Alexander Bergner, TTTech Computertechnik: “Edge Controller können die Logikfunktionen der SPS übernehmen.”

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Welche Rolle werden nun Edge-Controller und welche SPSen in Zukunft spielen? Oder werden beide Konzepte sogar verschmelzen?

Edge-Controller werden Cloud-Konzepte auf der Maschinenebene ermöglichen und dabei die bisherigen Steuerungskonzepte integrieren. Wie das gehen soll, erläutert Alexander Bergner, Product Manager Industrial IoT bei TTTech Computertechnik.

Markt&Technik: Worum handelt es sich bei Edge-Controllern überhaupt?
Alexander Bergner: Edge-Controller sind Geräte, die die Anwendung von Cloud-Technologien in Produktionshallen und bei Maschinen ermöglichen. Durch die Verwendung von Virtualisierung lösen sie aktuelle Restriktionen von Embedded Systems auf und ermöglichen höhere Flexibilität von der Steuerungsebene aufwärts.

Welche Rolle werden Edge-Controller in der Industrie 4.0 spielen?
Alexander Bergner: Zentrale Themen für die Industrie 4.0 sind Datendurchgängigkeit und Flexibilität. Diese Aspekte werden von Edge-Controllern integral unterstützt. Die Geräte werden die Infrastruktur bilden, auf der Programme der verschiedenen Software-Ebenen der industriellen Produktion ausgeführt werden.

Welche Aufgaben könnten Edge-Controller von der SPS übernehmen?
Alexander Bergner: Edge-Controller können die Logikfunktionen der SPS übernehmen. I/O-Klemmen werden über Buskoppler angesteuert, komplexere Sensoren bzw. Aktuatoren direkt über Feldbusse auf Ethernet-Basis.

Inwieweit sind Edge-Controller zu harter Echtzeit fähig?
Alexander Bergner: Mit aktueller Virtualisierungstechnik sind Zykluszeiten von 1 ms problemlos erreichbar. Es ist daher durchaus realistisch, dass in Zukunft Motion-Control-Aufgaben von Edge-Controllern übernommen werden.

Welche Bedeutung haben die aus der SPS-Welt bekannten IEC-61131-Programmiersprachen für das Edge-Computing, welche andere Programmiersprachen?
Alexander Bergner: Edge-Controller brechen nicht mit den bekannten Steuerungskonzepten. Die SPS ist eine Anwendung auf einem Edge-Controller wie andere auch – allerdings mit erhöhten Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit des Systems. Insofern lassen sich Edge-Controller wie bisher mit den bekannten IEC-61131-Sprachen programmieren. Daneben sind natürlich auch andere Konzepte denkbar – von Matlab bis C#. Die Flexibilität der Edge-Controller wird hier dazu führen, dass sich Anwender leichter zwischen Alternativen entscheiden können. Daher wird die Vielfalt an verwendeten Programmiersprachen voraussichtlich zunehmen.

Den Controller an die Sensoren!

Rahman Jamal, National Instruments: “Edge Controller gestatten die schnelle Analyse und Filterung der Daten direkt am Ort des Geschehens, also dort, wo sich die Sensoren befinden.”

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Je mehr Sensordaten in der Produktion erfasst und verarbeitet werden, desto näher muss der Controller an die Sensoren rücken. Edge Computing ist das passende Konzept hierfür, betont Rahman Jamal, Global Technology and Marketing Director von National Instruments, und erläutert die Hintergründe.

Markt&Technik: Wie erklärt sich Ihres Erachtens der Trend zum Edge Computing?
Rahman Jamal: Im vergangenen Jahrzehnt ist die Intelligenz von Datenerfassungsgeräten und Sensoren erheblich gewachsen und dezentraler geworden. Die Verarbeitungselemente rückten dabei näher an den Sensor. Intelligente Sensoren vereinen heutzutage den Sensor, die Signalkonditionierung, die Embedded-Verarbeitung und die digitale Schnittstelle in einem extrem kleinen System. Angesichts dieser Entwicklung liegt bei vielen Szenarien nun der Schwerpunkt auf Intelligenz und Signalverarbeitung direkt am »Edge«.

Wie definieren Sie den Begriff Edge-Controller?
Rahman Jamal: Nach meinem Verständnis werden Controller, die quasi am »Rand« (Edge) des Internets ihren Einsatz finden, als »Edge-Controller« oder synonym als ‘Fog-Controller’ bezeichnet. Der Begriff ‘Fog-Computing’ soll andeuten, dass sich der Controller nicht in der Cloud, also oben in der Wolke des Netzes, sondern im “Nebel” unten am Boden befindet. Als lokaler Controller leistet ein Edge-Controller hervorragende Dienste für das IIoT, denn er kümmert sich um die Datenübertragung zum dezentralen Rechenzentrum und kann es dadurch entlasten. Zum einen gestattet er die schnelle Analyse und Filterung der Daten direkt am Ort des Geschehens, also dort, wo sich die Sensoren befinden. Zum anderen kann er auch als Zwischenspeicher dienen. Ein schöner Nebeneffekt dabei ist, dass somit Engpässen bei der Internet-Bandbreite entgegengewirkt werden kann.Wie Pilze aus dem Boden schießen zurzeit Sensoren und Aktoren, die sich direkt am “Rand” von IoT-Systemen befinden. Hier fallen große Mengen an Daten der physischen Welt an - wir bezeichnen das als “Big Analog Data” -, die in ein digitales Signal verwandelt werden. Wenn die Daten direkt an den Sensoren und Aktoren analysiert werden, also sehr früh in ihrem Lebenszyklus, lassen sich daraus schneller wertvolle Informationen ziehen.

Was bedeutet dies für die Messsystem-Software?
Rahman Jamal: Weil die Verarbeitung näher an den Sensor rückt, müssen Neuerungen in der Messsystem-Software auch dafür sorgen, dass die Analyse weiter in Richtung Edge verlegt wird. Zukünftige Software für Systeme auf Edge-Basis wird es ermöglichen, Tausende vernetzter Messgeräte zügig zu konfigurieren und zu verwalten sowie eine Unmenge an Analyse- und Signalverarbeitungsdaten an diese Knoten zu übertragen. Unternehmen müssen auf intelligentere Messknoten auf Software-Basis umsteigen, um mit der Menge analoger Daten mithalten zu können, die sie generieren werden.

Welche Konsequenzen hat das Ganze für die Unternehmensebene?
 Sobald intelligente Systeme die Daten erfasst haben, besteht der nächste Schritt darin, die Daten dem Unternehmen zur Verfügung zu stellen, damit sie sich effizient verwalten, konsolidieren und analysieren lassen. Eine Lösung zur unternehmensweiten Datenverwaltung und -analyse, die Engineering-Daten aus zahlreichen Quellen handhaben kann, ist unabdingbar, um die richtigen Daten den richtigen Personen zur rechten Zeit vorzulegen, so dass sie fundierte Entscheidungen auf Basis der Daten fällen können.

Welche Bedeutung werden Edge-Controller in der Industrie 4.0 haben?
Rahman Jamal: Das Thema IoT oder Industrie 4.0 hat große Auswirkungen auf die Fertigungstechnik. Es geht dabei tatsächlich um das nächste große “Ding”: ein Netzwerk aus Tausenden von Sensoren, die mit noch nie dagewesener Embedded-Intelligenz ausgestattet sind und Unmengen an Big Analog Data erfassen, die anschließend über extrem schnelle Drahtlosnetzwerke weitergeleitet werden. Weil es aber auch in der Produktion letztlich darauf ankommt, die richtigen Informationen rechtzeitig zur Hand zu haben, um korrekte Entscheidungen treffen zu können, reicht es nicht mehr aus, wenn die Controller lediglich Steuerungsaufgaben übernehmen. Die Anforderungen des IIoT ändern sich ständig, so dass die Controller zu wesentlich mehr fähig sein und zudem enorme Rechenleistung, Kommunikationsmöglichkeiten und präzise Regelung zugleich bereitstellen müssen.

Welche Aufgaben könnten Edge-Controller von der SPS übernehmen?
Rahman Jamal: Schon jetzt sehen wir einen Bedarf an Systemen mit Smart-Edge-Architektur in der Produktion. Zudem zeigt sich bereits ein Wandel in der Steuerungstechnik mit klassischen SPSen: Die SPSen sind weniger für die Steuerung zuständig und entwickeln sich mehr in Richtung Smart-Edge-Messtechnik. Aufgaben wie Bildverarbeitung oder Datenauswertung werden direkt am ‘Edge’ erledigt. Industrielle Systeme und Maschinen werden immer komplexer und umfassen oft einige unabhängige Subsysteme für ganz bestimmte Aufgaben wie die Bildverarbeitung, die Motorsteuerung und die Mensch-Maschine-Schnittstelle. Ein solches Umfeld erfordert künftig Controller, die einen zentralisierten Ansatz verfolgen und neben Steuerungs- und Regelungsfunktionen auch viele dieser Aufgaben oder gar alle erledigen.

Die SPS wird zum Edge-Controller

Dr. Bernhard Quendt, Siemens: “Die SPS lässt sich relativ einfach zu einem Edge Controller erweitern und behält dabei ihre Fähigkeit zu harter Echtzeit ohne Abstriche.”

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Auf dem Weg zur Industrie 4.0 bleibt die SPS sich einerseits treu und entwickelt sich andererseits zum Edge-Controller. Dr. Bernhard Quendt, CTO der Siemens-Division Digital Factory, löst den scheinbaren Widerspruch auf.

Markt&Technik: Ist ein Edge-Controller überhaupt etwas grundlegend anderes als eine SPS?
Dr. Bernhard Quendt: Die SPS ist schon seit Jahrzehnten eine Art Edge-Controller, als es diesen Begriff noch gar nicht gab. Sie bildet nämlich die Grenze zur physischen Welt. In der Automatisierung war die Welt jenseits der physischen Welt bisher eher klein, aber in den letzten Jahren zeigt sich dort das größte Wachstum der Datenmenge. Dementsprechend hat die SPS ihre Außenschnittstellen angepasst, indem sie sich besser als früher in IT-Welten integrieren kann, in denen Ethernet und darauf aufsetzende Protokolle dominieren.

Wie ändert sich der Aufbau von Automatisierungssystemen auf dem Weg zur Industrie 4.0?
Dr. Bernhard Quendt: Industrie 4.0 treibt den Wandel bezüglich Datenmengen und deren Verarbeitung weiter voran. In der bisherigen Automatisierungspyramide korrespondierte die Breite einer Ebene grob mit der in ihr anfallenden Datenmenge. In dieser Hinsicht wird sich die Pyramide mit der weiteren Digitalisierung quasi auf den Kopf stellen. Die Funktionalität der bisherigen Ebenen wird erhalten bleiben, die bisher fest definierte Zuordnung der Ebenen zu dedizierten Geräten wird aber verschwinden. Die SPS als Edge-Controller und Gerät der Controller-Ebene wird im Rahmen von Industrie 4.0 beispielsweise auch Funktionen der SCADA- oder MES-Ebene ausführen.

Welche Eigenschaften qualifizieren heutige SPSen für Edge Computing?
Dr. Bernhard Quendt: Im Moment werden hier gegensätzliche Konzepte propagiert, die eigentlich gar nicht so gegensätzlich sind, sondern eher fließend ineinander übergehen. Die SPS ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen physikalischen Prozess überwacht und steuert, der je nach Anwendung und Branche hohe Anforderungen an Determinismus und Reaktionszeit hat. Die SPS ist darüber hinaus zunehmend in der Lage, Aufgaben zu übernehmen, die eine zeitunkritische Datenvorverarbeitung möglichst nahe am Prozess erfordern. Durch den Einsatz von Multicore-Prozessoren in der SPS hat diese zum einen genügend freie Rechenleistung und kann zum anderen auch sicherstellen, dass die zusätzliche Datenverarbeitung keine negativen Rückwirkungen auf die Qualität der echtzeitkritischen Prozesssteuerung hat. Die SPS wird damit erweitert zum Edge-Controller.

Können Edge-Controller harte Echtzeit überhaupt erreichen?
Dr. Bernhard Quendt: Das hängt vom Hersteller ab. Heutige Edge-Controller können dies oft nicht leisten, weil sie normalerweise von Unternehmen kommen, die sich bisher mit reiner Datenverarbeitung beschäftigt haben, bei der keine Korrelation mit der physischen Welt gegeben war und harte Echtzeit selten eine Anforderung.
Wie schon gesagt, lässt sich die SPS relativ einfach zu einem Edge-Controller erweitern und behält ihre harte Echtzeitfähigkeit ohne Abstriche. Soll ein bisheriger Edge-Controller hingegen sukzessive echtzeitfähig werden, muss neben der reinen Technik auch das Branchenwissen adaptiert werden, weil die SPS heute den Standard der Fabrik- oder Prozessautomatisierung darstellt.

Mit welchen Programmiersprachen lassen sich zu Edge-Controllern weiterentwickelte SPSen programmieren?
Dr. Bernhard Quendt: Die zukünftigen Edge-Controller auf Basis der SPS werden das Beste aus zwei Welten miteinander verbinden. Der Echtzeitteil wird nach wie vor IEC-61131-Sprachen verwenden, während der integrierte Edge-Controller die dort üblichen Sprachen versteht. Das Wichtigste ist hierbei eine konsistente Datenwelt, damit gleiche Symbole auf beiden Seiten auch auf das gleiche Datum verweisen. Die Datenhoheit liegt hier aber eindeutig bei der SPS, weil die Kontrolle des physischen Prozesses immer noch wichtiger ist als eine parallele oder nachgelagerte Verarbeitung bestimmter Prozesswerte zur Optimierung oder Nachweisbarkeit.

Server an der Maschine

Christoph Müller, Beck IPC: “Ein Edge-Device verhält sich wie ein Server und nicht wie ein PC oder eine Steuerung mit proprietärem OS.”

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Edge-Controller verhalten sich an Maschinen wie Server; sie steuern, kommunizieren in alle Richtungen und sorgen für Datensicherheit. Aber was machen sie mit der SPS? Christoph Müller, Business Development Manager von Beck IPC, skizziert die künftige Aufgabenverteilung.

Markt&Technik: Wie definieren Sie den Begriff Edge-Controller?
Christoph Müller: Es ist schon lustig, dass dieser Begriff so populär und trotzdem nicht richtig definiert ist. Kaum jemand weiß, was er bedeutet. Die meisten Systeme, die ich als Edge-Device kennengelernt habe, sind nichts anderes als eine SPS oder ein intelligentes Gateway, das auch noch mit einer Cloud (Intranet/Internet) kommuniziert. Ein solches Device sollte eigentlich zusätzliche Cyber-Security-Funktionen umfassen, wobei sich das für mich von alleine ergibt. Wer würde schon eine SPS ohne entsprechenden Schutz mit dem Internet verbinden!

Die wichtigste Unterscheidung aus meiner Sicht ist aber, dass ein Edge-Device sich wie ein Server und nicht wie ein PC oder eine Steuerung mit proprietärem OS verhält. Hier sollten Möglichkeiten bestehen, die Technologien, die ich im Internet nutze, auch zu installieren, etwa Datenbanken, Broker und Firewall, aber auch moderne Programmierumgebungen wie Node Red.

Welche Aufgaben werden Edge-Controller in der Industrie 4.0 übernehmen?
Christoph Müller: Sie sind kognitive und kooperative Assistenten der Fertigungszellen, in denen sich die SPS rein um Steuerungsaufgaben kümmern wird. Themen wie Rezepturen, Alarm-Handling und Reporting gehören einfach nicht mehr in eine Steuerung oder ein HMI - das sind IT-Themen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist auch im Intranet das Thema IT-Security. Edge-Nodes sind viel besser geeignet, diese Aufgaben in Zukunft zu lösen.

Industrie 4.0 spielt sich laut Definition der Bundesregierung meist in einem geschlossenen Kommunikationsumfeld ab. Hier werden Edge-Nodes gleichzeitig mit Hunderten von Produktionseinheiten wie etwa Robotern und Handling-Systemen kommunizieren und dafür sorgen, dass sie kooperativ miteinander umgehen und jedem mitteilen, was er wissen muss, und von jedem erfahren, was wichtig ist. Produktionsdaten, aber auch Maschinendaten, die zur Minimierung von Stillstandzeiten oder Rüstzeiten führen, werden auf IT-Ebene im Shopfloor bereits verarbeitet, weil so ein Edge-Node ja ganz andere Apps bereitstellen kann als eine SPS.

Und was passiert, wenn die Kommunikation über das Intranet hinausgeht?
Christoph Müller: Das Ganze ändert sich natürlich sprunghaft, wenn diese Systeme das Intranet verlassen und mit anderen Systemen im Internet kommunizieren. Dann brauche ich einen Controller, der einerseits in Echtzeit mit seinen Sensoren und Aktoren sowie untergeordneten Steuerungen kommunizieren kann, gleichzeitig aber auch in »Echtzeit« und auch bidirektional im Internet kommuniziert, twittert, WhatsApp-Nachrichten versendet und Daten an eine AI bereitstellt. Stand heute macht das aber kaum jemand.

TSN wird auf der Feldebene eine entscheidende Rolle spielen. Ob sich OPC UA auch außerhalb des Intranet durchsetzen wird, muss die Zeit zeigen. Ich sehe das eher skeptisch, weil sich Internet-Technologien nur schwer normieren lassen. Da geht Funktion vor Norm. Die vor uns liegenden Aufgaben werden in Zukunft immer häufiger von disruptiven Technologien angegangen, die wiederum nach wenigen Jahren abgelöst werden. Diese kann man aber unmöglich normieren, weil es sie ja noch nicht gibt. Unternehmen wie Apple oder Uber hätten sich bestimmt nicht von Normen aufhalten lassen.

Könnten Edge-Controller die SPS irgendwann ganz ersetzen?
Christoph Müller: Ja, natürlich werden sie die SPS einmal ganz ersetzen, aber ist das dann ein Edge-Controller oder nur eine SPS mit erweiterter Kommunikation, Cyber Security und Server-Funktionen? So ein »Ding« steuert, kommuniziert lokal und kommuniziert mit der Cloud. Ganz bestimmt wird es aber Aufgaben wie Rezepturverwaltung, Alarming oder Reporting übernehmen, die heutzutage entweder in der SPS oder in einem HMI ablaufen. Auch das Thema HMI wird sich durch die Edge Controller massiv ändern, weil ich dann dort komfortable Visualisierungen auf Web-Basis laufen lassen kann und als Endgerät nur noch ein preisgünstiges, hochperformantes Browser-Panel oder ein mobiles Smart Device brauche.

Inwieweit sind Edge-Controller zu harter Echtzeit fähig?
Christoph Müller: Sobald das Thema TSN Fuß gefasst hat.

Mit welchen Programmiersprachen lassen sich Edge-Controller programmieren?
Christoph Müller: Beispielsweise mit Node Red oder Javascript. Die Frage ist aber viel eher, wer in Zukunft von wo aus Applikationen schreiben wird. Das Thema Crowd Sourcing und AI wird hier vieles verändern.

Welche Rolle werden die aus der SPS-Welt bekannten IEC-61131-Programmiersprachen beim Edge-Computing spielen?
Christoph Müller: Hoffentlich keine mehr. Diese Programmiersprachen sind mehr als 20 Jahre alt. Ich glaube nicht, dass junge Menschen, die sich dem Thema Moderne Fertigung widmen, wirklich noch mit Strukturiertem Text programmieren wollen.