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Die SPS im Rechenzentrum


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Vor- und Nachteile der integrierten Architektur

Die integrierte, zentralisierte Architektur mit Edge-Datacenter.
Die integrierte, zentralisierte Architektur mit Edge-Datacenter.
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Funktional ändert sich an der Steuerung nichts. Die Investitionsausgaben (CAPEX) für integrierte und zentralisierte Lösungen unterscheiden sich je nach Anwendungsfall. Beispielsweise ist relevant, ob schon eine Edge-Infrastruktur vorhanden ist oder nicht. Der Vergleich mehrerer Hardware-SPSen mit einer kleinen Zahl von Edge-Servern zeigt, dass erst bei einer großen Zahl von Hardware-SPSen ein deutlicher CAPEX-Vorteil für Edge-Server auszumachen ist. Auch im laufenden Betrieb unterscheiden sich beide Lösungen nur geringfügig.
Einen deutlichen Unterschied zwischen den Lösungen lässt sich hingegen in der Flexibilität und Erweiterbarkeit ausmachen: Durch die Möglichkeit, im Edge-Rechenzentrum auf die Daten aus der Feldebene zuzugreifen, lassen sich hier nicht nur Steuerungen, sondern auch Analysen von Prozessdaten in Echtzeit durchführen, was für Diagnose, Wartung, Optimierung und intelligente Reaktionen auf Veränderungen im Automatisierungssystem essenziell sein kann. Diese Analysen laufen nicht ‚auf‘, sondern ‚parallel zu‘ den Steuerungen auf den gleichen Edge Servern. Da die Steuerungsfunktionen auf der gleichen Edge-Infrastruktur zu hosten sind, lassen sich Feedback-Schleifen von der Analyse in die Steuerung ebenfalls hier realisieren und damit neue Optimierungsmöglichkeiten auch im Hinblick auf Industrie-4.0-Tauglichkeit erschließen.

Die Implementierung zentralisierter ­Architekturen

Warum ist die erläuterte Architektur derzeit (noch) nicht in relevantem Umfang im Einsatz? Drei Klassen von Argumenten lassen sich hierfür bei Befragungen ausmachen:

1. Die aktuelle Architektur ist bewährt: Gründe, die für die integrierte Architektur sprechen, wie Kostenvorteile, Flexibilität, Optimierung, sind generell wünschenswert, aber das derzeitige Modell wird diesbezüglich nicht als mangelhaft oder unzureichend bewertet.

2. Technologische Risiken: Zuverlässigkeit und Determinismus von integrierten Serverplattformen gelten als nicht vertrauenswürdig genug, um betriebskritische Steuerfunktionen dorthin auszulagern. Die Reaktionszeit von Steuerungen in einem Edge-Rechenzentrum gilt netzwerkbedingt als unzuverlässig.

3. Organisatorische Hürden: Zur Umsetzung einer integrierten Plattform dieser Art sind neue Kompetenzen bei den Steuerungs-Spezialisten notwendig. Die Kompetenzverteilung im Unternehmen ist oftmals mit einer integrierten Architektur nicht kompatibel.

Wie relevant die Vorteile von Zentralisierung der Steuerung an der ‚Industrial Edge‘ sind, lässt sich eher für den konkreten Einsatzfall beurteilen. Im Bereich Echtzeit-Datenerfassung und Edge Analytics lassen sich relevante Vorteile besonders bei jenen Anwendungen finden, die im Zug einer Industrie-4.0-Strategie stärker auf flexible Produktionsabläufe und reaktive Prozessveränderungen setzen. Somit lohnt sich eine Edge-Infrastruktur durch ihre Flexibilität vor allem für Anwendungen, die hohe Anforderungen an dynamische Veränderungen der Automatisierung stellen.

Die technologischen Risiken sind durchaus herausfordernd, aber einige Entwicklungen der jüngeren Zeit zeigen, was hier bereits möglich ist:

• Hypervisor-Lösungen bieten für aktuelle Multicore-CPUs bereits Mechanismen zur garantierten robusten Partitionierung von Ressourcen wie CPU-Cores und Cache, sodass anstelle von Virtualisierung und den damit verbundenen Laufzeit-Schwankungen Echtzeit-Performance wie auf ‚bare metal‘ erreichbar ist. Je mehr Cores, desto mehr Echtzeit-Anwendungen lassen sich gleichzeitig und unabhängig voneinander ausführen. 

• Hardware-unterstützte Netzwerk-Virtualisierung der lokalen Ethernet-Schnittstelle(n) ermöglicht, dass mehrere Anwendungen die Netzwerk-Ressourcen auf dem gleichen Server unabhängig voneinander nutzen können und die jeweils benötigte Bandbreite im Netzwerk in Echtzeit verfügbar ist. Time Sensitive Networking (TSN) wiederum bietet im Netzwerk die Mechanismen, um die Echtzeit-Daten unterschiedlicher Applikationen unabhängig und störungsfrei mit garantierter Latenz durch ein Ethernet-Netzwerk zu transportieren.

• Für verschiedene Feldbus-Protokolle wie Ethercat und Profinet sind bereits Spezifikationen vorhanden, die ein ‚Tunneln‘ über TSN definieren. Damit können die I/Os der Feldebene durch ein konvergentes Netzwerk mit den Soft-SPSen im Edge-Rechenzentrum kommunizieren, als wären sie direkt über den Feldbus verbunden.

• Es gibt einen starken Trend zu herstellerunabhängigen Schnittstellen für Applikation und Management. Die laufenden Spezifikationsarbeiten in der Motion Working Group der OPC Foundation zielen darauf ab, in der Echtzeit-Steuerung herstellerunabhängige Interoperabilität zwischen Steuerungen und Motion-Control-Geräten (Drives, I/Os) auf Basis von OPC UA PubSub sicherzustellen. Ähnliche Standards für herstellerunabhängige Interoperabilität auf Basis von OPC UA und TSN haben auch andere Industriekonsortien zum Beispiel in der Euromap und der OPAF bereits verabschiedet. Auch herstellerunabhängige Management-Schnittstellen wie DMTF Redfish spielen hier eine wichtige Rolle.


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

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