Die SPS wird zum Bestandteil des CPS OPC UA als Kommunikationsbasis in der Industrie 4.0

In der Industrie 4.0 bilden Cyber-Physical Systems (CPS) die Grundlage der Automatisierung. Die »gute alte« SPS ist dadurch aber nicht tot, sondern kann weiterhin Bestandteil eines CPS sein. Zur Kommunikation eines CPS mit anderen Systemen und zwischen den Komponenten eines CPS steht das OPC-UA-Protokoll bereit.

Die Herausforderungen der immer komplexeren Fertigungsprozesse und anspruchsvolleren Kommunikationsabläufe werden häufig auf Basis von IEC-61131-3-programmierbaren Steuerungen gelöst. Hierbei versucht die Automatisierungstechnik, die Komplexität mit unterschiedlichen Methoden zu reduzieren. Ein Ansatzpunkt liegt in der Modularisierung und Objektorientierung von Maschinen und Anlagen, welche die funktionalen Einheiten überschaubarer gestaltet. Um die zeitliche Komplexität zu verringern, wird die Applikation in Produktionstakte unterteilt.

Ein großer Teil des Programm-Codes aktueller Steuerungsprogramme ist dabei jedoch für Aspekte wie die Diagnose, etwaige Störungen des Taktes oder die Weiterleitung der Daten an überlagerte Systeme erforderlich. Die regelungstechnische Steuerung der Anwendung macht also nur einen kleinen Prozentsatz des Programms aus. Folglich befindet sich die moderne Automatisierung in einer Sackgasse, weil sie den zukünftigen Herausforderungen der Fertigung etwa im Hinblick auf Flexibilität, Adaptivität oder Vernetzung immer schwieriger gerecht werden kann. Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 hat das erkannt und will daher die Automatisierungstechnik mit neuen Verfahren auf der Grundlage von CPS optimieren.

Welche Rolle das Kommunikationsprotokoll OPC UA in diesem Umfeld spielen kann, soll im Folgenden dargestellt werden. Systemgrenzen müssen verschoben werden Zunächst wird der Begriff des CPS näher beleuchtet. Die heutige, von vielen verschiedenen Anbietern geprägte Automatisierung ist mittlerweile auf der Stufe von Embedded-Systemen oder mechatronischen Einheiten angekommen. Ein CPS umfasst diese eingebetteten Systeme oder mechatronischen Einheiten, aber auch Steuerungselemente wie die SPS, zusätzliche interne Logistik-, Koordinations- und Management-Prozesse sowie externe Dienste. Der Mensch und das zu fertigende Produkt sind integraler Bestandteil dieses Systems (Bild 1). Ein CPS will Daten mit den in der Applikation verbauten Sensoren und Aktoren austauschen. Zudem kennt es den aktuellen Status des Prozesses oder der Umgebung, umfasst unter Umständen Subsysteme oder soll mit anderen CPS kommunizieren. Das alles sind Funktionen, die eine SPS bereits in Verbindung mit Bedienen-und-Beobachten- oder SCADA-Lösungen und einer MES-Kopplung erfüllt. Damit bleibt die Steuerung weiterhin zentrales Element des CPS. Für die neue Sichtweise auf ein CPS als eigenständige Einheit muss also die Systemgrenze verschoben werden. Darüber hinaus sind die Anforderungen der neuen Schnittstellen zu adaptieren.