon auf verschiedenen Plattformen (CPU, embedded PC, µP etc.) und für sie gibt es sowohl OPC als auch Webserver.
 

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