Für viele Aufgaben im Kontext von Digitalisierung werden spezialisierte Werkzeuge und Technologien entwickelt und eingesetzt, um spezifische Anforderungen abzudecken. Das ist auch im Bereich der Industrieautomatisierung der Fall, wo für die Sensordatenerfassung, die Echtzeitsteuerung von Maschinen und die Abarbeitung von zyklischen Regelschleifen sehr genaue Anforderungen an Zeitabläufe und Latenzen existieren, die unter allen Betriebsbedingungen garantiert bleiben müssen.

Je nach Anwendungsfall reichen diese von weniger als 100 Mikrosekunden (Motion Control) bis zu hunderten Millisekunden (Prozesssteuerung). So sind anwendungs- und anbieterspezifische Lösungen für Software und Netzwerkprotokolle entstanden, die im Bedarfsfall unter Berücksichtigung gewisser Einschränkungen und Trade-Offs optimiert wurden, beispielsweise im Bereich von Kosten versus Zuverlässigkeit, Einfachheit von Installation und Inbetriebnahme versus Flexibilität, oder Diagnose von Problemen versus Erweiterbarkeit eines bestehenden Systems.

Proprietäre Systeme stoßen an ihre Grenzen

Bild 1: Die durch spezialisierte Lösungen entstandene Architektur industrieller Produktionsanlagen macht Gateways für den Daten- und eventuell auch Kontrollfluss zwischen einzelnen Schichten notwendig.

Bild 1: Die durch spezialisierte Lösungen entstandene Architektur industrieller Produktionsanlagen macht Gateways für den Daten- und eventuell auch Kontrollfluss zwischen einzelnen Schichten notwendig. TTTech

Um diese Optimierungen weiterzutreiben, war Kompatibilität mit allgemeingültigen Standards im Bereich von Netzwerken und Interoperabilität von Komponenten unterschiedlicher Hersteller nicht von primärer Bedeutung. Da große Systemintegratoren entweder auch Komponentenhersteller waren oder aufgrund ihrer Marktbedeutung andere Unternehmen zur Unterstützung ihrer optimierten Lösung bewegten, konnten sich proprietäre Ökosysteme entwickeln. Darin agiert eine Vielzahl von Herstellern und Komponentenzulieferern, die aber jeweils zueinander nicht, oder nur über aufwendige Übersetzungsmechanismen und Gateways, anschlussfähig waren.

Durch diese Spezialisierung von Technologien entstand in der Steuer- und Kommunikationsinfrastruktur von industriellen Produktionsanlagen zunehmend eine üblicherweise als „Pyramidenstruktur“ dargestellte Architektur (Bild 1). Die unterste Schicht repräsentiert die IO-Elemente direkt am physischen Produktionsvorgang, die nächsthöhere Schicht zumeist die Steuer- und Kontrolllogik (PLCs, SPS,…), darüber befinden sich Schichten für Produktionssteuerung und Diagnose sowie Anbindung an Verwaltungssysteme wie ERP bis hin zur Cloud.

Die höheren Schichten sind die Domäne der IT-Abteilungen, in der IT-übliche Technologien, Mechanismen und Standards genutzt werden, während in den untersten Schichten meist branchen- oder herstellerspezifische Technologien zum Einsatz kommen. Daher gibt es in dieser Automatisierungspyramide ein oder mehrere „Gateways“, die notwendig sind, um Daten- und eventuell auch Kontrollfluss zwischen den Schichten zu gewährleisten.

Solange einzelne Maschinen für die Automatisierung eingesetzt und dauerhaft vernetzt wurden, war dieser Zustand akzeptabel. Durch die steigenden Anforderungen an flexible Produktionsabläufe, geringere Downtimes im Fall von Linienumstellungen und nicht zuletzt die Notwendigkeit, systemübergreifend Daten für die „Internet of Things“-Anbindung verfügbar zu machen, sieht nun eine zunehmende Zahl von Unternehmen offene Standards als essenziell an. Allerdings müssen diese Standards einerseits die funktionalen Eigenschaften der Steuerungswelt weiterhin unterstützen, andererseits auch die Anforderungen an Offenheit, Flexibilität und Sicherheit der an die Produktionswelt heranrückenden Domäne von Data Centers und Cloud-Infrastruktur erfüllen.

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