Die Programmierplattform Fourzero unterstützt den Wandel bei der Herangehensweise an digital vernetzte Systeme. Die entscheidende Neuheit ist: Die Geräte-orientierte Programmierung wird abgelöst durch eine Task-orientierte Programmarchitektur.

Die Programmierplattform Fourzero unterstützt den Wandel bei der Herangehensweise an digital vernetzte Systeme. Die entscheidende Neuheit ist: Die Geräte-orientierte Programmierung wird abgelöst durch eine Task-orientierte Programmarchitektur. Automation of Things

Die Programmierplattform für verteilte, intelligente Steuerungssysteme vollzieht einen Paradigmenwechsel in der Programmierung verteilter Systeme. Der Wechsel ist durch die Anforderungen von Industrie 4.0 erforderlich. Die Programmierung mit dieser Plattform von Automation of Things (AoT) ist event-basiert, task-orientiert und unterstützt das Konzept der ‚Service-orientierten Architektur‘ (SOA) auf der Steuerungs- und E/A-Ebene. Durch diese Architektur können intelligente Sensoren, Aktoren und intelligente E/A-Knoten über die IOLogic-Erweiterung der Plattform als verteilte Steuerung eingesetzt werden; die SPS übernimmt zusätzliche Aufgaben als Service Provider und embedded-PCs ermöglichen die Einbindung von IT-orientierten Services.

Das Fourzero-Konzept

Die Programmierplattform Fourzero unterstützt den Wandel bei der Herangehensweise an digital vernetzte Systeme. In der traditionellen SPS-Programmierung wird ein vernetztes System aufgebaut, indem man die Eigenschaften der verwendeten Hardware programmiert; Daten werden zyklisch über die Speicherabbilder ausgetauscht. Fourzero eliminiert Speicherabbilder und globale Variablen. Der Datenaustausch erfolgt zwischen einzelnen Funktionsblöcken eventbasiert ohne Umweg über das Speicherabbild. Die Automatisierungsarchitektur wird modular und somit modular erweiterbar. Dies erhöht die Effizienz der Programmierung, entlastet das System und erlaubt die Verwendung kostengünstiger Hardware. Die entscheidende Neuheit ist: Die Geräte-orientierte Programmierung wird abgelöst durch eine Task-orientierte Programmarchitektur.

Verteilte Software-Architekturen in der IT-Ebene

Die steigende Zahl der Cloud-basierten Software-Pakete in der IT-Welt zeigt, dass verteilte Software-Architekturen beim Endanwender angekommen sind – und sich in der Software-Landschaft etabliert haben. Die Netzwerk-Architektur der OT-Ebene (Operational Technology) muss diesen Schritt allerdings noch vollziehen.

Auf der IT-Ebene der digitalen Fabrik bieten beispielsweise die Business Suite SAP S/4HANA in Zusammenhang mit SAP Fiori (eine Produktlinie von SAP-Apps, die eine geräteunabhängige Benutzerschnittstelle haben) eine neue, anwenderorientierte ERP-Erfahrung. Firmen wie IBM oder Oracle bieten mit Ihren Enterprise Service Bus beziehungsweise Oracle Service Bus eine skalierbare Netzwerk-Architektur, die sämtliche Unternehmensdienste flexibel miteinander vernetzt. Diese Architekturen basieren auf Publish and Subscribe- (Pub/Sub) Mechanismen sowie der Methode der eventbasierten Verarbeitung. Die verwendeten Prinzipien werden als Service Oriented Architecture (SOA) bezeichnet.

Verteilte Software-Architekturen in der OT-Ebene?

Grafische Programmierung der Applikation durch Vernetzung von Funktionsblöcken zu Applikationsblöcken.

Grafische Programmierung der Applikation durch Vernetzung von Funktionsblöcken zu Applikationsblöcken. Automation of Things

Auf der OT-Ebene kommt derzeit keine vergleichbare Architektur zum Einsatz. Mit OPC UA TSN und MQTT haben sich standardisierte Protokolle etabliert, die eine Anbindung an die IT-Welt und eine deutlich verbesserte Querkommunikation ermöglichen. Damit wird die hierarchische Architektur, wie sie in der Automatisierungspyramide beschrieben ist, um den Zugang zur Cloud erweitert und die Querverbindung zwischen Maschinen geschaffen.

Eine service-orientierte Architektur bietet darüber hinaus weitere Vorzüge:

  • Große Flexibilität: 1) Die Services können von überall im Netzwerk aufgerufen werden. 2) Die Architektur ist beliebig erweiterbar, auch wenn im ursprünglichen Layout die weiteren Services noch nicht geplant waren.  3) Services sind beliebig wiederverwendbar und können zu anderen Services zusammengesetzt werden.
  • Hohe Stabilität: 1) Die Services beinträchtigen sich nicht gegenseitig, weil nur eine lose Kopplung zwischen den Services besteht. 2) Services sind sich lediglich der Existenz anderer Services bewusst.  3) Der Service selbst ist eine Black Box und vollständig gekapselt.
  • Effizient und sparsam: Die Services sind besonders ressourcen-sparend und können somit auf kleinen Devices installiert werden.

Die Programmierplattform Fourzero bringt diese Vorzüge auf die Steuerungs- und Feldbus-Ebene. Sie ermöglicht den Aufbau einer service-orientierten Netzwerk-Architektur, kurz SOA-FCD (SOA for Fieldbus and Control Level Devices) in Anlehnung an SOA-Architekturen auf der IT-Ebene. Technisch gesehen nutzt die Programmierplattform den IEC-61499-Standard.

Dezentrale Systemarchitektur vermindert die Komplexität

Die virtuelle Applikation wird durch die Zuordnung von Serviceprovidern zur portablen App.

Die virtuelle Applikation wird durch die Zuordnung von Serviceprovidern zur portablen App.

Automation of Things

Die Systemarchitektur von Fourzero ist einfach aufgebaut: Programm-Algorithmen werden in Funktionsblöcken gekapselt. Events ersetzen die zyklische Programmierung und stoßen die Abarbeitung der Funktionsblöcke an. Dies spart System-Ressourcen. Funktionsblöcke werden zu einem Netzwerk verbunden und mit Service-Providern für die Kommunikation verbunden. Dadurch entstehen portable Apps, die auf beliebiger Hardware installiert werden können. Mehrere Apps können auf einem Gerät (Device) installiert werden. Devices werden zuerst als virtuelle Devices angelegt und erst im letzten Planungsschritt werden die Apps auf die Hardware vor Ort verteilt. Dies führt zu einer im Maschinenbau bislang nicht gegebenen Portierbarkeit und Offenheit des Systems für Erweiterungen.

Applikationen lassen sich mit der kostenfreien Software Fourzero Studio erstellen. Damit diese Applikationen auf der Ziel-Hardware lauffähig sind, muss ein lizenzpflichtiges Programm, Fourzero Runtime, auf der Ziel-Hardware installiert werden. Devices können in und mit Fourzero Studio als virtuelle Prototypen komplett ohne Hardware erstellt werden. Dies vermindert den Aufwand bei Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL) deutlich.

Die Vorteile beim Retrofit von Maschinen und Komponenten

Die Programmierplattform muss eine bestehende, hierarchische und zentrale Automatisierungs-Architektur nicht ersetzen; sie kann ungehindert weiter bestehen. Fourzero kann somit als ergänzende Lösung dienen, eine Maschine Industrie-4.0-fähig zu machen – ohne in die bestehende Automatisierungs-Architektur eingreifen zu müssen. Dies ist bei einem Retrofit sehr vorteilhaft.

Die Schnittstelle zwischen IT-Ebene (Office Floor) und OT-Ebene (Shop Floor) wird auf Basis von SOA-Konzepten (Service Oriented Architecture) als gemeinsamer Mechanismus für die Integration realisiert.

Die Schnittstelle zwischen IT-Ebene (Office Floor) und OT-Ebene (Shop Floor) wird auf Basis von SOA-Konzepten (Service Oriented Architecture) als gemeinsamer Mechanismus für die Integration realisiert. VDI

Verteilt anfallende Daten und Steuerungsaufgaben werden bei Fourzero mittels dezentraler, intelligenter Hardware vor Ort verarbeitet – ohne die zentralen Systeme und deren Kommunikationsstrukturen zu belasten. Die Plattform ermöglicht so einen jederzeit anpassungsfähigen Ausbau des Systems (außerordentlich hohe Flexibilität und Hardware-Unabhängigkeit der Programmierplattform).

Die Programmierplattform ist nicht nur ein geeignetes Werkzeug für Maschinenbauer (die damit auch eine dezentrale Maschinensteuerung aufbauen können), sondern auch für Sensor- und Aktor-Hersteller, um Retrofit-Kits für Maschinen zu schaffen: Für die vorausschauende Wartung werden seitens der Hersteller immer mehr Daten aus der Maschine benötigt. Einzelne, einfache Sensoren sollen durch komplexe, intelligente Sensorarrays ersetzt werden.

Ein Retrofit scheitert häufig an den Strukturen der SPS-Software, deren Speicherabbilder nur für einzelne Sensoren ausgelegt wurden und, falls überhaupt, nur mit immensem Software-Aufwand erweitert werden kann. Mithilfe von der Programmierplattform kann ein Sensor-Hersteller mehrere Sensoren logisch miteinander verknüpfen und vorverarbeiten. Die SPS erhält von den kollaborierenden Sensoren einen singulären Wert. Gleichzeitig stellt das Sensornetz die Daten für die vorausschauende Wartung in die Cloud. Des Weiteren kann die Qualität der Sensordaten verbessert werden.

Speziell für die Sensorik und Aktorik bietet der Hersteller mit IOLogic eine Erweiterung an, die mit vielen speziellen Funktionsblöcken und einem anpassbaren Runtime mit kleinem Footprint für low-performance-Prozessoren mit einem eng begrenztem Speicher. Dieses Beispiel zeigt, dass ein schrittweiser Einstieg in die service-orientierte Architektur jederzeit möglich ist.