Integration von Edge-Computing in SPSen und PACs

Edge-Computing umfasst die gesamte Infrastruktur, Tools und Prozesse, welche die Umsetzung von Datenverarbeitungsaktivitäten mithilfe einzelner Datenquellen wie intelligenten Edge-Geräten am Netzwerkrand anstatt auf der zentralisierten Infrastruktur unterstützen.

Edge-Computing ist hilfreich zur Konsolidierung bestehender Anwendungen von Geräteherstellern, wie Überwachungs- und Steuerungssoftware, in einer einzigen Plattform, und ermöglicht es gleichzeitig anderen wichtigen Anwendungen, auf derselben Plattform zu arbeiten. Dies erleichtert die Entwicklung von IIoT-fähigen Maschinen und Geräten sowie die Hinzufügung zukünftiger Anwendungen, welche die sich entwickelnden Anforderungen von Kunden im Bereich Industrie 4.0 und intelligente Produktion unterstützen.

Unterschied zwischen SPSen und PACs

Sowohl SPSen (speicherprogrammierbare Steuerungen) als auch PACs (programmierbare Automatisierungssteuerungen) verwenden Protokolle und Netzwerke wie Ethernet, ControlNET, DeviceNET und verbinden sich auch mit Software und Datenbanken wie OPC, SQL und anderen. Der grundsätzliche Unterschied zwischen den beiden liegt in den jeweiligen Programmierschnittstellen, die es ihnen ermöglichen, unterschiedliche Funktionen zu erfüllen. Da PACs in C oder C++ programmiert werden, haben die Geräte eine offene Architektur und ein modulares Design. SPSen dagegen setzen auf eine einfache programmierte Ausführung. Demzufolge arbeiten sie mit begrenztem Speicher und diskreten Ein- und Ausgängen.

Mit dem technologischen Fortschritt scheint sich die Kluft zwischen beiden zu verringern. Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen Nutzen und Leistung. Aufgrund der einfachen Programmierbarkeit von PAC-Modulen lassen sich Bauelemente einfach zu PACs hinzufügen oder davon entfernen. SPSen sind dagegen drahtgebundene Systeme und die Hinzufügung von Geräten erfordert eine zusätzliche Verdrahtung, die sich aufgrund der kleinen Footprints und kompakten Anschlüsse mit herkömmlichen Methoden schwierig gestaltet.

Edge-Computing-Technologie in SPSen und PACs

Das Whitepaper Industrie 4.0 – Edge-Computing im industriellen Umfeld erklärt, wie der Übergang zu einer Edge-kompatiblen Steuerungsinfrastruktur dabei geholfen hat, industrielle Steuerungsarchitekturen zu verändern. Edge-Computing, Anbieter und Anwender haben zu einer flexibleren und konfigurierbaren Umgebung beigetragen. Der Trend zu ereignisgesteuerten Architekturen in der Informationstechnologie (IT)/Betriebstechnologie (OT) bietet eine einzigartige Möglichkeit, Daten aus der Fertigungsstätte mit cloudbasierten intelligenten Management-Lösungen zu verbinden. Edge-Computing dient als Brücke zwischen den beiden, indem es Änderungen im Fertigungsbereich mit ERP- und Managementsystemen verknüpft, die dazu dienen, Geschäftsabläufe zu automatisieren und Erkenntnisse schnell und effizient bereitzustellen.

In vielen Fällen kann es sinnvoller sein, die IoT-Datenverarbeitung und andere Aufgaben direkt in ein Modul, das für die industrielle Automatisierung ausgelegt ist, z. B. eine programmierbare Automatisierungssteuerung, zu integrieren. PACs, die über leistungsfähigere Prozessoren verfügen, könnten eine breitere Palette von Software als SPSen ausführen. Im Gegensatz zum Kontaktplan bieten PACs jetzt visuelle und textuelle Programmiersprachen, die eine komplexere Verarbeitung und Analyse von Echtzeitdaten von lokalen und entfernten Sensoren ermöglichen.

Einige PACs haben eine ähnliche Architektur wie eine Standard-SPS. Diese kann auch intelligente Steuermodule unterbringen, welche die einfache Installation und Ansteuerung von Motoren und anderen ähnlichen Geräten mit Geschwindigkeits-, Stopp- und Startbefehlen ermöglichen. In den letzten Jahren ist eine weitere Art von PAC entstanden, bei der die Fähigkeit, lokale I/O mit Netzwerkkonnektivität zu unterstützen, mit der Software-Programmierbarkeit intelligenter Gateways kombiniert wird. Diese PACs beruhen auf Hardware-Plattformen wie Arduino, Raspberry Pi und Linux-basierten Industriecomputern. Infolgedessen bieten sie Zugriff auf eine große Vielzahl von Programmierwerkzeugen, wie z. B. Node-RED und Python. Die moderne Netzwerkkonnektivität der PAC-Plattformfunktionen ermöglicht die Integration zwischen der sicherheitskritischen Umgebung der SPS und der Thin-Edge sowie den Analysefunktionen, die in der Regel in der Thick-Edge und in der Cloud ausgeführt werden.

Industrielle Edge-Controller bieten softwaredefinierte Steuerungen mit erweiterten Optimierungsfunktionen und erfüllen gleichzeitig die strengen Anforderungen industrieller Anwendungen an Zuverlässigkeit, Schutz und Sicherheit. Edge-Controller sind aufgrund ihrer Kombination aus Steuerungsaufgaben und Edge-Verarbeitung die logische Wahl für die industrielle Automatisierung und das IIoT. Edge-Gateways, Edge-Geräte und die neuen Edge-Controller, die SPS/PAC und Edge-Verarbeitung in einem einzigen System zusammenführen, sind die wichtigsten Formen der industriellen Edge-Technologie im Bereich der Maschinenautomation. Edge-Controller ermöglichen einen Quantensprung bei SPS- und PAC-basierten industriellen Steuerungssystemen durch eine sichere Verbindung zwischen deterministischer Echtzeitsteuerung und nicht-deterministischen Anwendungen, die Geschäftsprozesse mithilfe externer Daten analysieren und optimieren.

Kommunikationsumfang von SPSen und PACs

Einfache SPSen sind häufig „Bare-Metal“-Designs oder verwenden ein sehr begrenztes und proprietäres Betriebssystem, da sie spezialisierte Steuergeräte mit einem definierten Funktionsumfang sind. Durch den Einsatz von RTOS haben PACs anspruchsvollere Kommunikations- und Funktionsdienste unter Beibehaltung einer deterministischen Laufzeit erhalten. SPSen waren früher isoliert oder haben über langsame und ineffiziente serielle Verbindungen kommuniziert. PACs brachten eine bessere Implementierung von Industrieprotokollen und Ethernet mit sich, um die Konnektivität und Interoperabilität zu verbessern. Edge-Controller bieten diese Vorteile und sind dabei noch in der Lage, in einer zunehmend IT-vernetzten Umgebung zu funktionieren.

SPSen haben hauptsächlich auf einen proprietären Kontaktplan und rudimentäre Tools zur Anwendungsentwicklung gesetzt. PACs können herkömmliche IEC-61131-3-Programmiersprachen, benutzerdefinierte Benutzercodeblöcke und einige grundlegende Funktionen für die Wiederverwendung von Code und objektorientiertes Design unterstützen, indem Ideen aus der größeren Softwarebranche integriert werden. Ein gut gestalteter Edge-Controller behält die deterministische Laufzeit bei und stellt gleichzeitig eine Rechenumgebung für Analysen, Datenaggregation und andere anspruchsvolle Funktionen bereit.

Vorteile der Verwendung von Edge-Controllern

Wenn Benutzer nur einen SPS/PAC-Funktionssatz benötigen, kann ein für diese Rolle geeigneter Edge-Controller spezifiziert werden. Diejenigen, die interessiert und vielleicht technisch versierter sind, sollten jedoch nach Edge-Controllern Ausschau halten, die eine native Toolbox von IT-freundlichen Funktionen aufweisen, wie Linux OS, Python-Interpreter, Secure Sockets, eingebettete Datenbank und Kompatibilität mit OPC Foundation, OPC UA. Es ist einfacher, das deterministische und universelle Betriebssystem auf einer einzigen Hardwareplattform sicher zu koordinieren als separate Systeme zu installieren. Das universelle Betriebssystem hat Zugriff auf ein breiteres Spektrum an Informationsquellen sowie auf High-Fidelity-Daten aus dem deterministischen System und von IIoT-Geräten. Es hat auch die Fähigkeit, lokale Analysen und anspruchsvolle Algorithmen auszuführen. Die Ergebnisse können verwendet werden, um das deterministische System über seinen optimalen Betrieb zu informieren. Darüber hinaus eignet sich das universelle Betriebssystem zur Umwandlung von Rohdaten in vorverarbeitete Informationen, die sicher mit übergeordneten Systemen geteilt werden können.

Dieser Blog konzentriert sich auf die Integration von Edge-Computing in SPSen und PACs. Weitere Informationen zu Edge-Computing und seinen verschiedenen Formen sowie zur Notwendigkeit von End-to-End-Sicherheit finden Sie im Whitepaper „Industrie 4.0 – Edge Computing im industriellen Umfeld“.