SOFTWAREARCHITEKTUREN IN DER AUTOMATION: VERTEILTE STEUERUNGSKONZEPTE VOM AKTOR BIS ZUR CLOUD. Michael Stiller BICC Open Labs, 17.9.

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1 SOFTWAREARCHITEKTUREN IN DER AUTOMATION: VERTEILTE STEUERUNGSKONZEPTE VOM AKTOR BIS ZUR CLOUD Michael Stiller BICC Open Labs,

2 AGENDA Verteilte Steuerungskonzepte eine Bestandsaufnahme Grundlegendes Standards Produktlandschaft aktuelle Konzepte aus der Forschung Flexible Fertigungszelle Intelligente Produktion Agentenbasierte Verbundanlage Steuerung in der Cloud Herausforderungen für Fraunhofer ESK Zusammenfassung / Ausblick Folie 2

3 Verteilte Steuerungskonzepte eine Bestandsaufnahme Folie 3

4 Grundlegendes Eingänge Programm SPS SPS = Speicherprogrammierbare Steuerung Zyklische Programmbearbeitung Alle Eingänge einlesen Programmlauf Alle Ausgänge setzen Zentrale Steuerung + Buskopplung + dezentrale E/A Module Hierarchisch org. Steuerungen Hierarchisch org. mit direkter Synchronisation Kooperative Steuerungen Weiterentwicklungen Steuerung in der E/A Klemme (B&R) Cloud basierte Steuerung (Beckhoff) E/A E/A Ausgänge SPS SPS SPS SPS SPS SPS SPS SPS Folie 4

5 Standard IEC Software Model Konfiguration Resource Resource Task Task Task Task Program Program Program Program FB FB FB FB Globale und direkte Variablen Zugriffspfad Kommunikation mit anderen Systemen Folie 5

6 IEC Standard Übersicht Folie 6

7 Interaktion OPC UA / IEC basierte Steuerung Source Code Communication to OPC UA Client Development Environment Compiler Controller / Run time environment Logic Motion Safety Program Shared Information OPC UA Server Implementation Folie 7

8 IEC Beispielimplementierung (siehe Basic function block, Composite function block, Service interface function block getrennte Behandlung von Events und Daten, ECC Statusmaschine, Programmierung in LL, FB, ST, IL Entwicklung der verteilten Applikation zunächst ohne HW Bezug Verteilung auf die HW durch selbstkonfigurierende Kommunikationsschnittstellen Folie 8

9 Produktlandschaft IEC Siemens SIMATIC S7 / TIA 3S Codesys (u.a. ABB Automation Products, Bachmann, Bosch Rexroth, WAGO, Berghoff, KEBA, Hilscher, Schneider Electric Automation,..) Beckhoff B&R Phoenix Contact. IEC nxtcontrol Isagraph 4DIAC (open source).. Folie 9

10 aktuelle Konzepte aus der Forschung Folie 10

11 Projekt FlexiMon (Harting & Universität Bielefeld) [3] Motivation: Individualisierung der Produktion bei Harting aufgrund spezifischer Kundenwünsche Ziel: Entwicklung flexibler Fertigungszellen mit Plug&Produce Fähigkeiten und automatischer horizontaler und vertikaler Integration Ansatz: Enge Verzahnung der Steuerungsebene mit der Prozessebene Methode: Modulare Struktur der IEC SW, unabhängig und ohne Vorannahmen über den Ausführungskontext Bereitstellung von echtzeitfähigen Services innerhalb der Fertigungszelle und nichtechtzeitfähigen Services innerhalb der Fertigungslinie Koordinationsarchitektur: Ausführung der in BPMN2 erstellten Prozessmodelle Direkte Kopplung der Process Engine mit der Echtzeitsteuerung Entwicklungspotential: Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens zur Bewertung von Fehlerzuständen und automatischen Verbesserung von Prozessmodellen Kommunikationstechnologien zur Zusammenführung von echtzeitfähigen und nicht echtzeitfähigen Diensten Folie 11

12 Verteilte Anlagensteuerung in der SmartFactoryKL (DFKI) [1] Ziel: Untersuchung der Auswirkungen des Industrie 4.0 Szenarios auf Planung, Inbetriebnahme, Betrieb und Rekonfiguration in verteilten, miteinander kommunizierenden Steuerungsinstanzen Motivation: vorherrschende hierarchische Steuerungsarchitekturen, Steuerung der Produktionsanlage bzw. Ausführung der Produktionsprozesse durch SPS en HW naher Code unübersichtlich, schlecht strukturiert, kaum wiederverwendbar. Programme müssen für jede neue Anlage neu erstellt werden, Änderungen sind aufwändig und fehleranfällig hoher Aufwand bei Entwicklung von Treibern/Schnittstellen zur Anbindung von Feldgeräten über proprietäre Protokolle (Austausch von Feldgeräten mit gleicher Funktion aber verschiedener Hersteller macht Anpassung der SPS notwendig) Modularisierung und Wiederverwendbarkeit aufgrund des niedrigen Abstraktionsniveaus der HW orientierten SPS Programmierung Folie 12

13 Verteilte Anlagensteuerung in der SmartFactoryKL (DFKI) [1] Ansatz: Verteilung der Steuerungsaufgabe auf kleinere, besser beherrschbare Steuerungseinheiten. Serviceorientierung: Kapselung von mechatronischen Funktionen zu Services, die zu höherwertigen Services oder ganzen Prozessabläufen kombiniert werden können. Methoden: modellbasierte Planung (Strukturmodell des physischen Aufbaus, Servicemodell, Orchestrierungsmodell) Anpassung des Prozesslaufs zur Betriebszeit durch dynamische Orchestrierung (logischer Fähigkeitsabgleich durch semantisches Matchmaking + Context Broker zur Einbeziehung aktueller Prozessdaten) Rekonfiguration nach dem Plug&Play Prinzip durch einheitliche SW- und standardisierte HW Schnittstellen Folie 13

14 Eine Referenzarchitektur für die intelligente Fabrik (Fraunhofer IOSB-INA/ init) [1] Motivation: Komplexität der Produktionssysteme und damit auch der Automation ist in den letzten Jahren massiv gewachsen, Belastung für Automatisierer, Systemingenieure und Anlagenbauer. Ziel: komplexe Automatisierungstechnik weiterhin beherrschbar machen d.h. trotz wachsender Komplexität eine wahrgenommene Abnahme der Komplexität zu erreichen Ansatz: Intelligente Assistenzsysteme und selbstlernende Automatisierungslösungen. Verlagerung des Expertenwissens in die Automation, Experte formuliert nur noch seine Ziele wie z.b. das fertige Produkt oder den max. Energieverbrauch Automationslösung verfügt über formales Wissen bzgl. Anlage und Problemlösung intelligentes System mit Handlungsfreiräumen um Adaption und Anpassungsfähigkeit zu erreichen Folie 14

15 Eine Referenzarchitektur für die intelligente Fabrik (Fraunhofer IOSB-INA/ init) [1] Methode: Basis bleibt die klassische Automation mit Sensorik, Aktorik und Regelungstechnik darauf setzt ein Modell des physikalischen Systems und dessen Verhaltens auf, das die Prognose des Systemverhaltens ermöglicht assoziative Ebene (z.b. Erkennen eines zu hohen Energieverbrauchs) lernendes Modell durch ständiges Abgleichen Modell / Realität ermöglicht automatisierte Neuparametrierung /-konfiguration Erfassung der Situation über eine 3., symbolische Ebene, ermöglicht Schlussfolgerungen und komplexe Bewertungen, Wechselspiel von assoziativer und symbolischer Ebene, 3. Ebene ebenfalls lernfähig (z.b. System findet selbstständig Ursache für Verschleiß) Entwicklungspotential: Methoden des maschinellen Lernens Folie 15

16 Plug&Produce (Fraunhofer IOSB-INA/ init ) [1] Ziel: Minimierung des Aufwands der Inbetriebnahme vor allem bei Umbau/ Erweiterung vernetzter Systeme in der Automation Ansatz: Fähigkeit der Selbstkonfiguration Methode: Signalorientierung durch Serviceorientierung ergänzen Es entstehen mechatronische Einheiten, die Dienste bereitstellen Semantische Beschreibung der Dienste Automatisierte Registrierung der Komponente über zentralen Diensteverzeichnis Aufbau der Echtzeitkommunikation zwischen den Komponenten initiiert durch Webservices Verknüpfung von Prozess und Services aller Komponenten über Matchmaking Algorithmen Folie 16

17 Industrie 4.0 am Beispiel einer Verbundanlage (Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Helmut-Schmidt Universität Hamburg, Technische Universität Dresden, RWTH Aachen, Universität Stuttgart, TUM) [2] Motivation: Produktionsanlagen optimal auslasten, Schwierigkeiten in der Zulieferkette beheben, schneller neue Produkte am Markt platzieren Ziel: Flexiblisierung und Erhöhung der Agilität von Produktionsanlagen Ansatz: ad hoc Vernetzung und intelligente Steuerung am Beispiel ein dezentralen und über Deutschland verteilten Produktion von individualisierten Produkten Aufbau einer Verbundanlage aus bestehenden heterogenen Produktionsanlagen, die über das Internet kommunizieren Anforderungen: einfache Vergabe des Auftrags, automatische Auftragsplanung und Zuteilung, Einfaches An- und Abmelden der Anlagen, Kriterien bei der Produktion (Energieverbrauch, Anlagenstörungen, Wegstrecken,..), Betriebssicherheit der Kommunikation (-prozesse), Teilautonomie der Anlagen bei Abbrüchen der Internetverbindung Folie 17

18 Industrie 4.0 am Beispiel einer Verbundanlage (Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Helmut-Schmidt Universität Hamburg, Technische Universität Dresden, RWTH Aachen, Universität Stuttgart, TUM) [2] Konzeption: zentraler cloudbasierter Marktplatz, an den sich die Anlagen anmelden Scheduling der Produktionsaufträge/-prozesse zentrale Verwaltung der Anlagen mittels Verzeichnis der Dienste/Fähigkeiten Erweiterung bzgl. Vernetzung mehrerer Marktplätze Erweiterung bzgl. dezentralen Strukturen aufgrund Problematik Ausfallsicherheit Realisierung: Kapselung und Integration der Teilanlagen in die Verbundanlage über ein Agentensystem mit verschiedenen Rollen (Anlagenagent, Koordinationsagent, Kundenagent) Entwicklungspotential: Management der Kommunikationsinfrastruktur, Einsatz effizienter M2M Kommunikationsprotokolle Standards im Datenaustausch Folie 18

19 Steuerung aus der Cloud (Universität Stuttgart) [1] Motivation: herkömmliche statische Steuerungsstruktur muß manuell konfiguriert werden, fehlende Information innerhalb einer Steuerung kann nicht automatisch beschafft werden keine Simulationen oder Signalanalysen auf der Steuerung möglich, Algorithmen werden nicht permanent benötigt (Diagnose, Inbetriebnahme oder Rekonfiguration) für komplexe Verschlüsselungsalgorithmen fehlt die Rechenleistung Steuerungssystem muß nach Defekt aufwändig neu konfiguriert und event. programmiert werden. Ziel: Aufbrechen der monolithischen Steuerung und Verlagerung von Teilen als Services in die Cloud Folie 19

20 Steuerung aus der Cloud (Universität Stuttgart) [1] Realisierung: Trennung von Software und Hardware Sensorik und Aktorik vor Ort wird über eine aktive Netzwerkbrücke mit der Cloud verbunden Netzwerkbrücke übernimmt Kopplung von Echtzeit und nicht Echtzeit und übernimmt echtzeitkritische Regelungsaufgaben Kommunikation zwischen cloudbasierter Steuerungen untereinander ohne Hardwareschnittstellen Entwicklungspotential: Strategien zur Optimierung der internetbasierten Kommunikation (adaptive streaming, Pufferstrategien, Interpolationen) Folie 20

21 Herausforderungen für Fraunhofer ESK Folie 21

22 Herausforderungen für Fraunhofer ESK Kommunikationsinfrastruktur (unternehmensübergreifend, in die Cloud) Management Protokolle Implementierung Test- und Analysewerkzeuge für verteilte Systeme in heterogenen Umgebungen Methoden des Tracing Analyse von Tracedaten Folie 22

23 Zusammenfassung / Ausblick Folie 23

24 Zusammenfassung / Ausblick Klassische monolithische Steuerungen verlieren an Bedeutung Auslagerung des Prozesswissens kontextlose Einheiten Aufteilung in kleinere mechatronische Einheiten Serviceorientierte Architekturen (Plug&Produce, Vereinfachung von Schnittstellen) Zunahme intelligenter Systeme in der Fabrik, sowohl zentrale als auch dezentrale Lösungen Cloudkonzepte: vom Prozessmanagement zur echtzeitnahen Steuerung Zuverlässige Kommunikationsinfrastruktur über öffentliche Netze/ Internet wurde als Herausforderung erkannt aber noch nicht gelöst Folie 24

25 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! Michael Stiller Tel.:

26 Quellenangaben [1] Industrie 4.0 in der Produktion, Automatisierung und Logistik, T.Bauernhansl et al., Springer Fachmedien Wiesbaden 2014 [2] atp edition 7-8/2014 DIV Deutscher Industrieverlag GmbH [3] Computer & Automation, Folie 26

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