Die rekonfigurierbare Fertigung

Effizienz in der Fertigung zeigt sich unter anderem darin, dass sich Änderungen an der Produktionsanlage im laufenden Betrieb vornehmen lassen. Wie dies möglichst einfach und effizient zu bewerkstelligen ist, zeigen die Ergebnisse des Forschungsprojektes εCEDAC.

Effizienz in der Fertigung zeigt sich unter anderem darin, dass sich Änderungen an der Produktionsanlage im laufenden Betrieb vornehmen lassen. Wie dies möglichst einfach und effizient zu bewerkstelligen ist, zeigen die Ergebnisse des Forschungsprojektes εCEDAC.

Die Zukunft der produzierenden Industrie hängt stark davon ab, wie schnell sich Betriebe an geänderte Marktanforderungen anpassen können. Vor allem die Betreiber von Anlagen, bei denen das Hoch- und Runterfahren sehr lange dauert oder mit hohen Kosten verbunden ist, stehen vor der Herausforderung, auch während einer Produktionsumstellung einen unterbrechungsfreien Betrieb sicherstellen zu können. Voraussetzung hierfür ist, dass die Erstellung und Programmierung von Änderungen an Applikationen und deren Ausführung im laufenden Betrieb durchführbar ist, ohne andere Anwendungen dabei zu stören. Die gängigen Engineering-Ansätze nach IEC 61131-3 oder IEC 61499 tragen diesem Anspruch bis dato nur bedingt Rechnung.

Rekonfiguration basierend auf IEC 61131-3
Der Standard IEC 61131-3 sieht an sich keine Möglichkeit zur Rekonfiguration vor. Aktuelle IEC-61131-3-Produkte bieten aber meist sehr wohl die Möglichkeit, Änderungen im Betrieb vorzunehmen. Die Granularität der Änderungen ist dabei allerdings in der Regel auf Programm-Organisations- Einheiten (POEs) beschränkt. Der Austausch erfolgt hier zwischen den Zyklen der betroffenen Programmteile. Damit ist zwar die Änderung eines Steuerungsprogramms im laufenden Betrieb möglich. Es steht jedoch keine Methodik zur Verfügung, um die Art der Änderung zu modellieren und Einfluss darauf zu nehmen. Die Nachteile dieser Art der Rekonfiguration sind:

  • Der Umschaltzeitpunkt basiert auf der zyklischen Abarbeitung des Programms und lässt sich nicht auf die Vorgänge in der Applikation abstimmen.
  • Für die Zeit der Umschaltung müssen alle Tasks gestoppt werden (Auftreten von Jitter-Effekten).
  • Die Granularität ist eher grob (Programmlevel), was hohe Komplexität bezüglich Kommunikation, Speichermanagement und Neu-Initialisierung bedeutet.
  • Neue Elemente starten mit ihren Initialwerten.
  • Es können inkonsistente Zustände bei der Rekonfiguration auftreten, etwa Deadlocks oder Token-Proliferation bei der Ablaufsprache (AS).

Rekonfiguration mit dem StandardIEC 61499
Der Standard IEC 61499 basiert auf Funktionsblöcken (FB), die ein Daten- und ein Event-Interface besitzen. Durch die Verschaltung der FBs wird eine Steuerungsapplikation modelliert, wobei die Abarbeitung rein durch Events definiert ist. Darüber hinaus ist für Steuergeräte ein Management- Interface definiert, welches die Änderung von Applikationen zur Laufzeit ermöglicht. Insgesamt bietet die IEC 61499 acht verschiedene Management-Kommandos, die beispielsweise für das Erzeugen und Löschen von FB-Instanzen oder für Verbindungen verwendbar sind. Die Referenz-Implementierung „Function Block Development Kit“ (FBDK) verwendet diesen Mechanismus bereits beim Download von Applikationen (siehe auch www.holobloc.com). In eingeschränktem Maß sind damit einfache Rekonfigurationen realisierbar. Darüber hinaus bietet der Standard durch seinen komponenten-basierten Ansatz (FBs sind voneinander entkoppelt, keine globalen Variablen) sowie durch die Definition der Management-Kommandos eine gute Basis für Änderungen an Applikationen im laufenden Betrieb. Nichtsdestotrotz hat auch die IEC 61499 diverse Nachteile in punkto Rekonfigurierbarkeit:

  • Es fehlt eine Methodik, um Änderungen an laufenden Systemen zu beschreiben.
  • Die Anwendung der Management-Kommandos ist bereits bei kleinen Änderungen verwirrend.
  • Wenn bei einer Rekonfiguration ein Fehler auftritt, so gibt es keine Strategie, um einen sicheren Zustand wiederherzustellen