Ein immer noch aktuelles Szenario: Ein IT-Mitarbeiter eines großen, produzierenden Unternehmens läuft durch die Produktionshalle, da er an einem Arbeitsplatz einen PC repariert hat. Ein Maschinenbediener hält ihn auf mit einer Anfrage: „Wir haben da eine neue Maschine und der Hersteller sagt, die Maschine braucht eine Internetverbindung. Wir haben die Maschine jetzt auch ans Netz genommen, aber es funktioniert nicht.“ Aber warum funktioniert es nicht? 

Die Ausgangssituation: die SPS als Blackbox

Das erste große Problem ist der Computer in der Maschine, die SPS. In aller Regel ist dies ein geschlossenes System mit einem unbekannten Betriebssystem darauf, auf das sich der Mitarbeiter nicht einloggen konnte. Der Maschinenhersteller sagt nur: „Das kaufen wir so ein und der SPS-Lieferant garantiert, dass das sicher ist.“ Aber die IT-Abteilung muss es genauer wissen: Welches Betriebssystem verwendet die Steuerung? Und: in welcher Version? Wie hält man die SPS-Version aktuell und wie passt die Steuerung in die IT-Landschaft? – Und das sind nur die grundsätzlichen Fragen. Was, wenn der Anwender mit der Maschine mehr Funktionen abdecken möchte, als der SPS-Hersteller für seine Steuerung vorgesehen hat: etwa ein ERP-System einbinden, eine interne Datenbank oder einen Cloud Service anschließen? Heutzutage gibt es hunderte von Apps für unterschiedlichste Aufgaben rund um die Automatisierung einer Maschine. 

Die Wunschvorstellung

Idealerweise sucht sich der Maschinenhersteller die für die Maschine am besten passenden Apps und installiert diese auf einer für die Maschine am besten passenden SPS. Genauso stellt sich das ein Automatisierungs-Laie vor, schließlich sind wir dieses Konzept von anderen Geräten wie den Smartphones gewohnt.

Leider sieht das in der Realität anders aus: Denn in aller Regel gibt es keinen Weg, die Funktionalität der SPS zu erweitern. Oft ist auf der Steuerung nur die App zum Steuern vorinstalliert. Weitere Apps lassen sich entweder gar nicht oder nur mit sehr viel Aufwand durch den Maschinenhersteller nachinstallieren. Diese Installationen erfordern tiefere Kenntnisse in Linux und IT-Technologien wie zum Beispiel Docker. Typische Software-Teams bei Maschinenherstellern umfassen drei bis fünf Personen und verfügen heute nicht über diese Fähigkeiten. Kostspielige Dienstleistungen für Anpassungen sind deshalb oft die Regel.

Wie kommen die Apps auf die SPS?

Eine andere Idee, die dem Maschinenhersteller in dem Zusammenhang dann oft kommt, ist die, dass der SPS-Hersteller die Apps für seine Maschine doch vorinstallieren möge. Hier ist die Antwort SPS-Herstellers in aller Regel ein klares „nein“. Es ist ein großer Aufwand für den Hersteller so einen Service bereitzustellen und insbesondere bei kleinen bis mittleren Abnahmemengen ist dies auch wirtschaftlich nicht abbildbar. Daher bleibt die Frage offen, wie es der Maschinenhersteller schafft die Apps, die er für seine Maschine braucht, auf die SPS zu bekommen?

Der Marketplace

Einen neuen Lösungsansatz verfolgt die Firma Flecs. Das Start-up stellt einen Marketplace zur Verfügung, über den der Anwender für ihn interessante Apps auf der SPS seiner Maschinen verfügbar machen kann. Ein Klick und die App ist installiert. Die Installation und Aktualisierung von Apps, sowie des gesamten Systems selbst, ist mittels einer Weboberfläche vollständig automatisiert gestaltet. Somit hat der Maschinenhersteller die Möglichkeit sich mit minimalem Aufwand komplett individualisierte SPSen zusammenzustellen.

Auch für die einzelnen SPS-Hersteller bietet diese Plattform ganz neue Möglichkeiten. So lassen sich zukünftig beim Bestellprozess die vom Maschinenhersteller gewünschten Apps hinterlegen. In der Produktion, oder nach Auslieferung werden diese automatisch auf die bestellten Geräte aufgespielt. Der Marketplace setzt auf einem frei wählbaren Linux Betriebssystem auf und bietet in der Kombination mit Erweiterungen, wie dem OSADL Realtime-Preempt Kernel Patch, Echtzeitverhalten. Er skaliert von einer kleinen SPS, einem Standard Industrie PC bis hin zum Einsatz auf großen Servern. Flecs basiert auf Open-Source-Software und ist damit ein offener und hardwareunabhängiger Ansatz.

Der integrierte Application Layer kümmert sich um die automatische Installation und Updates von Apps und sorgt für die richtige Konfiguration dieser. Er überwacht die Laufzeit der Apps, fährt sie bei Bedarf kontrolliert herunter und startet sie nach dem Systemstart automatisch. Über die verwendete Docker Engine können die Apps komplett getrennt und ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, verwendet werden. Zudem bieten Docker-Container ein gängiges Format, das die meisten Apps bereits heute nativ unterstützen. Dies macht ein schnell wachsendes Angebot an Apps im Marketplace möglich. 

Stand September 2022 lassen sich mehr als 20 Apps auf diese Weise installieren. Das Angebot reicht von Open-Source- Apps wie Node-Red oder Grafana über kommerzielle Apps von Influxdata, Inosoft, Mirasoft und Softing. Alle Apps werden vor Veröffentlichung von Flecs auf Sicherheitslücken und Vertrauenswürdigkeit des Anbieters geprüft. Bestehen Zweifel an einem der beiden Faktoren, wird diese App nicht zur Installation freigegeben und der App-Anbieter um Nacharbeit gebeten.

Der Service Mesh liefert eine Kommunikationsschicht, die alle Apps miteinander kommunizieren lässt. Dabei wird kein eigenes Protokoll verwendet, sondern die bereits bestehenden und in vielen Apps verwendeten Protokolle, wie zum Beispiel MQTT oder OPC UA, integriert. Somit entsteht kein zusätzlicher Aufwand bei der Integration einer App. Für einen echtzeitfähigen Datenaustausch steht eine native Anbindung über C oder C++ zur Verfügung. Diese lässt sich beispielsweise für die Anbindung von E/As nutzen. Sind diese einmal angebunden, stehen sie automatisch allen Apps zur Verfügung und lassen sich in Echtzeit weiterverarbeiten.

Die Marketplace-Filiale im Firmennetz

Nochmal zurück zum Eingangs-Szenario:  Bekäme es der IT-Mitarbeiter mit einer Flecs-basierten Maschine zu tun, dann wäre nun zumindest klar, welches Betriebssystem und welche Apps darauf laufen und wie diese zu aktualisieren sind. Bleibt allerdings immer noch das Problem mit dem Internetzugang, den sich der Maschinenbediener selbst gelegt hat. Flecs-basierte Maschinen benötigen in Zukunft für App-Installationen und Updates keinen Internetzugang.

Eine sogenannte Filiale des Flecs-Marketplace lässt sich im Produktionsnetzwerk einrichten. Diese bezieht die Apps und Updates vom zentralen Marketplace aus dem Internet und stellt sie den Maschinen im lokalen Netzwerk zur Verfügung. So lassen sich Maschinen getrennt vom Internet noch sicherer betreiben. Über eine Filiale lässt sich zudem einstellen, welche Apps in welcher Version bereitstehen sollen. Damit werden Fehlkonfigurationen und die Installation unerwünschter Apps verhindert. 

Patric Scholz ist Co-Founder von Flecs.

© Flecs

Die Frage der Nachrüstung 

Vielfach müssen Maschinenhersteller und -betreiber ihre Maschinen und Anlagen erweitern. In der Praxis umfassen solche nachträglichen Erweiterungen meist die Themen: vorausschauende Wartung, KI-basierte Prozessoptimierungen, technische Upgrades. Der Maschinenhersteller setzt ein sogenanntes Edge-Gerät ein, auf dem die neue Software eingerichtet, der Datenaustausch mit der SPS konfiguriert und in der Regel eine Internetanbindung geschaffen wird. Auch hier unterstützt Flecs durch eine Installation des Systems selbst und ein breites Angebot an Apps für die Konnektivität mit Steuerungen unterschiedlicher Hersteller wie Siemens, Rockwell Automation oder Schneider Electric.

Die Recherche nach passenden Konnektoren entfällt und eine Datenverbindung ist mit diesen schnell eingerichtet. Über das Service Mesh stehen die Daten der SPS den Apps auf dem Edge-Gerät sofort zur Verfügung. Maschinenhersteller sparen dadurch 40 % Zeit beim Engineering und der Wartung im Vergleich zur bisherigen Herangehensweise. Die ersten namhaften SPS-Hersteller haben sich bereits für einen Einsatz der Open-Source-Software entschieden. Auf der SPS im November zeigen diese ihre neuen Flecs-basierten Steuerungsgenerationen.