Die Industriesteuerung wird virtuell

Auf dem Weg zur Steuerung 5.0

25. Oktober 2022, 15:00 Uhr | Roland Wagner
ZU_09/iStockphoto.com
Produktionsanlage mit Dampfmaschine und mechanischer Steuerung
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Das Projekt Industrie 4.0 befindet sich noch mitten im Umsetzungsprozess, aber bei industriellen Steuerungen kann bereits von »Steuerung 5.0« die Rede sein. Worum handelt es sich dabei, wie ist sie aufgebaut und was kann sie leisten? Um dies zu beantworten, bedarf es eines Blicks zurück.

Mechanische Steuerungen haben den Maschinenbau groß gemacht und lassen sich daher als Steuerung 1.0 bezeichnen. Es handelt sich um rein mechanische Steuerungen mit Kurbel-, Nocken- und Königswellen sowie umfangreichen Geschwindigkeitsumsetzungen durch Getriebe und Zahnräder. Angetrieben wurden die ersten Maschinen zunächst mittels Pferdegespannen, später mit Dampfmaschinen sowie Otto- bzw. Dieselmotoren. Eine klassische Anwendung, die bis vor kurzer Zeit noch weit verbreitet war, ist die Königswelle an Rollendruckmaschinen. Die schnell steigende Komplexität der Mechanik bei aufwendiger Funktion, der riesige Materialaufwand sowie die physikalischen Grenzen aufgrund mechanischer Gegebenheiten sind der Grund, warum solche Steuerungen fast ausgestorben sind.

Bei Steuerung 2.0 handelt es sich um elektrische Steuerungen. Mit dem Einzug der Elektrotechnik ergaben sich neue Möglichkeiten, besonders über elektromechanische Komponenten wie Elektromotoren, Schütze oder Relais. Sie ermöglichten das ferngesteuerte Schalten von Einheiten. Über Kombinationen aus pneumatischen, aerodynamischen und thermischen Zeitgliedern bzw. durch Gleichstrom- und Synchronmotoren ließen sich komplexe Steuerungsprogramme hart verdrahten und ausführen. Wäschetrocknersteuerungen aus den 1980er-Jahren beispielsweise waren mit einigen Dutzend Kabeln versehen, sodass der Austausch eine akribische Dokumentation erforderlich machte.

Die Funktionen solcher Steuerungen waren leicht realisierbar, erforderten aber, wie in dem geschilderten Fall, eine diskrete Anbindung aller Sensoren und Aktoren und damit einen hohen Verdrahtungsaufwand. Die Schaltung der unterschiedlichen Trockenprogramme erfolgte mittels drehender Elemente, die über Schleif- oder Federkontakte mit den entsprechenden Einheiten verbunden waren. Nicht zuletzt dadurch waren solche Steuerungen recht wartungsintensiv.

Elektronische Steuerungen können als Steuerung 3.0 gelten. Der Einzug der Elektronik und vor allem programmierbarer Prozessoren machte den Weg frei für Steuerungen, wie sie heute noch gängig sind. Dabei werden die Funktionen besonders für kommerzielle Anwendungen in großen Stückzahlen nach wie vor hart ins Silizium eingebrannt. Für kleinere Serien bzw. sich ändernde Applikationen hinterlegt man die Funktion im Systemspeicher – früher in PROM-, EPROM- und EEPROM-, heutzutage in Flash-Bausteinen. Die freie Programmierbarkeit der Funktion in den Speicher des Systems brachte die Geburtsstunde des industriellen Gerätetyps der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), deren Applikation in PC-basierten Programmier-Tools erstellt und dann in das Gerät geladen wird. Mit dem Start der SPS wird die hinterlegte Applikation sofort ausgeführt und läuft meist über Jahrzehnte im 24/7-Betrieb.

Berghof Automation
Modulare SPS B-Nimis mit zusätzlichem Feldbus
© Berghof Automation

Softwarebasierte Steuerungen haben den Charakter von Steuerung 4.0. Schon vor mehr als 20 Jahren hielten Betriebssysteme Einzug in die Steuerungstechnik. Sie bringen viele nützliche Technologien mit sich, wie man sie beispielsweise von PCs kennt. Dazu gehören unter anderem Dateisystem, TCP/IP-Protokoll-Stack, Multitasking oder die komfortable Unterstützung von Grafikfunktionen. Per Runtime Software, sprich: Soft-SPS, lassen sich solche Systeme zur vollwertigen SPS aufrüsten. Wenn die Geräte für den industriellen Einsatz konzipiert sind, unterscheiden sie sich äußerlich kaum von normalen SPSen.

Allerdings können Anwender damit nicht nur eine einzige programmierte Logikfunktion abarbeiten lassen. Die Multitasking-Eigenschaften des Betriebssystems und die Leistungsfähigkeit der CPU machen diese Systeme jetzt multifunktional. Und so werden heutzutage nicht nur Automatisierungsfunktionen wie Visualisierung und die Steuerung koordinierter Verfahrbewegungen bis hin zu CNC-Systemen und Robotern in einem Gerät ausgeführt, sondern auch allgemeine Kommunikationsaufgaben. Parallel dazu lassen sich komplett andere Aufgaben problemlos umsetzen, besonders wenn CPUs mit mehr als einem Prozessorkern im Einsatz sind.

Aufgrund der Nachladbarkeit von Funktionen durch zusätzliche Softwaremodule bewerben Hersteller ihre Systeme mit Analogien wie »Smartphone für die Automatisierungstechnik«. Hier können Anwender quasi über Apps die Funktion des Geräts selbst bestimmen. Verbindet man solche Systeme mit Internet- und Cloud-Plattformen, dann werden sie zu Edge-Controllern.


  1. Auf dem Weg zur Steuerung 5.0
  2. Für virtuelle Steuerungen auch Hardware erforderlich

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