Der Trend in der Automation ist eindeutig: mehr Achsen, mehr Sensoren, mehr Connectivity – und letztendlich auch mehr Daten. Anders ausgedrückt: 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 künstliche Intelligenz. 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 Netzwerk-Kapazitäten und Kostenaspekte setzen dem Cloud-Einsatz in kritischen Bereichen der Automation Grenzen.

Die Leistungsfähigkeit von Steuerungen steigt zwar mit jeder neuen CPU-Generation, der teils begrenzte Datenspeicher lässt sich mit Hilfe von Erweiterungskarten deutlich ausbauen und auch die Lese- und Schreibgeschwindigkeit dieser Speicherkarten hat sich verbessert. Solange allerdings die Steuerungs-Prozessoren auf die ARM- und Atom-Klasse beschränkt bleiben, bieten auch modernere SPSen trotz alledem nur begrenztes Potenzial zur Leistungssteigerung.

Mehr Leistungsvermögen verspricht dagegen der Einsatz von PC-Technik, die zudem den Einsatz von Windows-basierten Applikationen ermöglicht. An diese können bestimmte Aufgaben zur schnelleren Verarbeitung ausgelagert werden, nur die Ergebnisse fließen wieder in die SPS-Steuerung ein. Diese Technik erfordert jedoch mehr Aufwand im Engineering, zudem belegt sie mehr Raum im Schaltschrank und erfordert zusätzliche Verkabelungen.

Vor diesem Hintergrund hat man sich bei Lenze Gedanken über eine zukunftsfähige Steuerungsarchitektur gemacht und schließlich mit dem Cabinet Controller c550 den Grundstein für eine neue Controller-Generation gelegt, um auch enorm leistungshungrige Automationsaufgaben lösen zu können. Die Basis hierfür ist der verwendete Intel-Prozessor Core i7-7600U mit zwei Kernen und 2,8-GHz-Taktung (siehe Kasten). Diese CPU definiert die Performance-Grenze für Steuerungen nach oben neu.

Der Controller tritt damit in Konkurrenz zu Lösungen, für die aufgrund der reinen Leistungsanforderungen bisher nur Industrie-PCs in Frage kamen. Stattdessen kann der Maschinenbauer nun auf den kleineren Formfaktor der SPS zurückgreifen und ebenso die Standard-Software-Bausteine der FAST-Toolbox von Lenze einsetzen, inklusive der dafür erstellten Module sowie selbst entwickelten Bausteinen. Ebenso sind bereits existierende Programme beziehungsweise Programm-Module nach IEC 61131-3 und Projekte auf Basis der Codesys-Programmierumgebung weiter verwendbar.

Eins ist besser als zwei

Durch die Verwendung der aktuellsten Prozessor-Technologie und eines ­intelligenten Gehäuse-Designs reizt die neue ­Controller-Generation die Grenzen des technisch Machbaren für diesen Formfaktor aus.

© Lenez

Das Modell c750, das auf der gleichen Hardware basiert, lässt die Trennung zwischen SPS und Industrie-PC weiter verschwimmen. Denn dieser Controller deckt Anwendungsfälle ab, in denen Windows-Anwendungen zwingend benötigt werden. Die hier zum Einsatz kommende OpenSystem-Architektur teilt die Rechenleistung auf zwei unabhängige Betriebssysteme auf: Das Real-Time-Linux ist für Steuerungsaufgaben zuständig, das offene Windows 10 IoT Enterprise steht für anwenderspezifische Software-Anwendungen zur Verfügung.

Jedes dieser Systeme läuft auf einem physikalischen Prozessorkern, der sich in zwei virtuelle Kerne aufspaltet und damit zwei Aufgaben parallel bearbeiten kann. Möglich macht dies die in der CPU integrierte Virtualisierung auf Prozessorebene, die eine direkte Zuordnung der vorhandenen Ressourcen (Prozessorkerne/Arbeitsspeicher/Schnittstellen) erlaubt. 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. Ethercat-Master, ein zweites Gigabit-LAN, und der USB-2.0-Port sind mit dem SPS-Teil verknüpft.

Zu den häufigsten Windows-Applikationen zählen Datenbank-Applikationen wie etwa Rezeptmanagement und Daten-Auswertungen, zum Teil mit Hilfe von Machine Learning, beispielsweise für Predictive Maintenance. Auf Windows angewiesen sind zumeist auch Bilderkennung für Barcode-Leser und 2D/3D-Scanner oder Vi-sion-Applikationen, ebenso Teaching-Anwendungen zum einfachen Anlernen von Robotern.

In zunehmendem Maße wird 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 in die Cloud zu übertragende Datenvolumen deutlich zu reduzieren. Dies verringert zum einen den Netzwerk-Verkehr 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.

Im Mittelpunkt dieser Kombination von SPS und PC in einem Gerät steht die kompromisslose Stabilität der Maschinensteuerung. Die beiden Betriebssysteme sind voneinander völlig unabhängig: Sollte das Windows 10 IoT Enterprise auf dem PC-Teil abstürzen, läuft der Steuerungs-Teil völlig unbehelligt weiter – allerdings ohne die Berechnungen, die an den PC-Teil ausgelagert wurden. Der Cabinet Controller c750 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 Windows-Teil jeweils ein eigenes Netzwerk. Diese können zwar intern miteinander kommunizieren, lassen sich aber auch mit den üblichen Sicherheitsmaßnahmen gegeneinander abschotten, sodass Malware oder Angriffe auf dem Windows-PC nicht automatisch die SPS gefährden.

Zudem ergeben sich interessante wirtschaftliche Vorteile. Denn bestimmte Baugruppen müssen nicht doppelt ausgeführt werden. Die Verkabelung gestaltet sich einfacher, und auch bei der Programmierung und der 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 Dimensionierung des Schaltschrankes. 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. 

Nicht zuletzt wird für den Anlagenbetreiber durch die Integration von SPS und PC vieles einfacher: Gemeinsame Geräteüberwachung, einfachere Status-Übergabe und ein integratives Power-Down-Handling sind hier unter anderem zu nennen.

IT meets OT

Mit X4 Remote hat Lenze ein eigenes Serviceportal entwickelt. Das IoTGateway x500 unterstützt Ethernet oder Wi-Fi-Internet-Verbindungen.

© Lenze

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 erwähnt, 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 auch 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 Lenze-Controller als auch SPSen anderer Hersteller. 

Die gesammelten Maschinendaten werden bei dieser Lösung protokolliert und in Datenclustern gespeichert. Auswertungen sind in selbst konfigurierten Dash-Boards visualisierbar und optional 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. Moderne Schnittstellen öffnen den Weg zu weiteren Angeboten, wie etwa Business-Intelligence-Applikationen. Mit Hilfe fortschrittlicher Verschlüsselungstechnik sowie einem ausgefeilten Benutzer- und Gerätemanagement, das eine eindeutige Authentifizierung und Autorisierung beinhaltet, wird die Sicherheit der Daten in der Cloud gewährleistet.

Kraftvolles Herz für ­Steuerungstechnik

Lenze verbaut in den Cabinet Controllern c550 und c750 die derzeit stärkste Intel-CPU für den industriellen Einsatz in hochkompakte Bauformen. Der Prozessor mit der Bezeichnung Intel Core i7-7600U 2,8 GHz (7. Generation, Kaby-Lake-Architektur) hat im Vergleich zu üblicherweise verwendeten ARM- und Atom-CPUs gleich mehrere Vorteile, unter anderem:

• Höherer Prozessor- und Speichertakt
• Zwei physische beziehungsweise vier logische Prozessorkerne, die unabhängig voneinander Aufgaben übernehmen können.
• Modernere Schnittstellen, dadurch beschleunigte Connectivity und größere Speicherräume adressierbar.
• Unterstützung von zahlreichen Grafikformaten auf Prozessorebene, dadurch einfachere und um Größenordnung schnellere Verarbeitung von Bild- und Videoformaten.
• Integrierte Virtualisierung, ohne die ein Betrieb zweier paralleler Betriebssysteme nicht möglich wäre, und unterstützende Security-Technologien inklusive Befehlen zur schnellen Datenverschlüsselung.

In Summe ist die Intel-i7-CPU also deutlich leistungsfähiger. Mit Hilfe neuer Prozessorbefehle, die Aufgaben ‚in Silizium‘ – also in spezialisierten Bereichen der CPU – schneller und mit geringerem Energieaufwand erledigen als wenn diese einfach in Software abgearbeitet würden, ist sie trotzdem effektiver. Gegenüber einem in seiner Klasse starken Intel-Atom-Prozessor mit vier Kernen belegt sie allerdings auch 35 % mehr Fläche.

Autor:
Martin Kluge ist Leiter Produktmanagement Automation Systems bei Lenze.