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Die SPS in der Cloud

24. März 2022, 14:45 Uhr | Meinrad Happacher
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Lässt sich eine SPS an beliebiger Stelle im Netzwerk auf Fog- oder Cloud-Rechner verteilen und als Smart Service über ein Pay-per-Use-Abrechnungsmodell nutzen? Die Umsetzung der Technologie in ein entsprechendes Produkt ist in Arbeit.

Die Digitalisierung der Produktion wirkt sich auch sehr stark auf die Automatisierungstechnik aus. Insbesondere die Nutzung von Cloud Computing und die Anwendung des Service-Paradigmas wird die zugrundeliegende Technologie stark verändern. Klassische Automatisierungssysteme, die nach den bekannten Hierarchie-Ebenen der Produktionsautomatisierung nach ANSI/ISA-95 aufgebaut sind werden den neuen Anforderungen nicht gerecht. Betrachtet man die Anforderungen von ubiquitärer Vernetzung, Cloud Computing und Service-Paradigma, so kristallisiert sich heraus, dass insbesondere das CPS-basierte Automatisierungsmodell wie in Bild 1 dargestellt eine weitgehende Übereinstimmung mit den Anforderungen erfüllt. 

Bild 1. Das Modell der Cyber-Physical-System-basierten Automatisierung.
Bild 1. Das Modell der Cyber-Physical-System-basierten Automatisierung.
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Es erscheint deshalb sinnvoll, diese Architektur als Grundlage für zukünftige Entwicklungen zu nehmen. Das Modell entstand 2012/13 in einem Arbeitskreis der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik und setzt konsequent auf die Verteilung aller Funktionen auf allen Ebenen der Automatisierungspyramide als Dienste in einer domänen-orientierten Netzwerkstruktur (Cloud). Als reale Automatisierungsgeräte verbleiben lediglich die Sensoren und Aktoren als CPS-Komponenten im technischen Prozess. Die bisherigen Konzepte und Lösungen zur Umsetzung des Modells nach Bild 1 in der Echtzeit-Leitebene (Level 2) wurden bisher nur für prototypische Einzelsteuerungen nachgewiesen. Konzepte zur Umsetzung dieser Lösungen für eine hochskalierbare, zuverlässige und sichere Cloud-basierte Automatisierungsumgebung liegen noch nicht vor.

Das Konzept der Logiccloud

Bild 2. Das Modell für die Implementierung eines auf Webtechnologie basierenden Funktionssystems.
Bild 2. Das Modell für die Implementierung eines auf Webtechnologie basierenden Funktionssystems.
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Dieser Beitrag befasst sich daher mit einem Konzept für eine skalierbare und sichere SPS aus der Cloud mit dynamischen Ressourcenpools, die wesentliche Steuerungsfunktionalitäten nach IEC 61131-3 unter unkritischen Echtzeitbedingungen, über 50 ms, realisieren kann. 
Das Konzept einer SPS aus der Cloud geht unter dem Aspekt von Industrie 4.0 und Industrial Internet grundsätzlich davon aus, dass Webtechnologien die technische Basis bilden. Im Web, als globalem Rechnernetz, stehen prinzipiell zwei Arten von Netzwerkrechnern zur Verfügung: Server-Rechner, die IT-Einheiten (Objekte, Dienste, Programme, Daten) bereitstellen und auch ausführen können, und Client-Rechner, die IT-Entitäten lediglich ausführen. 

Das Arbeitsprinzip in diesem Server/Client-Rechnernetz ist das Client-Server-Prinzip. Ein Client muss also erst eine Anfrage stellen, damit eine IT-Einheit im Server ausgeführt werden kann. Das bedeutet, dass anwendungstechnische IT-Einheiten im Server nicht (automatisch) von selbst aktiv werden können. Als Client fungiert in der Regel ein Webbrowser auf dem Client-Rechner. Dies kann aber auch eine andere Client-Komponente sein.
Betrachtet man ein beliebiges anwendungsspezifisches Funktionssystem – etwa ein Leitsystem – das mit Web-Technologie realisiert wird, so ergeben sich die in Bild 2 dargestellten Modelle für die Ausführung (RUN) dieses Systems:

a) Das funktionale System ist nur auf dem Server gespeichert und wird auch nur dort ausgeführt. Die Ausführung des Systems auf dem Server startet der 
Client (Servermodus).
b) Das funktionale System ist auf dem Server gespeichert und wird über eine Anfrage in den Client geladen. Das System wird nur im Client-Modus ausgeführt (Client-Mode).
c) Das funktionale System ist auf dem Server gespeichert und Komponenten des funktionalen Systems werden ebenfalls auf dem Server ausgeführt. Weitere Komponenten werden über einen Request in den Client geladen und dort ausgeführt. Die Ausführung der Systemkomponenten im Server wird durch den Client gestartet (Mischbetrieb).

In allen drei Fällen kann das funktionale System auf mehrere Server (Cloud) oder mehrere Clients verteilt sein. Unter dem Aspekt der automatischen und einfachen Skalierbarkeit mit dynamischen Ressourcen spielt insbesondere der Servermodus nach Bild 2a eine besondere Rolle, da hierfür bereits verschiedene Werkzeuge im Webbereich – etwa Containertechnologien  –existieren. 
Das Konzept der Logiccloud baut auf dieser Grundstruktur auf. Daraus ergibt sich die in Bild 3 dargestellte grundlegende Komponentenstruktur einer SPS aus der Cloud.
Im Server (Cloud) befinden sich n Software-Instanzen einer SPS-Steuerung, auf denen unterschiedliche IEC 61131-3-Steuerungsprogramme ausgeführt werden können. Jede Steuerungsinstanz ist mit einem realen Automatisierungsgerät – Sensoren, Aktoren – über geeignete Netzwerkprotokolle (MQTT, OPC UA) verbunden. Die Automatisierungsgeräte sind als CPS-Komponenten nach dem Modell gemäß Bild 1 aufgebaut und enthalten einen entsprechenden IP-Connector oder ein Gateway zur Kommunikation mit der Steuerungsinstanz. Verwaltung und Bedienung der Steuerungsinstanzen erfolgen über den Webbrowser (Client).


  1. Die SPS in der Cloud
  2. Echtzeitbedingungen beachten
  3. Umsetzung und Bewertung

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