Dezentrale Steuerungen in der digitalen Fabrik

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.

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.

Hier weiterlesen

Das könnte Sie auch interessieren

Wenn Lean nicht wirkt, liegt es nicht an Lean Veränderte Arbeitswelten eröffnen neue Perspektiven

Lean Management ist in vielen Unternehmen etabliert, doch die erhofften Verbesserungen bleiben häufig aus. Methoden werden zur Routine, Initiativen verlieren an Dynamik und Mitarbeitende erleben Lean als zusätzliche Aufgabe. Entscheidend ist nicht allein der Einsatz von Werkzeugen, sondern die Haltung dahinter. Beteiligung, Eigenverantwortung und eine veränderte Führungskultur schaffen die Grundlage für nachhaltige Verbesserungen.

Lernfabrik Globale Produktion Karlsuher Institut für Technologie

Lernfabriken machen digitale Technologien greifbar – vom ersten Test bis zur Anwendung im eigenen Betrieb. Unsere Serie stellt Orte vor, an denen Interessierte Wissen aufbauen, Vertrauen gewinnen und Veränderung aktiv gestalten können. An dieser Stelle wird die Lernfabrik Globale Produktion am Karlsruher Institut für Technologie vorgestellt, die sich u. a. durch reale Produkte und eine vollständige Prozesskette ohne Blackboxen auszeichnet.

Digitaler Produktpass: Von der Pflicht zum Mehrwert DPP4.0 macht Produktprozesse interoperabel

Der Digitale Produktpass wird für immer mehr Unternehmen zur Voraussetzung für den europäischen Marktzugang. Welche Informationen für einzelne Produktgruppen konkret bereitzustellen sind, wird dabei erst schrittweise festgelegt. Doch Unternehmen können bereits heute wichtige Grundlagen schaffen. Der Ansatz des DPP4.0 verbindet die regulatorischen Anforderungen mit den Prinzipien von Industrie 4.0.

Die Organisation der Zukunft Industrielle Transformation braucht mehr als Technologie

Die Fabrik der Zukunft wird häufig über Technologien beschrieben: KI, Digitale Zwillinge, vernetzte Maschinen. Doch mit der technischen Leistungsfähigkeit wächst eine zweite Herausforderung: Wie muss sich die Organisation verändern? POWER verbindet fünf organisatorische Fähigkeiten: Performance, Organization, Wisdom, Excellence und Responsibility. Sie werden besonders dort relevant, wo Engineering, Beschaffung, Fertigung und Projektabwicklung zusammenspielen.

Sichere KI für resiliente Unternehmensprozesse Von der Vision zur nachhaltigen Umsetzung

Die digitale Transformation verläuft für jedes Unternehmen unterschiedlich und erfordert einen individuellen Weg, der zur eigenen Ausgangslage passt. Entscheidend ist eine klare Strategie: Wo steht das Unternehmen heute, wo soll es hin und welche Maßnahmen sind dafür nötig? Besonders KMU stehen vor der Herausforderung, Digitalisierung strukturiert zu planen, Verantwortlichkeiten zu klären und neue Technologien sinnvoll einzusetzen.

Embodied AI bringt KI in die physische Welt Unternehmen sollten jetzt agieren – darauf kommt es an

Embodied AI bringt Künstliche Intelligenz in die physische Welt und eröffnet der Industrie neue Möglichkeiten. Intelligente Maschinen können ihre Umgebung wahrnehmen, aus Erfahrungen lernen und autonom handeln. Für Hersteller und Anwender entstehen dadurch neue Potenziale für Flexibilität, Qualität und Wettbewerbsfähigkeit – vorausgesetzt, bestehende technologische und regulatorische Hürden werden überwunden.