Open Source ist in der IT weit verbreitet und ermöglicht es, schnell und agil auf sich ändernde Marktanforderungen zu reagieren.
Klassische Automatisierungs- und Steuerungstechnik bietet diese Offenheit nur sehr eingeschränkt, da sie in der Regel auf proprietärer Technologie basiert. Angesichts immer kürzerer Produktionszyklen, Integration in und Vernetzung zwischen Unternehmen sowie Update-Fähigkeit stoßen diese Insellösungen an ihre Grenzen.

Klassische versus offene Systeme

Klassische Steuerungstechnik erfordert Experten für proprietäre Systeme. Moderne, auf Open Source basierende Automatisierungs- und Steuerungstechnik ist für mehr Entwickler zugänglich und ermöglicht die Wiederverwendbarkeit; bestehende Software lässt sich sowohl im Antrieb, in Embedded Steuerungen als auch in IPCs anwenden. Die Folge sind niedrigere F&E-Kosten und eine schnellere Reaktionsfähigkeit.

Durch die Integration von Informationstechnologie (IT) erreicht die Steuerungs- und Automatisierungstechnik eine höhere Flexibilität. 
Im Zuge des Industrial Internet of Things wachsen OT (Operational Technology) und IT immer mehr zusammen. Die Daten werden von der Feldebene bis in die Cloud verschiedensten Systemen zur Verfügung gestellt und analysiert. Die IT findet Einzug in der Automatisierung und Gerätesteuerung: Durch sie können Signale und Eingaben aus verschiedenen Quellen aggregiert und in Automatisierungsalgorithmen eingespeist werden. Die Fernsteuerung der Fertigung über IT-Technologie hilft, schneller auf Störungen und Stillstände zu reagieren und verkürzt so Ausfallzeiten. 

Bei der klassischen Steuerungstechnik ist die Steuerlogik eng an das zugrunde 
liegende Gerät gebunden. Apps hingegen entkoppeln Funktionalität und Hardware, lösen die Steuerlogik also von den Geräten. Der Vorteil besteht darin, dass die Steuerlogik so problemlos auf andere Geräte übertragen werden kann. Außerdem lassen sich Steuerungsanwendungen leichter wiederverwenden und verbessern sowie durch das breitere Anwendungsspektrum rascher optimieren. Mit den Applikationen wird die Betriebstechnik stärker softwaredefiniert, die Hardware hingegen zur Ware.

Neue Datenverarbeitungsfunktionen

Edge- und Cloud-Computing bringen neue Datenverarbeitungs- und Speicherfunktionen in die Steuerungstechnik. So gibt es zum Beispiel Steuerungsanwendungen, die sich Deep Learning zunutze machen. Solche Anwendungen verarbeiten große Mengen von Sensordaten in Echtzeit für die vorausschauende Wartung oder Qualitätssicherung. Ein Anwendungsfall des Edge-Computing ist Computer-Vision. Intelligente Computer-Vision-Geräte werden am Edge eingesetzt, um Anomalien an Produktionslinien zu erkennen.

Diese Geräte speisen Metadaten in Echtzeit in industrielle Regelkreise ein, die automatisierte Entscheidungen treffen, sollte ein Fehler erkannt werden.
Der Hauptvorteil von Steuerungstechnologien, die die Cloud nutzen, ist die Datenanalyse. Die an der Maschine erzeugten Daten können in der Cloud verarbeitet und in ERP- und MES-Anwendungen eingespeist werden. Dies schafft mehr Business Intelligence und steigert die betriebliche Effizienz.

Offene Steuerungstechnik programmieren

Eine lose gekoppelte Betriebssystem-Architektur auf der Basis von Snap-Containern.

© Canonical

Kern der offenen Automatisierungs- und Steuerungslösung ist die Linux-Distribution Ubuntu Core, die Cloud-native-Technologien in die Maschinensteuerung bringt. Cloud Native bezeichnet einen Ansatz, der darauf abzielt, Software agiler und schneller zu entwickeln und sie robuster zu bauen. Die Anwendung wird in kleine, voneinander weitestgehend isolierte Bestandteile zerlegt und so konzipiert, dass all diese Komponenten unabhängig voneinander entwickelt werden können. Die Software läuft in der Regel nicht mehr On-Premise, sondern ist auf den Betrieb direkt aus einer Cloud-Plattform heraus ausgelegt. Unternehmen können insgesamt flexibler arbeiten und ihren Anwendern schneller Updates, Korrekturen und neue Funktionen zur Verfügung stellen.

Bei Ubuntu Core bilden sogenannte Snap-Container diese Bestandteile. Die Containerisierung teilt Steuerungssoftware in einzelne Module auf, macht sie kostengünstiger in der Entwicklung, einfach wiederverwendbar und langfristig leicht zu warten. 

Außerdem enthält das System eine Vielzahl von Sicherheitsmechanismen, um unternehmenskritische Kontrollgeräte der Steuerungstechnik zu unterstützen. So arbeitet es mit strikter Anwendungseinschränkung: Anwendungen arbeiten dabei als in sich geschlossene Systeme in ihren Snaps. Die in Snaps enthaltene Software ist unveränderbar, was das Risiko von Sicherheitsgefährdungen verringert. Maschinenhersteller, die diese Anwendungen einsetzen, erhalten automatisch Updates für Sicherheitsfixes und Patches für die gesamte Lebensdauer des Geräts, ohne dass Ingenieure eingreifen müssen.

System-Daemon sorgt für Sicherheit

Galem Kayo ist als Produktmanager bei Canonical verantwortlich für die Produktstrategie bei Snaps, Ubuntu Core und Anbox Cloud.

© Canonical

Der Kern von Ubuntu Core ist ein System-Daemon namens Snapd. Snapd ist das 
zentrale Nervensystem in der Steuerung, welches den Austausch von Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Daten für alle Apps gewährleistet. Snap-Container sind die kleinsten Einheiten von Systemen. Jede einzelne Komponente des Betriebssystems ist in einem separaten Snap-Container verpackt (Kernel, Bootloader, Root-Dateisystem und Anwendungen), der wiederum eng abgegrenzte Aufgaben hat. Snapd verwaltet die Zugriffsberechtigungen auf das System, um unautorisierte Aktionen zu verhindern, und kümmert sich um die Kommunikation zwischen Containern. 

Das Betriebssystem stellt eine REST-API zur Verfügung, über die Systeme mit der Cloud kommunizieren können, zum Beispiel für Software-Updates oder für die Geräteverwaltung. Snapd holt Software-Updates automatisch ab, um kleinste und geplante Systemaktualisierungen durchzuführen. Mit Ubuntu Core und Snaps können Software-Updates auf die letzte bekannte Arbeitsversion zurückgesetzt werden, um die Betriebszeit und Zuverlässigkeit in der Fabrik zu erhöhen.

In Snaps gepackte Anwendungen sind mit all ihren Abhängigkeiten vollständig eingeschränkt, da alles, was sie benötigen, in einem Container ist. Dadurch ist es einfach, jede Anwendung auf einem Ubuntu-Core-System auszuführen – unabhängig  von der Programmiersprache. Entwicklern stehen Programmiersprachen ihrer Wahl, einschließlich C, C++, Python, Javascript oder Go, zur Verfügung. Traditionell waren sie in einer industriellen Umgebung auf spezielle Programmiersprachen wie IEC 61131 oder G-Code beschränkt. 

Software-definierte Zukunft

Die Zukunft der industriellen Steuerung ist Software-definiert. Hardware wird generischer werden und Software eine bedeutendere Rolle spielen. Aufgrund der Latenzanforderungen und des verteilten Charakters industrieller Abläufe wird Edge-Computing praktischer sein als Cloud-Computing. Industrieunternehmen werden durch das IoT an Produktivität gewinnen, was die Unsicherheit mittels mehr Transparenz in Echtzeit und umfangreichere Einblicke in den Betrieb verringern wird. 

Die künstliche Intelligenz wird zunehmend eine entscheidende Rolle spielen. Stichwörter sind hier ‚Predictive Maintenance‘ und ‚Predictive Quality‘, also vorausschauende Wartung und Qualitätssicherung. Erreicht werden sollen die in der Industrie viel diskutierten und teilweise schon realisierten Ziele über diese Verknüpfung von IT mit Automatisierungs- und Steuertechnik: Sensoren liefern Daten über den Zustand der Maschinen und Geräte, die in der Cloud oder am Rand verarbeitet werden. Daraus können Software-Entwickler und Ingenieure wiederum KI-basierte Modelle entwickeln, die helfen, Produktionslinien nachhaltig effizienter zu gestalten. 

Das für eingebettete Geräte entwickelte Ubuntu Core und Snaps, die universellen Linux-Anwendungscontainer, bilden eine Open-Source-Plattform, die die klassischen Grenzen zwischen Maschinensteuerung, IT und dem Internet der Dinge aufhebt. Dank der offenen Architektur sind Maschinenhersteller nicht mehr an SPS-Spezialisten und proprietäre Systeme gebunden, da die Software von der Hardware entkoppelt ist. Entwickler wiederum können einen modernen CI/CD- und DevSecOps-Ansatz verwenden, um Anwendungen auf Edge-Geräten in einer traditionellen Steuerungstechnik-Umgebung bereitzustellen. 

Ubuntu Core vereint die Welten der Automatisierung und des Internet der Dinge (IoT) offen, modular und sicher für eine zukunftssichere und innovative Automatisierung im Maschinen- und Anlagenbau. Das schafft die Grundvoraussetzung für erfolgreiche Industrie-4.0- oder Fabrik-der- Zukunft-Projekte.