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Die SPS im Rechenzentrum

21. September 2020, 09:25 Uhr   |  Meinrad Happacher

Die SPS im Rechenzentrum
© Shutterstock / PopTika

Welche Vorteile bringt es mit sich, statt einer Vielzahl einzelner Steuerungen mit eigener Elektronik eine integrierte, zentralisierte Steuerungsarchitektur auf einem Edge-Server zu nutzen? Heute nur vereinzelt eingesetzt, könnte eine solche Architektur an Bedeutung gewinnen.

Ein Blick auf die Automobilindustrie verdeutlicht, was in nicht allzu ferner Zeit auch in den Fabrikhallen einziehen könnte: Seit den späten 1970er-Jahren wurden Motorsteuergeräte in Autos eingebaut und bald darauf unterschiedliche elektronische Steuergeräte für weitere Funktionen. Innovationen in allen Bereichen von der Fahrzeugsteuerung und Sicherheit über Komfort bis hin zu Fahrerassistenz und automatisierten Fahrzeugfunktionen sorgen seither dafür, dass Computer stets mehr Aufgaben in Autos übernehmen. Für jede neue Funktion kam zuerst auch ein neuer Steuercomputer mit eigenen I/O-Elementen zum Einsatz. Die Hersteller der Steuergeräte erklärten, dies wäre die Voraussetzung für die Gewährleistung hoher Qualität und Betriebssicherheit.
In Folge stieg dadurch aber je nach Ausstattung des Fahrzeugs die Zahl von Steuergeräten und I/O-Elementen samt der dafür notwendigen Verkabelung an – und damit auch der Stromverbrauch, das Gesamtgewicht und der Platzbedarf für die Elektronik. 

In den 1990er-Jahren setzte sich im Rahmen einer ‚Architektur-Revolution‘ das Konzept von Domänensteuergeräten durch. Anstatt eines eigenen Steuergerätes für jede Funktion übernahm ein größerer und leistungsfähigerer Rechner eine Vielzahl von Aufgaben der gleichen Art – beispielsweise Motor- und Getriebesteuerung oder Komfortfunktionen. Durch diese Integration und Zentralisierung wurden Kosten gespart, weil weniger einzelne Steuergeräte verbaut werden mussten. Außerdem war die neue Architektur für die Wartung und die Zuverlässigkeit vorteilhaft, weil weniger einzelne elektronische Bauteile, Kabel und Stecker im System existierten. 

In der Industrieautomatisierung gibt es auch dedizierte Steuergeräte – SPSen – und zugehörige I/O-Elemente mit hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Die Gesamtarchitektur umfasst oft eine Vielzahl einzelner Steuerungen, die miteinander in Verbindung stehen. Im Gegensatz zur Automobilindustrie sind die funktionalen Verbindungen zwischen den Steuerungen oft deutlich geringer und es ist genügend Raum für den Einbau und die Stromversorgung einer Vielzahl von SPSen verfügbar. Nun stellt sich die Frage, ob die Integration und Zentralisierung von Steuerungen in der Industrieautomatisierung ähnliche Vorteile bieten kann wie in der Automobilelektronik. Sicherlich liegt der Vergleich deutlich näher als mit einem Rechenzentrum, wo ja Virtualisierung und damit gemeinsamer Betrieb von Webservern, Datenbanken und anderen Applikationen unterschiedlicher Art auf leistungsfähigen Servern schon lange Stand der Technik sind. 

Die integrierte, zentralisierte Architektur

Folgende Situation ist durchaus vorstellbar: Die SPSen werden aus der Automatisierung entfernt und ihre Steuerungsfunktionen in Form von Soft-SPSen in einem ‚Edge Rechenzentrum‘ mit passender Ausstattung an Rechenkapazitäten und Netzwerk-Anbindung zum Automatisierungssystem auf ‚Industrial Edge Servern‘ gehostet. 
Server bieten heute bereits ausreichend Leistung, um Dutzende Soft-SPSen gleichzeitig zu verarbeiten, allerdings können gewöhnliche IT-Server mit Technologien wie Virtualisierung und geteilten Ressourcen für Netzwerk und Speicher die Anforderungen der Industrie nach Zuverlässigkeit und Echtzeit-Verhalten nicht ausreichend adressieren. Dafür sind ‚Industrial Edge Server‘ vonnöten. 

Netzwerktechnisch muss das Rechenzentrum eng an die Automatisierung angebunden sein, um die notwendigen kurzen Kommunikationszyklen und Latenzanforderungen zu erfüllen. Daher ist das Edge Rechenzentrum nicht irgendeine Cloud, sondern potenziell ein Serverrack vor Ort. Die Feldebene der Automatisierung bleibt weitgehend unverändert – allerdings müssen analoge und diskrete I/Os durch Ethernet-basierte ersetzt oder durch passende Gateways ergänzt werden, um für die über ein Netzwerk erreichbaren Steuerung nutzbar zu sein.

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1. Die SPS im Rechenzentrum
2. Vor- und Nachteile der integrierten Architektur
3. Umsetzung der zentralisierten Architektur

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