Industrielle (R-)Evolution? Von SPSen zu Cyber-Physical Systems

Begriffe wie Industrie 4.0 zeigen, dass man künftigen Entwicklungen in der Automatisierung »revolutionäres« Potenzial zutraut. Fragt man jedoch, wie sich die Revolution auf die Praxis auswirkt, wird es deutlich weniger revolutionär. Der Blick in die Nische Service-Robotik offenbart dabei interessante Ansatzpunkte.

Die Fabrik der Zukunft soll intelligenter werden. So sollen die Produkte künftig ihre eigene Fertigung steuern. Die Stationen einer Produktionsanlage erkennen selbstständig, mit welcher Produktvariante sie es zu tun haben und welche Aufgaben sich daraus ergeben. Bisherige Roboter können das nicht. Aber vielleicht sollte man - bildlich gesprochen - einen Service-Roboter aus seinem Job in einem Forschungslabor abwerben?

Was diese Visionen flexibler, sich selbst steuernder Prozesse von den Automaten fordern, ist Adaptivität. Aber viele Antworten, die man bisher zu Industrie 4.0 gehört hat, bestehen »lediglich« aus einer verbesserten Konfigurierbarkeit, gewürzt mit ein bisschen Fernsteuerung über das Internet. Systeme, die wirklich autonom mit Produkten, anderen Maschinen, Netzen oder gar Menschen interagieren sollen, benötigen jedoch eine deutlich höhere Zahl von Sensoren und Aktoren. Und diese verlangen auch deutlich komplexere Rechen- und Steuerungsoperationen.

Service-Roboter als Vorbilder

Die Herausforderungen, die die industrielle Automatisierung künftig zu meistern hat, ähneln denen, mit denen die Entwickler von Service-Robotern schon länger kämpfen. Diese komplexen mechatronischen Systeme bestehen aus Hunderten von Sensoren und Aktoren. Für jeden von ihnen ist ein Stück lokaler Elektronik nötig, um den Sensor auszulesen oder den Motor anzusteuern. Ginge es nach den Prinzipien der heutigen Automatisierungstechnik, würde man dafür eine Vielzahl verschiedener Computer und Controller benötigen, um die verteilten Ressourcen zu einem funktionierenden Ganzen zu machen. Oft müssten für bestimmte Aufgaben verschiedene Betriebssysteme eingesetzt werden; Mikrocontroller, FPGAs und SPSen müssten programmiert werden. Der Einsatz unterschiedlicher Bussysteme und die Verkabelung erhöhen den Aufwand weiter.

Steuerungen nach IEC 61499: Vernetzt, aber noch zentralisiert

Die IEC 61499 - Nachfolgenorm der IEC 61131 als Standard für die Programmierung von Steuerungen - löst die bisher übliche zyklische Programmbearbeitung durch eine ereignisgesteuerte ab. Sie ermöglicht die zusammenhängende Programmierung verteilter Steuerungen. Der Trend verläuft also von der Programmierung einzelner Steuerungen in Richtung einer Programmierung kompletter Systeme.

Ein Problem bleibt damit aber ungelöst: Programm und »Intelligenz« der Applikation befinden sich in einer zentralen Steuerung, die relativ »dummen« verteilten Regelungs- und I/O-Knoten sagt, was sie zu tun haben. Auch die neue IEC 61499 für verteilte Steuerungssysteme verlagert die Intelligenz nicht auf die Sensor-Aktor-Ebene, sondern ermöglicht lediglich die Vernetzung mehrerer Steuerungen. Gerade diese Zentralisierung muss überwunden werden, wenn Systeme adaptiv reagieren sollen.