Der Trend in der Automation ist eindeutig: mehr Achsen, mehr Sensoren, mehr Connectivity – mehr Daten. Industrie 4.0 setzt auf erweiterte Informationen, die höhere Flexibilität von Maschinen wird mit komplexeren Anordnungen von Antrieben, Roboter-Armen und dem vermehrten Einsatz von Bild- und Videotechnik erkauft. Die Erfassung und Verarbeitung dieser Datenmassen einer smarten Produktion erfordert mehr Ressourcen, bis hin zu neuen Technologien wie Machine Learning oder KI. Rechenkapazitäten und Speicherausstattung von üblichen Steuerungen halten mit dieser Entwicklung kaum noch Schritt. Manche Anwendungen benötigen zudem zwingend eine Windows-Umgebung.
Für die IT ist ein solches Szenario kein Problem: die Cloud stellt quasi unendliche Ressourcen zur Datenspeicherung und -verarbeitung zur Verfügung, bei Bedarf auch virtuelle Umgebungen mit unterschiedlichen Betriebssystemen. Doch auf dem Shopfloor gelten andere Gesetze. Begrenzte Netzwerkkapazitäten und Kostenaspekte setzen dem Cloud-Einsatz in kritischen Bereichen der Automation Grenzen.
Zwei unterschiedliche Lösungsansätze
Die Leistungsfähigkeit von Steuerungen steigt mit jeder neuen CPU-Generation. Der teils begrenzte Datenspeicher kann mit Hilfe von Erweiterungskarten deutlich ausgebaut werden, und auch die Lese- und Schreibgeschwindigkeit dieser Speicherkarten hat sich verbessert. Solange aber die Steuerungsprozessoren auf die ARM- und Atom-Klasse beschränkt bleiben, bieten auch modernere SPS nur begrenztes Potenzial zur Leistungssteigerung. Mehr Leistungsvermögen verspricht dagegen der Einsatz von PC-Technik, die zudem den Einsatz von windowsbasierten Applikationen erlaubt. An diese können bestimmte Aufgaben zur schnelleren Verarbeitung ausgelagert werden, nur die Ergebnisse fliessen wieder in die SPS ein. Diese Technik erfordert jedoch mehr Aufwand im Engineering, zudem belegt sie mehr Raum im Schaltschrank und erfordert zusätzliche Verkabelungen.
Alternativer «Rechenknecht»
Mit dem Cabinet Controller c550 zeigt Lenze nun einen neuen Weg auf, um leistungshungrige Automationsaufgaben mit Hilfe von Steuerungstechnik zu lösen. Den Grundstein dazu legt der verwendete Intel-Prozessor Core i7-7600U mit zwei Kernen und einer 2,8-GHz-Taktung. Mit dieser CPU wird die Performance-Grenze für Steuerungen nach oben neu definiert. Ziel war es, eine Controller-Serie zu entwickeln, welche die mit Industrie 4.0 schnell ansteigenden Anforderungen für Steuerungsaufgaben und Motion-Anwendungen problemlos bewältigen kann. Damit erweitert Lenze sein Portfolio deutlich nach oben. OEMs müssen sich bei komplexen Aufgaben also keine Gedanken mehr darüber machen, ob die Steuerung genügend Rechenpower liefern kann. Der c550 bietet Rechenpower satt.
Der Controller tritt damit in Konkurrenz zu Lösungen, für die aufgrund der reinen Leistungsanforderungen bisher nur IPCs in Frage kamen. Stattdessen kann der Maschinenbauer nun auf den kleineren Formfaktor der SPS zurückgreifen und ebenso die StandardSoftware-Bausteine der FAST-Toolbox von Lenze einsetzen, inklusive der dafür erstellten Module sowie selbst entwickelten Bausteine. Ebenso können bereits existierende Programme bzw. Programm-Module nach IEC 61131-3 und Projekte auf Basis der Codesys-Programmierumgebung weiterverwendet werden.
PC und SPS kombiniert
Das auf der gleichen Hardware basierende Modell c750, lässt die Trennung zwischen SPS und IPC weiter verschwimmen. Denn dieser Controller deckt Anwendungsfälle ab, in denen Windows-Anwendungen zwingend benötigt werden. Die OpenSystem-Architektur, die Lenze mit diesem Modell erlaubt, teilt die Rechenleistung auf zwei unabhängige Betriebssysteme auf. Das Real-Time-Linux ist für Steuerungsaufgaben zuständig, das offene Windows 10 IoT Enterprise steht für kundenspezifische Anwendungen zur Verfügung.
Jedes dieser Systeme läuft auf einem physikalischen Prozessorkern, der sich in zwei virtuelle Kerne aufspaltet und so zwei Aufgaben parallel bearbeiten kann. Möglich macht dies die in der CPU integrierte Virtualisierung auf Prozessorebene, die eine direkte Zuordnung der Ressourcen erlaubt, neben den Prozessorkernen auch Arbeitsspeicher und Schnittstellen. So sind beim Cabinet Controller c750 der Display-Port, ein Gigabit-LAN-Anschluss, der USB-3.0-Port und der CFast-SSD-Einschub dem Windows-System zugeordnet. EtherCATMaster, ein zweites GBit-LAN, und der USB2.0-Port sind mit dem SPS-Teil verknüpft.
Datenaustausch mit der Cloud
Zu den häufigsten Windows-Applikationen zählen Datenbankapplikationen wie Rezeptmanagement und Datenauswertungen, zum Teil mittels Machine Learning, beispielsweise für Predictive Maintenance. Auf Windows angewiesen sind zumeist auch Bilderkennung für Barcode-Leser und 2D/3D-Scanner oder Vision-Applikationen, ebenso TeachingAnwendungen zum Anlernen von Robotern.
In zunehmendem Masse wird auch der Datenaustausch mit der Cloud relevant. Die Datenvorverarbeitung, beispielsweise in Form von Mittelwerten über einen Messintervall, die Reduzierung der zu übertragenden Messpunkte oder das Herausfiltern von abweichenden Messwerten können dazu beitragen, das Datenvolumen, das in die Cloud übertragen wird, stark zu reduzieren. Dies verringert zum einen den Netzwerkverkehr im Shopfloor und auf externen Kommunikationswegen, zum anderen hilft es Kosten bei der Cloud-Anwendung zu sparen, da deren Abrechnung häufig auf dem übertragenen Datenvolumen basiert.
Eins ist besser als zwei
Im Mittelpunkt dieser Kombination von SPS und PC in einem Gerät steht die kompromisslose Stabilität der Maschinensteuerung. Beide Betriebssysteme sind voneinander völlig unabhängig: Sollte das Windows 10 IoT Enterprise auf dem PC-Teil abstürzen, läuft der Steuerungsteil völlig unbehelligt weiter – allerdings ohne die Berechnungen, die an den PC-Teil ausgelagert wurden. Der Cabinet Controller c750 von Lenze ist also genauso zuverlässig wie die Kombination aus einer Steuerung und einem PC mit jeweils eigener Hardware.
Gleiches gilt für die Sicherheit: Trotz der Integration in einem Gehäuse und der gemeinsamen CPU besitzen SPS- und WindowsTeil jeweils ein eigenes Netzwerk. Diese können zwar intern miteinander kommunizieren, lassen sich aber auch mit den üblichen Sicherheitsmassnahmen gegeneinander abschotten, so dass Malware oder Angriffe auf dem Windows-PC nicht automatisch die SPS gefährden.
Wirtschaftliche Vorteile
Zudem ergeben sich interessante wirtschaftliche Vorteile. Denn bestimmte Baugruppen muss man nicht doppelt ausführen. Die Verkabelung wird einfacher, und auch bei der Programmierung und Wartung des Systems ist für den OEM weniger Aufwand nötig, da sich der Entwickler nur mit einem System verbinden muss, anstatt parallel auf zwei Geräten zu agieren. Vom kompakten Formfaktor profitiert die Schaltschrankdimensionierung. Hier ist meist wenig Platz, und im Unterbau von Maschinen oder Antrieben ist eine Veränderung der Aussenmasse, um einen zusätzlichen PC unterzubringen, oft nicht möglich.
Auch für den Anlagenbetreiber wird durch die Integration von SPS und PC vieles einfacher, wie gemeinsame Geräteüberwachung, einfachere Statusübergabe und ein integratives Power-Down-Handling.
IT meets OT
Spätestens mit der grossen Verbreitung von OPC UA als Standard in vielen Automatisierungslösungen und -komponenten wurde auf breiter Front die durchgängige Vernetzung vom Field-Level bis zur Cloud möglich. Wie bereits gezeigt, kann der Cabinet Controller c750 die so gesammelten Daten Cloud-gerecht vorverarbeiten. Für den letzten Schritt, die Integration der Maschinen einer Smart Factory nicht nur in überlagernde Systeme wie SCADA, MES und ERP, sondern bis hin zur Cloud, hat Lenze die Lösung X4 Remote entwickelt. Diese besteht aus Cloud-Gateways und einem Cloud-basierenden Angebot von Webservices. Angebunden werden können sowohl LenzeController als auch SPS anderer Hersteller.
Die gesammelten Maschinendaten werden protokolliert und in Datenclustern gespeichert. Auswertungen lassen sich in selbst konfigurierten Dash-Boards visualisieren, diese sind per Web auch auf mobilen Geräten abrufbar. Über die Cloud-Solution lassen sich Live-Überwachung und Alarme einrichten und weitere Services erstellen, wie beispielsweise Fernwartung und Maschinendiagnose.
Weitere interessante Angebote
Moderne Schnittstellen öffnen den Weg zu weiteren Angeboten, wie etwa Business-Intelligence-Applikationen. Dank fortschrittlicher Verschlüsselungstechnik sowie einem ausgefeilten Benutzer- und Gerätemanagement, das eine eindeutige Authentifizierung und Autorisierung beinhaltet, wird die Sicherheit der Daten in der Cloud gewährleistet. Damit unterstützt Lenze die Geschäftsmodelle des OEM wie die Optimierung von Wartung und Instandhaltung oder den Informationsaustausch mit Lieferanten und Abnehmern.
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