Die Informationstechnik gibt den Takt vor Die Zukunft der SPS #####

In den nächsten zehn Jahren ist mit einem enormen Umbruch bei den speicherprogrammierbaren Steuerungen zu rechnen. Für die Ausrüster steht schnelles Reagieren auf neue Entwicklungen und Standards im Vordergrund. Programmierung und Parametrierung werden dabei mit Tools und Hilfsmitteln erfolgen, die heute schon in der Informationstechnik eingesetzt werden.

In den nächsten zehn Jahren ist mit einem enormen Umbruch bei den speicherprogrammierbaren Steuerungen zu rechnen. Für die Ausrüster steht schnelles Reagieren auf neue Entwicklungen und Standards im Vordergrund. Programmierung und Parametrierung werden dabei mit Tools und Hilfsmitteln erfolgen, die heute schon in der Informationstechnik eingesetzt werden.

SPS-basierte Anlagen sind nach einem einheitlichen Muster aufgebaut: Einer zentralen Kopfstation sind mehrere Ein-/Ausgabe-Module unterlagert. Bei größeren beziehungsweise komplexeren Anlagen wird dieses Schema mehrmals nebeneinander aufgebaut. Zwar können einzelne Ein-/Ausgabe-Module durchaus mit Intelligenz ausgestattet werden, die Intelligenz der gesamten Anlage befindet sich jedoch immer in der Kopfstation. Die Programmierung der komplexen Kopfstationen ist aufwendig und kann nur von einem Spezialisten durchgeführt werden, der die gesamte Anlage und die einzelnen Module genau kennt (Bild 1).

Eine besondere Herausforderung stellen die diversen Programmier- und Konfigurationstools der einzelnen Steuerungselemente dar, die teilweise auch noch von unterschiedlichen Herstellern kommen. Dazu gehören zum Beispiel verschiedene Tools zur Konfiguration der Hardware, zur Erstellung von Netzwerk-Layouts, zur Einstellung der Kommunikationsparameter sowie für die Zuordnung der Kommunikationsbeziehungen und schließlich für die Software selbst. Problematisch sind die Schnittstellen der Steuerungen, die teilweise nicht exakt definiert sind und jedesmal neu erarbeitet und manuell umgesetzt werden müssen. Die gesamte Struktur einer heutigen SPS-basierten Anlage ist „fest verdrahtet“ und lässt in den meisten Fällen keine kurzfristigen Änderungen zu.

Einer der größten Pluspunkte heutiger SPS-Generationen besteht darin, dass sich alle Lösungen – angefangen von der kleinsten Steuerungsaufgabe bis hin zum komplexen Leitsystem – auf der gleichen technischen Basis realisieren lassen. Von Vorteil sind auch die einfache Handhabung und die hohe Zuverlässigkeit. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, hochverfügbare Systeme aufbauen zu können, wobei die Baugruppen über lange Zeit verfügbar sind. Schließlich gibt es in dieser Technologie eine Vielzahl prozessnaher, parametrierbarer Baugruppen, und es lassen sich sicherheitsgerichtete Anlagenteile realisieren.

Alternativen zur SPS

Es wäre jedoch falsch, auf Grund dieser Vorteile darauf zu schließen, dass die SPS konkurrenzlos sei. Es gibt Techniken, die zum Teil bessere und/oder kos-tengünstigere Lösungen bieten. Unabhängig davon werden sich die interne Struktur der SPS und ihre Ankopplung an das Umfeld in den nächsten Jahren erheblich wandeln. Dabei wird die Forderung nach immer kürzeren Entwicklungszeiten und Produktionszyklen, gepaart mit einem enormen Kostendruck, die entscheidende Rolle spielen. Schlagworte wie „Engineering on the Fly“, „Rapid Development“ oder „Simultaneous Engineering“ werden die SPS-Entwickler zu Lösungen zwingen, die eine stärkere Modularität aufweisen und sich weitgehend selbsttätig konfigurieren. Standardisierungen werden dabei auf folgenden Gebieten erforderlich: in der Anlagen- und Maschinensimulation sowie beim Test von Teilanlagen und bei der Inbetriebnahme.

Visual Control

Als Konkurrenz der klassischen SPS entwickelt sich in Teilbereichen die Bildverarbeitung (Bild 2). Schon heute wird in der mechanischen Fertigung eine Vielzahl von Bildverarbeitungssystemen für die Teile-Erkennung und -Prüfung eingesetzt, die eine hohe Datenmenge verarbeiten. Bei sinkenden Kosten werden diese Systeme stärker zum Einsatz kommen und damit starre Ein-/Ausgabe-Verdrahtungen mitsamt den zugehörigen Sensoren verdrängen und die Produktion flexibler, konzentrierter und günstiger machen. Ein Beispiel ist die Überwachung der Kreuzung eines Transportsystems, die entweder von einer Vielzahl von Sensoren oder aber von einer einzelnen Kamera mit Bildauswertesystem überwacht werden kann.

Visualisierung

Moderne Systeme müssen neben der klassischen Steuerungsaufgabe eine Vielzahl von Bedien- und Darstellungsaufgaben erfüllen. Die klassische Bedienkonsole wird ausgedient haben. Moderne Steuerungssysteme müssen in Zukunft ein „See Everywhere“ unterstützen. Jede SPS sollte bereits in ihrer Grundkonfiguration eine Standard- oder Minimalansicht auf ihre Daten zulassen. Um den unterschiedlichsten Anforderungen aller Nutzer hinsichtlich Datentiefe und Datenmenge gerecht zu werden, muss die Visualisierung unterschiedliche Sichtweisen unterstützen. Zusätzlich sind die Einbindung externer Daten und deren Auswertung erforderlich; hier ist ein durchgängiges, datentransparentes System gefragt. Als Zukunftslösung bieten sich hier Web-basierte Verfahren an. Schon heute bietet eine Vielzahl von Feldgeräten einen Mini-Webserver, mit dem der Anwender komfortabel Konfigurationen erstellen oder sich über den aktuellen Zustand informieren kann. Dieser Trend wird sich noch verstärken, da der Anwender dann nicht auf proprietäre Software angewiesen ist. Auf diese Weise ist es möglich, auch für größere Anlagen Visualisierungseinrichtungen zu entwickeln, die alle benötigten Werte darstellen können, ohne dass der Anwender auf einen zentralen Server zurückgreifen muss.

Explosionsartige Zunahme der Datenströme

Durch die stetig steigende Intelligenz der Feldgeräte, die verstärkte Integration individueller Sensoren und Aktoren sowie die Forderung nach detaillierteren Daten wachsen die Menge der Daten und die Zahl der Kommunikationsverbindungen. Die Datenflut ist auch eine Folge der Produktivitätssteigerung durch kürzere Taktzeiten und der höheren Geschwindigkeiten der Bearbeitungsmaschinen; sie lässt sich mit einer typischen SPS nicht mehr beherrschen. Abgesehen davon sind diese Daten für die eigentliche Abarbeitung des Steuerungsprogramms überflüssig. Daraus ergeben sich zwei Folgerungen: Erstens müssen die Netze für den Datentransport leistungsfähig genug sein: Dies spricht für den verstärkten Einsatz des Ethernet. Zweitens werden für die Speicherung dieses enormen Datenaufkommens leistungsfähige Datenbanken sowie entsprechende Auswertewerkzeuge erforderlich sein: Dies ist nur mit Systemen aus der Informationstechnik zu bewältigen.

Künftig werden stärker als bisher Verfahren und Methoden aus dem informations- und kommunikationstechnischen Umfeld im Bereich der Steuerungs- und Automatisierungstechnik Einzug halten und die bisherigen Strukturen nachhaltig verändern (Bild 3). Nachfolgend werden einige Ansätze aufgeführt, mit denen sich die Produktivität schon beim Engineering steigern ließe, wenn sie umgesetzt würden:

  • Unified Modeling Language (UML) ist eine Sprache zur Beschreibung von Software-Systemen. UML besteht aus verschiedenen Diagrammen, die wiederum aus verschiedenen grafischen Elementen gebildet werden. Hiermit lassen sich die kompletten Prozesse der Fabrikautomatisierung von der SPS über MES bis zum ERP (Enterprise Resource Planning) modellieren. Speziell für die zukünftigen Aufgaben zur Darstellung von Kommunikationsbeziehungen und zur Visualisierung von „Workflows“ sind im Steuerungsumfeld neue Methoden notwendig.
  • Source-Code und Software-Verwaltungstools wie CVS (Concurrent Versions System) oder Microsofts Visual SourceSafe werden immer entscheidender für den Erfolg eines Projekts, insbesondere dann, wenn eine Entwicklung parallel von vielen Firmen und mit unterschiedlichen Entwicklern durchgeführt wird. Auch für Wartung, Pflege und Weiterentwicklung von fertigungstechnischen Anlagen sind sie maßgebend, damit die „Total Cost of Ownership“ (TCO) niedrig gehalten werden können.
  • Die Dokumentation für verteilte und objektorientierte Software muss automatisch erstellt und nachgeführt werden. Bei Javadoc oder dem Dokumentierungs-Assistenten aus einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE – Integrated Development Environment) ist es heute möglich, aus dem zur Definition einer Methode geschriebenen Kommentar automatisch die Dokumentationsdateien zu erzeugen.
  • Das Management von Abhängigkeiten im verteilten Produktionsumfeld verlangt nach modernen Strategien im „Complete Application Lifecycle Management“-Prozess. Bei immer kürzeren Produktlaufzeiten nehmen Umbau- und Weiterentwicklungsmaßnahmen immer mehr zu.
  • Im neuen verteilten und heterogenen Software-Bereich können Änderungen nicht einfach an Test-Steuerungen überprüft und anschließend in das Produktionssystem übernommen werden. Künftig muss jeder Lieferant die Module seines Lieferumfangs mit den Schnittstellen und den definierten Details der Implementierung seines Prüflings automatisch und reproduzierbar testen können. Dazu eignet sich z.B. das Java-Framework JUnit.
  • Auch Datensicherungskonzepte aus der IT-Welt werden in das SPS-Umfeld einziehen. Aus Sicherheits- und Produktivitätsgründen ist es zukünftig nicht mehr tragbar, mit einem Programmiergerät (PG) von Station zu Station zu laufen, um die Anlage auf einem halbwegs vernünftigen Stand zu halten. Künftig wird die Fernwartung eine „ad hoc“-Datensicherung unabdingbar machen. Konzepte und Software aus dem IT-Umfeld sind eine große Hilfe, wenn es darum geht, laufende Systeme oder offene Datenbanken zu sichern. Auch die kostspieligen Ressourcen zur Speicherung auf Bändern oder CDs mit ihren abgestuften Zugriffsstrategien sprechen für ein Datensicherungskonzept aus der IT-Welt.
  • Zugriffsrechte in verteilten Netzen und auf verschiedenen Rechnern und Steuerungen erhalten einen ganz neuen Stellenwert. Ein einziges Passwort für die gesamte Steuerung ist nicht tragbar. Das Zusammenfließen und Verteilen von Informationen auf verschiedenen Kanälen und die Kommunikation der Geräte untereinander erfordern eine komplexe Verwaltung der Zugriffsrechte. Um die Bedienung der Systeme so einfach wie möglich zu halten, wird auch die Steuerungstechnik an Konzepten mit „Single Sign On“ oder der Verwaltung der Nutzer in einer Domäne nicht mehr vorbeikommen.
  • Netzwerk-Management und Netzwerk-Diagnose, die auf Standards wie SNMP (Simple Network Management Protocol) mit Management-Programmen wie HP OpenView beruhen, halten in der Anlagenautomatisierung Einzug. Durch die zunehmende Vernetzung der einzelnen Stationen, den Einsatz von Lichtwellenleitern und das Switching wird die Zahl der aktiven Netzwerk-Komponenten überproportional ansteigen. Diese müssen überwacht werden, um im Fehlerfall schnell die Ursache oder bei einer Zunahme des Datenverkehrs rechtzeitig die Schwachstellen ermitteln zu können.
  • Datenbanken werden sich mit der Standardsprache SQL (Structured Query Language) auch bei den Steuerungen und den Visualisierungssystemen zur Datenablage durchsetzen. Die immer größeren und schneller anfallenden Datenmengen müssen in den verteilten Systemen effizient gespeichert werden. Dafür reichen ein Datenbaustein oder die Datenablage in einer Datei nicht mehr aus. Um die Konsistenz der Daten sicherzustellen, muss eine mehrere Systeme übergreifende Behandlung der Transaktionen eingeführt werden.
  • Open Source und freie Software spielen bisher noch keine Rolle im Automatisierungsumfeld. Mit steigendem Kostendruck werden diese Ansätze jedoch in gewissen Segmenten zum Einsatz kommen. Ein Embedded Controller wird ggf. unter Linux zum Einsatz kommen, wenn sich dadurch ein gu-tes Preis-Leistungs-Verhältnis erzielen lässt. Und die zukünftig notwendigen Web-Server können unter Linux und Apache laufen, wie dies im Internet-Umfeld in großem Umfang vorexerziert wird.

Etliche der aufgezählten Entwicklungen und Methoden werden sich bald auch im Umfeld der Produktions- und Fertigungssteuerung wiederfinden. Wie schnell diese Lösungen übernommen werden, bestimmen die internationalen Normungskomitees und die großen Unternehmen in der Automatisierungstechnik mit ihrer Standards setzenden Marktdurchdringung.