Akzeptanz in der Breite fehlt noch

Nach wie vor finden sich in der automatisierungstechnischen Praxis sowohl zentrale als auch dezentrale Architekturen wieder. Dank immer leistungsfähigeren Prozessoren und Kommunikationsystemen ist hier heute fast alles machbar. Im Rahmen des aktuellen Trendteils zu „Integrated Manufacturing" erläutern die Experten von Bachmann, Beckhoff, Kontron, National Instruments, Phoenix Contact, Profactor und Siemens speziell den Bereich Distributed bzw. Collaborated Automation.

eA: Was genau kennzeichnet aus Ihrer Sicht ein modernes System der Distributed bzw. Collaborated Automation?

Hauser: Je mehr Intelligenz in der Anlage verteilt ist, desto modularer ist das Gesamtkonzept und desto mehr modulare, wiederverwertbare Teileinheiten werden geschaffen. Je zentralistischer die Intelligenz, desto dedizierter und damit weniger wiederverwertbar ist die konkrete Lösung. Das Management-Prinzip der Delegation liefert hierfür eine passende Analogie. Intelligente Antriebe, intelligente IO-Klemmen bedeutet das im Feld; vernetzte Steuerungen auf der Prozessebene. Passende stabile Protokolle auf Basis von Feldbussen und offenen Industrial-Ethernet-Lösungen sind die Konsequenz. Mehr Kommunikation findet zwischen den dezentralen Teilnehmern statt. Routing&Switching zwischen den Segmenten wird mit entscheidend. Datenlogging kommt als neue Aufgabe hinzu, um Gesamtsystemzustände analysieren zu können. Wird delegiert, gewinnt Kontrolle folglich an Bedeutung. Diese ist idealerweise IPC-basiert und bietet alle weiteren Funktionen, die auch schon heute von IPCs erfüllt werden können.

Jamal: Skalierbarkeit, Offenheit und Modularität sind drei der wichtigsten Eigenschaften eines modernen verteilten Automatisierungssystems. Hierbei nimmt die Software bzw. das Engineering-Werkzeug eine Schlüsselrolle ein – angefangen bei der Verteilung der Intelligenz bis hin zur zuverlässigen Kommunikation zwischen den einzelnen Einheiten. Innerhalb dieser Infrastruktur müssen die oben genannten Eigenschaften wie Offenheit im Hinblick auf die Erweiterung des Systems und Skalierbarkeit auf den Anforderungen entsprechenden CPUs und FPGAs gewährleistet sein. Innerhalb unseres Ökosystems bei National Instruments sind diese Forderungen weitgehend erfüllt – vor allem die Verteilung der Intelligenz mittels der grafischen Programmiersprache Labview und auf Basis sehr schneller FPGA-Plattformen sowie Multicore-Prozessoren ist heute State-of-the-Art.

Müller: Ein modernes System der Distributed Automation zeichnet sich auf jeden Fall durch seine Einfachheit gegenüber einem zentralen Automatisierungssystem aus. Dies gilt insbesondere für das einfache Engineering des Systems – angefangen bei der Programmierung der verteilten Intelligenz über die Verschaltung der Automatisierungsobjekte im Gesamtsystem bis hin zur Verknüpfung mit dem Kommunikationssystem. Darüber hinaus spielt die Offenheit des Systems eine wesentliche Rolle.

Papenfort: Ein modernes System für verteilte Anwendungen sollte offen und skalierbar sein. Die Skalierbarkeit in der Hardware trägt dazu bei, dass man für jede Aufgabe die passenden CPUs findet. Die Skalierbarkeit in Software optimiert die Softwareausstattung aller beteiligten CPUs. Der schnelle – möglichst Ethernet-basierte – Bus sorgt bei preiswerter Infrastruktur für eine schnelle – und bei Ethercat auch echtzeitfähige – Kommunikation. Ethercat sorgt sowohl für die Vernetzung der CPUs untereinander als auch zu den I/Os und Antrieben

Schagginger: Der Kern der Sache liegt in der Verteilung von Intelligenz (also letztlich Programmcode) auf verschiedene, räumlich verteilte Geräte. Diese ist heute schon in unseren Geräten bis zu einem gewissen Grad auf Ebene intelligenter Module auf der Steuerung oder in Remote-Stationen über sehr schnelle FPGA-Lösungen realisiert. Der verallgemeinerte Ansatz bedeutet jedoch, dass man völlig frei programmierbare CPUs verteilt anordnet und für die Lösung einer gemeinsamen Aufgabe programmiert. Dies klingt zunächst simpel – stellt aber bei näherer Betrachtung eine riesige Aufgabe an die beteiligten Kommunikationsschichten und Ablaufsysteme (Laufzeitumgebungen). Die größte Bedeutung insgesamt hat jedoch der veränderte Engineering-Prozess. Insbesondere jene Teile der resultierenden Logik, welche der Anwender gar nicht mehr wahrnimmt. Somit lässt sich für die Anforderungen an moderne Distributed-Automation-Systeme zum einen die Zusammenlegung der verschiedenen Domänensichten wie Code- erstellung, Geräte- und Feldbuskonfigurationen nennen. Zum anderen müssen die Engineering-Werkzeuge in viel größerem Umfang als heute Automatismen und Hilfestellungen bereits offline in der Projektierung anbieten.

Strasser: Ein modernes Steuerungssystem soll eine Hardware- und topologieunab-hängige Programmierung erlauben. Weiterhin müssen moderne Netzwerksysteme wie Industrial Ethernet unterstützt werden. Eine Integration in übergeordnete Ebenen der Automatisierungspyramide, z.B. in MES und ERP muss ebenfalls einfach möglich sein. Zudem sollte ein modernes, verteiltes Steuerungssystem Methoden und Konstrukte aus der Informatik unterstützen sowie eine offene Architektur aufweisen und eine einfache Integration von diversen Ansätzen aus der Steuerungstechnik bzw. der Informationstechnik ermöglichen. Außerdem sollte es sowohl Industrie-PCs als auch SPS-Hardware unterstützten. Weitere wichtigen Themen sind Portabilität (Engineering-Werkzeuge sollen Bibliothekselemente von verschiedenen Herstellern akzeptieren und verwenden können), Konfigurierbarkeit (Steuerungsgeräte verschiedener Hersteller sollen von verschiedenen Engineering-Werkzeugen konfiguriert bzw. programmiert werden können) sowie Interoperabilität (Steuerungsgeräte verschiedener Hersteller sollen an der Ausführung verschiedener, auch verteilter Applikation zusammenarbeiten können).

Weißhuhn: In modernen Strukturen wird die Intelligenz (Programmlogik etc.) immer stärker dezentralisiert (vor Ort, an der Maschineneinheit), also „Distributed Automa-tion". Die neutrale Nutzerorganisation PNO (www.profibus.com) hat seit 2001 hierfür einen Standard definiert: Profinet CBA (Component Based Automation). Der Nutzen von Profinet CBA sind übersichtliche und autarke mechatronische Einheiten. Die Modularität mit diesen Einheiten ermöglicht Zeit und Kostenreduktion im Engineering, in der Inbetriebnahme, in der Diagnose und bei der Änderung bzw. Erweiterung der Produktionsabläufe. Wesentlich bei der Verteilung von Steuerungsintelligenz ist es, die Komplexität der dafür notwendigen Netzwerkkommunikation im Griff zu behalten. Bei CBA werden die Kommunikationsbeziehungen zwischen den autarken Einheiten durch Drag&Drop einfach verschaltet. Das dazu erforderliche Engineering Tool (Simatic iMap) ist herstellerunabhängig und erlaubt damit auch das Verschalten von Steuerungen unterschiedlicher Hersteller. Zusätzlich spart der hohe Grad der Wiederverwendung der mechatronischen Einheiten Engineering-Aufwände.

eA: Wo liegen derzeit noch Entwicklungsdefizite bzw. Probleme in der Anwendung?

Hauser: Der Schulungsaufwand wird größer. Die Gesamtlösungen werden vernetzter. Erfahrungen müssen mit dieser „dezentralen" bzw. „collaborated" Vernetzung gesammelt werden und wirkliche Interoperabilität ist noch immer eine Herausforderung aufgrund der vielen unterschiedlichen „Sprachen" und „Slangs". Dank der offenen IPC-Technologie und deren Plug&Play-Interfacetechnologien wie Ethernet und USB wird echte Interoperabilität jedoch zunehmend vom Anwender als Hygienefaktor wahrgenommen. Die Welt der Automatisierung muss langfristig – vereinfacht gesprochen – so leicht zu handhaben sein, wie das Einstecken einer USB-Festplatte. Hier sind wir noch lange nicht angekommen. Alle langfristig erkennbaren Megatrends in der Automatisierung haben dies jedoch zur Grundlage. SPS-Normen wurden definiert. Feldbusse wurden geschaffen. In vielen Teilbranchen der Automatisierung gibt es zusätzliche Standardisierungsbemühungen zu mehr Interoperabilität durch standardisierte Kommunikation. Insofern bin ich sicher, dass der Trend grundlegend weiter in diese Richtung gehen wird.

Jamal: In all den von mir genannten Punkten gibt es Lösungsansätze. Kommunikationssysteme, Programmierwerkzeuge und Automatisierungsgeräte zuhauf. Die meisten Player im Automatisierungsumfeld haben dies mehr oder weniger erfolgreich umgesetzt – innerhalb ihrer eigenen Infrastruktur und mit einem Kommunikationssystem ihrer Wahl. Handlungsbedarf gibt es nach wie vor in Bezug auf ein Hersteller übergreifendes Zusammenspiel von Sprachen bzw. Dialekten, Kommunikationssystemen und -geräten. Diese einfach klingenden Anforderungen sind in der Praxis jedoch mit den größten Herausforderungen verbunden.

Müller: Die Herausforderungen beim Aufbau eines Distributed-Automation-Systems liegen genau in den eingangs genannten Merkmalen. Auf der Ebene der Kommunikationssysteme gibt es heute bereits Lösungsansätze wie Component Based Automation (CBA) bei Profinet. Im Bereich der Engineering-Systeme besteht noch Handlungsbedarf, da hier derzeit keine Herstel- ler übergreifende Lösung verfügbar ist.

Papenfort: Vielfach werden die Entwicklungstools noch zu sehr auf eine Ein-CPU-Lösung ausgerichtet. Sollen Konfiguration, Programmierung und Diagnose auf ein Netzwerk von CPUs ausgedehnt werden, so muss es in Zukunft eine stärker Netz-werk übergreifende Sicht geben. Beckhoff arbeitet an solchen Tools.

Ruttkamp: Siemens entwickelt in Abstimmung mit der PNO den Standard sukzessive weiter. CBA (wie von Herrn Weißhuhn vorab beschrieben) wird insbesondere in Branchen wie Food&Beverage sehr viel- seitig eingesetzt. Es handelt sich bei Profinet CBA um eine erprobte und bewähr-te Technologie, die in den USA sowie den Branchen Automotive und Food&Beverage eine hohe Akzeptanz geniest. In einigen Branchen und Industrien werden die Stärken und Potenziale der Standardisierung von mechatronischen Einheiten noch nicht voll ausgeschöpft. Siemens hat diesen Standard in seiner offenen Systemarchi-tektur Totally Integrated Automation verankert. Die Integration von Steuerungsplattformen anderer Hersteller funktio-niert heute über das Hilfsmittel eines frei downloadbaren Software-Tools.

Schagginger: Die wesentliche offene Herausforderung ist die vollständige Abdeckung aller notwendigen Aufgaben im Engineeringworkflow und die zur Laufzeit notwendigen Middleware- bzw. Basiskommu-nikationsschichten. Die Umsetzung der „ Verteilbarkeit" für genau einen proprie- tären Bus und genau eine Laufzeitsystemimplementierung ist im Großen und Ganzen schon machbar. Was fehlt sind Vereinheitlichungen im Bereich Laufzeitprädiktion (z.B. für IEC-61499-Bausteinketten), Kapabilitätsprädiktion für beliebige (Standard-)Feldbusse und Controllersysteme. Auch das Thema Rekonfiguration solcher verteilten Systeme – also das „verteilte" Pendant zum „ Online-Change" von Function-Blocks in IEC-61131- Umgebungen ist noch nicht auf breitenfähigem Industrieniveau.

Strasser: Die Automatisierungs- und Steuerungstechnik ist durch eine hohe Vielfalt an proprietären Produkten geprägt. Obwohl sich in den letzten 15 Jahren die IEC 61131- 3 durchsetzen konnte und sich praktisch jede SPS nach den Sprachen dieser Norm programmieren lässt, bleiben für den Anwender noch viele Punkte (z.B. die Architektur für verteilte Steuerungen, eventbasierte Abarbeitung) ungelöst. Von IEC wurde dazu im Jahr 2005 der Standard für verteilte Automatisierungs- und Steuerungssysteme, veröffentlicht, der sich der offen gebliebenen Punkte der IEC 61131-3 annehmen soll. Aktuell gibt es nur eine geringe Verbreitung der IEC 61499. Die Firmen nxt-Control (www.nxtcontrol.com) und Isagraf (www.isagraf.com) bieten die ersten kommerziellen Produkte auf Basis der IEC 61499 an. Ähnlich zur Etablierung der IEC 61131-3 wird die IEC 61499 auch noch ein paar Jahre benötigen um sich in einem größeren Kontext durchsetzen zu können.

eA: Welche Bedeutung haben in diesem Zusammenhang Normen und Standards und wie bewerten Sie Initiativen wie die 4Diac-Referenzimplementierung nach IEC 61499?

Hauser: Normungen haben immer den Vorteil einer Austauschbarkeit und Kombinierbarkeit auf kleinstem gemeinsamem Nenner. Es wird folglich zunehmend kooperativer, es wird erweiterbar und offen – auch für die Zukunft. Für uns als IPC-Anbieter sind die einzelnen Ausprägungen von Steuerungen jedoch nicht so bedeutend, denn ob es eine ICE-61499-Steuerung oder eine ereignisorientierte IEC-61131-Steuerung ist, stellt auf Prozessebene für IPCs nur eine Frage der Auslegung und der Vernetzung dar. Wenn ein IPC hier eine Rolle spielt – und das tun sie weiterhin zunehmend – dann kommen auch immer IPC-Zusatzfunktionen mit ins Spiel wie Rechenleistung an sich, HMI-Funktionen, Ethernet, Webserver, Remote Management. Und die x86er-Rechenleistung wird weiterhin steigen. Und mit Intel-Atom-Prozessoren wird sie auch weiter ins Feld eindringen können.

Jamal: Normen und Standards schaffen die Voraussetzungen für Interoperabilität, Austauschbarkeit und Wiederverwendung. Insgesamt wird dadurch das Zusammenspiel der in einer Applikation beteiligten Komponenten und Schnittstellen reibungsloser. IEC 61499 legt die Weichen für das Modellieren von Automatisierungssystemen und das Verteilen der Anwendung auf die unterschiedlichen Geräte. Die Bedeutung von IEC 61499 steigt für einen messtechnikorientierten Hersteller wie National Instruments dann, wenn auch steuerungsübergreifende Disziplinen wie die Messtechnik mit einbezogen werden. Die Messtechnik wird immer mehr zum integralen Bestandteil von Automatisierungsanwendungen, sodass wir langfristig ohnehin nicht darum herum kommen, in solche Standards messtechnische Aspekte mit einzuschließen.

Müller: Normen und Standards sind in diesem Umfeld sehr wichtig, denn nur so kann sichergestellt werden, dass die Systeme und Komponenten verschiedener Hersteller vernünftig zusammenarbeiten können. In diesem Zusammenhang ist die Initiative 4Diac mit ihrer Referenz-Implementierung gemäß der Norm IEC 61499 ein interessanter Ansatz, der insbesondere das Engineering von verteilten Systemen adressiert. Für ein umfassendes System ist allerdings die Einbindung der am Markt vorhandenen Steuerungssysteme unterschiedlicher Hersteller notwendig. Wenn dazu ein Redesign aller Systeme erforderlich ist, wird sich ein solcher Ansatz nicht durchsetzen können.

Papenfort: Die IEC 61499 ist ein Weg, die Verwendung und Wiederverwendung von Software zu erleichtern. Bausteine der IEC 61499 können entweder auf einer zentralen oder in mehreren verteilten Steuerungen verwendet werden. Ein großer Vorteil dieser Bausteine ist das eventgetriebene Aufrufen. Beckhoff hat in einem europäischen Forschungsprojekt bereits bewiesen, dass die Anwendung der IEC 61499 bei verteilten Architekturen Vorteile bietet.

Ruttkamp: In einem verteilten System sind Standards und Normen von großer Bedeutung, um die Interoperabilität zu ermöglichen und Schnittstellenkosten deutlich zu minimieren. Profinet ist ein IEC-Standard (IEC 61158 und IEC 61784). Die PNO ist mit mehr als 1400 Herstellerfirmen und der Standardisierung der Feldbussysteme Profibus und Profinet aus meiner Sicht die bedeutendste Feldbusorganisation der Welt. Die heute vorhandene Standardisierung für mechatronischen Einheiten ist in ausreichendem Maße vorhanden.

Schagginger: Die aktive Normungsarbeit und Schaffung von tragfähigen Industriestandards ist in diesem Zusammenhang ein absolutes Muss. Gerade wenn die Komplexität real gesehen sehr groß und die dem Anwender zumutbare sehr beschränkt ist, verleitet dies zu proprietären und damit einfacher erreichbaren Lösungen durch einzelne Firmen. Da es sich dabei um Sonderlösungen handelt, fehlt dann den Initiativen die Verbreitung und Akzeptanz – wirklich gute Ideen scheitern leicht an so etwas. Bachmann electronic ist seit mehr als vier Jahren mit dem Thema verteilte Automation im Rahmen mehrere IEC-61499-Projekte tätig. Dabei wurde bewusst der Weg über herstellerübergreifende Konsortien gemeinsam mit Universitäten gewählt. Die Refe-renzimplementierungen stellen großartige Meilensteine auf dem aktuellen Weg in ei-ne nächste Automatisierungsgeneration dar. Allerdings muss man hier die Erwartungshaltung der Kunden und Medien etwas dämpfen. Es wird noch einige Jahre dauern bis die verteilte Automation en gros etabliert sein kann. Man darf sich nicht täuschen lassen – ein IEC 61499 Editor macht noch kein Distributed-Automation-System aus (wir bei Bachmann haben einen solchen schon heute – warten aber mit der Markteinführung ganz klar, bis die unterlagerten Voraussetzungen gegeben sind).

Strasser: Normen und Standards haben bei einer Umsetzung eines verteilten Steuerungssystems einen sehr hohen Stellenwert. Insbesondere die IEC 61499 liefert hierzu ein sehr gutes Referenzmodell. Referenzimplementierungen, wie die 4Diac-Initiative tragen zur Unterstützung bei der Umsetzung bei und bieten so eine sehr gute Basis für weitere Arbeiten. Solche Initiativen machen einen Standard oder eine Norm oftmals erst greifbar und können zu einer Verbreitung der Technologie beitragen. Aus diesem Grund haben wir auch die 4Diac-Initiative zusammen mit unseren Partnern ins Leben gerufen. Die Open-Source-Initiative 4Diac hat sich daher zum Ziel gesetzt, die Anwendung des Standards IEC 61499 in der Automatisierungstechnik zu fördern. Dafür wird ein Framework bereitgestellt, das die Forderungen nach Portabilität, Konfigurierbarkeit und Interoperabilität erfüllt.

eA: Wie weit geht der Trend über die Automatisierungstechnik hinaus, d.h. inwiefern werden Sie mit Kundenanforderungen aus Managementmodellen zu Collaborated Manufacturing konfrontiert?

Hauser: Da Kontron keine Anlagen automatisiert, sondern applikationsfertige IPC-Technologie für die Automatisierungstechnik bereitstellt, werden wir eher selten mit diesen Managementmodellen direkt konfrontiert. Durch die Komponentenorientierung von 4Diac mit Gerätemodellen, die Eventinterfaces haben, was auch etwas mit Objektorientierung zu tun hat, sehen wir jedoch zunehmend den Trend in Richtung „ Software als Differenzierungsmerkmal". Unsere Kunden müssen sich hierauf konzentrieren. Die dedizierte x86er-Hardwareentwicklung wird damit zunehmend an Firmen wie Kontron ausgelagert. Und auch wir sehen unser hardwarenahes Softwareangebot zunehmend als Differenzierungsmerkmal: Je mehr wir „Application-ready" liefern können, desto mehr kann sich unser Kunde auf seinen spezifischen Lösungsan-satz konzentrieren.

Jamal: Das Thema „Verteilte Automatisierungssysteme" ist im Grunde nicht neu, und Kundenanforderungen diesbezüglich existieren in den unterschiedlichsten Ausprägungen. Auch gibt es mittlerweile Lösungsansätze seitens unterschiedlicher Interessengruppen aus dem Automatisierungsumfeld. Die Komplexität verteilter Systeme ist allerdings so hoch, dass eine breite Akzeptanz seitens der Anwender noch lange nicht gewährleistet ist. So sind darüber hinausge-hende Fragen in Richtung Management-modellen noch seltener.

Müller: Kundenanforderungen nach verteilten Automatisierungssystemen gibt es schon seit vielen Jahren. Lösungen hierfür wurden mit Open Control, IDA (Interface for Distributed Automation) oder Profinet CBA immer wieder angegangen. Da verteilte Systeme naturgemäß komplexer in der Anwendung sind, ist eine breite Akzeptanz hierfür bisher noch ausgeblieben. Aus diesem Grund sind darüber hinaus gehende Anforderungen eher selten.

Papenfort: Im Forschungsprojekt Eupass (Evolvable ultra precise assembly systems) sind viele Fragen bezüglich eines Collaborated Manufacturing bereits angerissen worden. Eine sehr flexible Produktion war hier eines der Forschungsthemen. Alle Produktionsmodule haben standardisierte Schnittstellen. Mechanik, Energieversorung und Software sind standardisiert worden. Damit ist ein einfacher Austausch gewährleistet. Über die Anbindung an ein Prozessleitsystem wurden Rezepte für eine flexible Produktion vorgegeben. Die enge Verzahnung von Prozessleitsystem und Steuerungstechnik ist notwendig für eine optimale Produktion.

Schagginger: Die Tragweite der bei der Beschäftigung mit verteilter Automation aufgebrachten Probleme und deren Lösungskonzepte ist vermutlich noch lange nicht vollständig behandelt. Auch darf nicht der Eindruck entstehen, da wäre alles schon in der Theorie gelöst. Dennoch sehe ich in der Methodik ein großes Potenzial, welches viele Anwendungsbereiche stark verändern kann. Dass verteilte Automation per se zu jeder Anwendung passt, gilt übrigens nicht. Zentrale Konzepte haben für viele Anwendungen entscheidende Vorteile insbesondere bei Performance, Änderungsmanagement, Wartung und Gesamtkomplexität. Das Ziel ist vielmehr irgendwann nicht mehr (vorab) zu unterscheiden, ob man gerade ein Zentralkonzept oder ein verteiltes Konzept projektiert. Konkrete Kundenanforderungen aus dem Bereich Collaborated Manufacturing in Bezug auf verteilte Automation gibt es noch wenige – die dort von der Anwenderseite geforderten Vernetzungsstrategien wie Kamm- und Zellenkonzepte auf Basis von Profinet in der Automobilindustrie beherrschen wir schon heute. Die wahren Stärken von echter verteilter Automation sind der Endkundenseite heute noch zu wenig bewusst.

Strasser: In einigen Projekten sind wir schon mit Kundenanforderungen in Kontakt gekommen, wobei ein Konzept für die Integration eines verteilten Steuerungssystems mit MES bzw. ERP-Systemen gefordert war. Hier sehen wir jedoch noch erhebliches Verbesserungspotenzial für zukünftige Entwicklungen.

Weißhuhn: Die Forderung der Kunden nach „Collaborated Manufacturing" geht über die Programmierung der Automatisierung hinaus, und zwar bis hin zur vorgelagerten Produkt-/Anlagendesignphase, zur Konstruktionsphase und zu möglichen Ablaufsimulationen. Der Bedarf von Collaborated Manufacturing findet sich in drei Punkten wieder: der Vernetzung und Wiederverwendung von fertigungstechnischen Komponenten/Einheiten (Profinet CBA), der Anbindung bzw. Integration der Design-/Konstruktions-Anwendung (CAx) in die Programmierungs-Anwendung (z.B. Step 7) sowie der verstärkten Integration der Fertigung (Automatisierung) in Warenwirtschaftssysteme (ERP). Siemens hat für alle drei Anforderungen eine offene Ar-chitektur (Totally Integrated Automation) entwickelt. Um den vollständigen Entstehungsprozess digital auszuführen, gibt es den Simatic Automation Designer. Hinzu kommt die sich einfach in die ERP-Systeme integrierende MES-Lösung Simatic IT.

zg